同相逆并聯結構在孤島模式下的諧波電流抑制

馬永翔，韓 迪，2，鄭康霖

（1.陜西理工大學 電氣工程學院，漢中723000；2.國網渭南供電公司，渭南714000；3.西安理工大學電氣工程學院，西安710048）

在我國的工業生產活動中，大功率整流裝置在熔鹽電解、食鹽水電解、石墨化電爐和直流電弧爐等設備中廣泛應用。 上述制備工藝都需要整流裝置提供持續、強大、穩定的直流電流，以保持負載恒功率運行[1-2]。 此類生產活動的生產周期可達數周甚至數月，一旦投入生產，任何因素導致的整流裝置意外退出，都會造成生產線癱瘓、原料報廢，給生產者帶來難以估量的經濟損失。 整流裝置在此類生產環境中被比喻為心臟，它可靠、安全、穩定運行的重要性不言而喻。

大功率整流裝置中被廣泛使用的三相橋式同相逆并聯整流電路是三相橋式電路的衍生結果，其理論基礎是以日本FUJI 公司推出的整流變壓器為代表的[3]。 其結構是將兩組三相橋式整流電路聯接，按相反相位組合在一起，同時使變壓器二次繞組到整流臂的兩組導排平行、近距離布置。 在運行過程中的任一時刻，兩組導排上的電流大小相等、方向相反，其產生的交變磁通相互抵消，減少了導排電抗渦流損耗。 這種方法不僅能夠解決換相過程中的局部發熱、 電抗壓降增大和并聯元件不均流的問題，同時可以提高整流裝置的效率。 該技術于上世紀70年代傳入我國，并得到了大力的推廣，如今已經作為成熟的技術被廣泛應用[4]。

國內外學者對于同相逆并聯整流電路的設計、原理、監控、保護和諧波抑制等方面的工作均作了比較深入的研究，但對于孤島模式下同相逆并聯電路的電能質量問題少有研究[5-6]。

硅整流裝置是電網中主要的諧波產生源之一，同相逆并聯結構中每臺變壓器設兩組三相橋，每組6 脈波，每臺向系統輸出12 脈波諧波電流，為了防止對電網的侵害，往往在系統中加裝諧波抑制裝置進行治理。 但是在孤島模式下，系統容量發生了很大變化，傳統的諧波抑制手段、控制策略會給系統帶來新的問題，甚至會導致設備絕緣損壞[7]。 本文對這一問題進行探討，首先分析了同相逆并聯的諧波特性，對其在微網環境下可能會導致的設備損壞進行了仿真與分析；討論了目前常見的幾種諧波電流算法，并給出了微網系統的諧波電流控制策略。

1 孤島模式下同相逆并聯的諧波特性

變流裝置是電網的主要非正弦受電設備，即使供電電網為理想正弦波，由于整流閥的單向導電特性，正反向電壓作用下其電阻值也是截然不同的[8]。因此，整流裝置從交流電力系統中取用的電流也是非正弦的。 這種非正弦電流，會根據系統參數、整流裝置相數、接線和運行條件的不同而發生很大的畸變。 將這些電流波形進行傅里葉分析可得到基波及一系列不同頻率和振幅的諧波電流，但通常不包括直流分量，因此，整流裝置是從電力系統中取用諧波電流的受電設備[9]。

諧波電流分布的計算應當遵循以下3 點：

（1）電力系統的任一支路都處于一定的諧波電壓作用下，如果該支路承受的任一次諧波電壓為Un，該支路諧波電抗為Xzn，則流入該支路的諧波電流Izn為

（2）不包括容性元件的網絡中，任一支路的n次諧波電流，只是該次總諧波電流的一部分，數值上不會超過它。 整流裝置無論作為諧波電流元或電壓源，整流變壓器一次電流中都包含了所有各次的總諧波電流。

在忽略支路電阻且沒有容性元件的情況下，各支路諧波電流都是純感性電流，滯后于其相應諧波電壓90°，可以看作標量直接相加。 關于整流裝置線電流的畸變系數，可以以v 來表述，定義為網測電流中所有諧波的均方根值與基波電流有效值之比：

諧波電壓的分布與諧波阻抗成正比。 將整流裝置視為電壓源，則諧波發電機的端電壓En為理想空載電壓En0減去回輸到電網去的諧波電流In和假想內阻R0上產生的壓降，其向量方程式為

因此越接近整流裝置諧波越大。

整流裝置供電系統中任一點p 的諧波電壓，等于在諧波等值回路中通過該點流入系統的諧波電流Ipn乘以該點至電源中性點的每相諧波阻抗，從而p 點的諧波電壓為

經典的同相逆并聯整流變壓器設兩組三相橋，每組6 脈波，每臺12 脈波，兩個橋的三相電壓互差180°，如圖1 所示，圖中左側橋導電的相序為ab、ac、bc、ba、ca、cb， 右側橋的導電相序為b′a′、c′a′、c′b′、a′b′、a′c′、b′c′。 同相逆并聯最大的特點就是整流系統的導排近距離布置，一般導排盡可能地減少交變磁場對系統的影響。 這樣做帶來的弊端就是增加了同名相間短路的可能性，在微網系統中，這種故障發生的可能性進一步提高。

