PWM整流器在高压直流供电系统中的应用研究

李 乐

（苏州大学，江苏 苏州215000）

0 引 言

高压直流供电系统由于其损耗小、纹波小、灵活性好、可靠性高等特点，被广泛应用在各行各业中，特别是在新能源的应用和远距离输电等领域中高压直流供电系统有着自身突出的优势［1］。但如何有效地降低首端电网的谐波畸变率，仍是目前高压直流输电的重要技术问题之一。

随着科技的不断发展，人们对SHE－PWM整流器的关注和研发日新月异。本文中整流器变压器为12脉冲的相移变压器，采用两个单桥整流器级连方式，用以将电源电流中存在的5、7、17、19次谐波消除。对于11、13次谐波采用SHE－PWM调制方式消除，从而降低电源电流中的谐波，减小谐波失真（THD），消减电网污染［2］。因此对该结构进行研究和实验具有很重要的意义。

1 拓扑结构

1．1 主电路图

如图1所示为双桥整流器的拓扑结构。其主电路图由串级连接的两个整流桥和12脉冲相移变压器组成［3］。由于GTO的开关频率很低，开关器件选用GTO。因此为了减小开关角度的个数，本文采用优化SHE－PWM的方法。

文中功率器件采用双向IGCT（SGCT），它使整个系统在四象限范围内正常运行，并实现输入电流为单位功率因数。图1的双桥整流拓扑结构图中详细标注了主要元件及其对应参数。

图1 拓扑结构

1．2 相移变压器的输入电流

相移变压器的绕线方法不同，可使得零序电流无法产生或无法流出。故变压器的原边电流可以分成正序谐波和负序谐波两种电流，它们与副边电流相差的相角分别为（－δ）和（δ）［4］。因此，图1中输入电流iA表示为：

由公式（1）可以推导出，输入电流iA中的5、7、17、19次等谐波已被消除。

1．3 整流器的输入电流

由于输出的直流电流不能被间断，故通过旁路脉冲进行调试［5］。如图2所示，当三个角度（θ1、θ2、θ3）得到确定后，可推导出其他角度。利用这三个角度提供的三维自由度则可以用来消除谐波。

图2 整流器脉冲和输入波形

本文用整流器消除两个低次谐波和调节基波幅值，消除11、13次谐波。

2 双波段SHE－PWM的调制原理及数值解

首先，电流iw波形符合Dirichlet定理，可以利用傅立叶级数分析法，推导出在特定谐波的情况下，对应特定脉冲下的傅立叶级数展开式［6］。

图2中电流iw波形可以用傅立叶级数表示如下：

其次，令基波幅值为某一值，特定的低次谐波为零，得出一个反映脉冲相位关系的非线性方程组。假设为了消除N－1个谐波分量，同时调节基波幅值，则令a1＝maIdc，当n＝11、13、23、25．．．时，令an＝0。其中，调制比基波的峰值，Idc为直流侧电流。则可得到由N个方程构成的非线性方程组为：

最后，再按求解对脉冲相位进行控制，则可以消除此特定的低次谐波。对于非线性方程组（4）的求解方式，可参见参考文献，本文不做赘述［7］。

针对图2中的脉冲和输入波形调制方式，经过对双桥整流器SHE－PWM开关角度的非线性方程组公式（4）的求解，当ma取值分别为0．20、0．40、0．60、0．80、0．85时，可得出数值解如表1。

根据表1得的数值绘制其开关数值解的轨迹图，如图3（a）。从图3中可以看出，当调制比达到ma＝0．85时，θ9和θ10曲线相交，并合并为同一曲线，实现了最佳调制比状态。随着ma的增加将无法实现更加优化的方案，故在ma＝0．85后采用第二阶段调制方法：在保留原有的独立的3个角度（θ1、θ2、θ3），增加一个脉冲，其脉冲及输入波形如图2（b），它可以达到更高的调制比。

表1 开关角度第一波段的数值解

其双桥整流器SHE－PWM开关角度的非线性方程组公式（4）中，当ma取值分别为0．85、0．90、0．95、1．00、1．08时，可得出数值解如表2，开关角度数值解的轨迹如图3（b）。

表2 开关角度第二波段的数值解

图3 开关角度数值解的轨迹

通过对谐波含量的分析和计算，绘制了双波段开关角度SHE－PWM的谐波含量频谱图，图4展示了在第一阶段调试和第二阶段调试中的频谱特性。

图4 输入电流iw谐波含量频谱

从图4中可以看出双波段开关角度以ma＝0．85为分界点，两波段的谐波含量频谱有着非常好的匹配和连贯性。5次、7次谐波在双波段中具有曲线特性，均为一条曲线。17次、19次谐波在两个波段的交界处，发生错位现象，即在第一波段中的17次谐波曲线在第二波段中沿19次谐波方向走势延伸；同样，19次谐波曲线在进入第二波段后沿着17次谐波曲线方向走势延伸。图中用虚线表示19次谐波曲线。当双波段的调制比ma＝1．08，电源的利用率达到了最高。

3 实验研究

为验证双波段SHE－PWM上述消谐作用，按图1的拓扑结构图进行了模型电路的模拟实验。控制平台选用TI公司的DSP320LF2407型控制器，三相滤波电容器中Cf＝14μF。分别取ma＝0．5和ma＝0．9，把表1、表2中方程组运算的结果存入到DSP中，通过查表法取得开关切换时刻，按照双波段SHE－PWM控制步骤及要求，进行了实验研究，所得的波形图如图5。

图5 PWM整流器双波段调试的实验波形

从图5中可以看出，电源电流iA波形已非常接近理想正弦波形。此电源有效地消除了谐波，对电网没有污染，完全符合前面理论推导结果。

4 结 论

双桥整流器拓扑结构中的相移变压器可以有效地降低电流的谐波失真。在此基础上，通过双波段SHEPWM调制可以进一步提高电源的利用率。经过实验验证，此方法不会对电网产生污染，有效提高电源利用率，在今后的高压直流供电系统中将有重要的实际推广价值。

［1］ 费万民，吕征宇，姚文熙．三电平逆变器特定谐波消除脉宽调制方法的研究 ［J］．中国电机工程学报，2003，23（9）：11－15．

［2］ 王毓东．电机学 ［M］．浙江：浙江大学出版社，2000．

［3］ 官二勇，宋平岗，叶满园．高压直流输电系统用SHE多脉冲逆变器［J］．高电压技术，2006，32（5）：77－79．

［4］ 谢运祥，周 炼，彭 宏．逆变器消谐模型的同伦算法研究 ［J］．中国电机工程学报，2000，20（10）：23－36．

［5］ 官二勇，宋平岗，叶满园，何 鑫．一种新颖的SHEPWM 双波段整流器研究［J］．电力电子技术，39（3）：33－35．

［6］ 李冬辉，梁宁一．带有源滤波功能的PWM整流器预测直接功率控制研究［J］．2013（24）：16－18．

［7］ 王 成．单相PWM整流器控制方法及谐波分析［J］．电子设计工程，2014，（6）：23－26．