圖1 同相逆并聯整流器模型Fig.1 In-phase anti-parallel rectifier model

2 仿真與分析

在實際工程中，通常將2 臺或者更多的整流器組合在一起使用。 利用Simulink 中Transformers block 模塊搭建如圖2 所示的正反三角與正反星形同相逆并聯整流器模型。 該模型利用3 臺變壓器模塊組成一個整流器， 每臺變壓器代表一個相序，高壓側為35 kV，設置一繞組，低壓側為10 kV，設置二繞組以便于閥側接線。 每臺整流器設置2 組三相橋，每組6 脈波，每臺12 脈波，兩臺整流器采用正反三角和正反星型2 種接線組合獲得12 脈波。 系統負荷根據工礦企業實際情況進行設置，電源容量為600 MVA。

圖2 正反三角、正反星形變壓器模型Fig.2 Positive and negative triangle，positive and negative star transformer model

將其接入如圖3 所示的微網電力系統模型當中。 斷開開關Switch FC，閉合開關Switch system，運行模型并經過FFT 分析， 可得到圖4 所示結果，35 kV 側A 母線上各次電壓諧波含有量統計值。 由圖可看出，11、13 次特征諧波含有量分別為5.95%，3.62%，總THD 達到了8.33%。根據國家對電能質量的要求， 標稱電壓35 kV 側電壓奇次諧波含有率不能超過2.4%，偶次諧波含有率不能超過1.2%，總諧波畸變率不得超過3.0%。 根據國家的標準來看，該系統已嚴重超標。

諧波電壓超標不僅僅會造成額外的損耗、引發保護勿動、擊穿設備絕緣，甚至有可能會在多組機組同時投運時產生諧振，造成相間短路，尤其是同相逆并聯閥側逆相同名導排近距離布置的情況下，更容易出現這種嚴重損害人身與設備的意外。

圖3 微網電力系統模型Fig.3 Microgrid power system model

圖4 FFT 分析結果Fig.4 FFT analysis results

將正反三角與正反星橋式系統組成的同相逆并聯電路繪制成如圖5 所示的形式，并假定兩同名正反星形逆并相a-a′間絕緣破壞， 則a 及a′相的正、負橋臂任意時刻都處于反電壓作用下，均不能導通。 以正極臂組中的1 臂為例：按導電順序，在ab及ac 導電期間，1 臂本應導通；在另一系統內，相應是b′a′及c′a′，導電期間，3′及5′臂導通。 但由于a、a′間已連通，電位相等，且此時a、a′電位低于b′及c′的電位。 故電壓Ua′b′及U 將以反電壓的形式加于1臂，使1 臂無法導通。 同樣對a、a′相的其它各臂（4、1′、4′臂）也可做出類似分析，從而說明a、a′相連接的4 個整流臂，任一時刻均承受反電壓無法參與導電。 顯然，直流電壓峰值將升至正常狀態下的二倍，相應的圖中各臂元件所受反峰電壓也將升至正常狀態下的兩倍。 若負載回路不變，當直流電壓幅值升高一倍時，負載電流的幅值也將升高一倍。 正常狀態下，兩個橋式系統并聯工作，各負擔一半的負載電流，而在這一故障狀態下，相當于一個橋式系統供出全部負載電流，因此導電瞬間橋臂流過的電流幅值將達到正常狀態下的四倍，過電流情況最為嚴重。

圖5 同相逆并聯橋臂擊穿示意圖Fig.5 Schematic diagram of in-phase anti-parallel bridge arm breakdown

直流空載電壓的平均值：

正常狀態下的直流空載電壓為

即同名相間短路故障時，直流空載電壓將升至正常狀態的1.82 倍。

3 諧波抑制策略

為了降低擊穿故障發生的概率，必須采取諧波電流主動控制。 微網中常采用的無功優化手段包括同步調相機、APF、SVG、LC 無源濾波器等傳統方式。 考慮到經濟性與實用性，在包含有同相逆并聯結構的微網系統中， 采取LC 無源濾波無疑是最為經濟與便捷的。

針對仿真中主要的11、13 次特征諧波，設置兩組一階濾波器和一組高通濾波器，如圖6 所示。 濾波器的容量選取需要避免與系統發生諧振，一般品質因數設計為0.8 左右。在微網系統中，容性設備的投切，應當避免與發電機形成諧振。

在圖3 的仿真中，閉合開關Switch FC，運行模型并經過FFT 分析，可得到圖7。由圖可看出，11、13次特征諧波分別降低為0.99%，0.82%，總THD 降低至了2.04%。

圖6 濾波器配置Fig.6 Configuration of filter

圖7 濾波后FFT 分析Fig.7 FFT analysis after filtered

4 結語

本文針對孤島模式下的同相逆并聯結構進行了仿真；指出了由于系統短路容量不同，孤島模式相較與電網更容易引發整流器故障，并利用Matlab/Simulink 仿真了一種可能會由諧波電壓引發的整流器事故；提出了孤島模式下同相逆并聯整流器的抑制手段，對采取轉抑制方案后的系統進行了仿真。

與傳統電網相比較，同相逆并聯結構在孤島模式下的諧波畸變率偏大，更應當注意對諧波電壓的控制。