多相整流技术在t—HVDC上的应用

【摘要】传统三相整流器由于输入电流中含有大量的谐波含量，对电网带来了较大的危害。多相整流技术可以有效降低输入电流的谐波含量THD，同时具有可靠性高、高功率因数和高效率等优点。本文详细分析了使用在我公司生产的t-HVDC上的24脉变压整流器的网侧电流谐波含量以及平衡电抗器在整流电路中的工作原理，利用 Saber 软件建立了其仿真和通过样机实际测量结果验证了多相整流技术在有效降低输入侧电流谐波、高功率因数、高可靠性和高效率特性。

【关键词】24脉变压整流器;平衡电抗器;谐波;多脉波整流

1.t-HVDC主整流器技术路线

根据YD/T 2378-2011规范，240V高压直流电源HVDC中的整流模块网侧技术条件如下：

1.1 电流谐波

表1 电流谐波成份

项目 技术要求

电流谐波成份（100%负载） ≤5%

电流谐波成份（50%负载） ≤10%

1.2 功率因数

表2 功率因数

项目 技术要求

输入功率因数（100%负载） ≥0.99

输入功率因数（50%负载） ≥0.98

1.3 效率

表3 效率

额定输出电流（A） 技术要求

效率（100%负载） ≥ 92%

效率（50%负载） ≥ 91%

鉴于上述的技术条件，在目前高频整流模块N+1的叠加系统的技术体制外，我们应用了24脉整流系统的技术体制。而24脉整流系统是由24脉移相变压器与4个全桥整流器，平衡电抗器组成，其输出直流电压波形在一个交流周期内有24个脉冲波头。由于各组三相输入电压间的相移，使得各三相整流桥产生的谐波有部分可以相互抵消，从而有效地降低了系统输入电流的谐波（THD）、提高了系统功率因数和系统效率，以及降低了输出电压脉动。

同时由于24脉多相整流技术具有过载能力强、运行可靠性高等优点，提升了系统整体的稳定可靠性。本文以24脉冲变压整流器为研究对象，首先分析了网侧电流谐波含量，建立其 Sabe仿真模型，分析了移相变压器和平衡电抗器的设计，并给出了部分仿真波形和实测数据。

2.24脉整流网侧输入电流分析

由图1所示为24脉变压整流器电路原理图，三相交流电源输入至移相变压器产生了相位相差15°的24脉电压，24脉电压经过四组整流桥，经过平衡电抗器PL后输出至负载。平衡电抗器的作用是保证系统的每个瞬间4组整流桥都有输出。24脉整流有效的抑制了网侧输入电缆的谐波和输出电流脉动。网侧谐波仅含24k±1次（k=1，2，3，4，5…）输出电源仅含24k次谐波，幅值与次成反比。

图1 24脉主整流器原理图

三相网侧电压表达式：

VA= Vm sin（ωt）                 （1）

VB= Vm sin（ωt-120O）            （2）

VC= Vm sin（ωt+120O）            （3）

经过移相主变压器后，得到4组相差15o的三相电压，其中A相：

Va1= Vm sin（ωt+п/24）

Va2= Vm sin（ωt-п/24）

Va3= Vm sin（ωt+п/8）

Va4= Vm sin（ωt-п/8）           （4）

b，c相（2）（3）类推

考虑输出端采用了足够电感量的输出平衡电抗器，保证了三相副边的每个线圈电流呈120o输出方波（电抗器的电流不会突变的假设）4组整流桥输入电流依次差15o，经过傅里叶分解，第一组桥输入电流可以如下函数表达：

（5）

其他的整流桥仅差一个固定的角度。我们的4个整流桥输出电流由于输出电压是完全一样，所以电流是相同的，均是输出电流Io/4。可以推出网侧的A相电流：

（6）

第N次谐波的幅值AN：

（7）

我们将n=5，7，11，13，17，19，代入，An=0。可以验证，IA的谐波仅有24K±1次;

即：23，25，47，48…次，并且幅值大大减小，频率最低可达f23=1150。其余的IB，IC类同于IA。

3.24脉主整流变压器系统

3.1 变压器结构

根据图1技术要求，24脉变压器副边的结构。

图2 副边绕组矢量图

图2的副边绕组由粗线表示;细线表示输出电矢量。1绕组电矢量1点钟;2绕组电矢量12点钟;3绕组电矢量12点半，4绕组电矢量11点半。各绕组的输出相差15o。傅里叶分析导出的低次谐波是各绕组整流器波形相互抵消所消失的的，这里在工程上要达到上述要求是困难的，但是这在理论上是必须要达到的要求，实践证明;工程上，四绕组输出电压误差只要控制在±0.25%内，延边绕组抽头引起的电角度误差在±0.25o以内才有好的效果。

显然，为了达到技术要求绕组的副边匝数需要在电脑上计算设计选取找到最佳的匝数配比，再决定原边匝数和决定磁路磁密。其绕组的接线图如图3所示。

1绕组          2绕组       3绕组        4绕组

图3 主整流变压器副边连接图

3.2 平衡电抗器的设计

直流电源的并联运行必须是电压平均值相等和电压的瞬时值均需相等才能保证各整流器的输出电流相等，4个全桥整流器的输出电压平均值理论上相等的但是瞬时值不等，不在电路上插入平衡电抗器PL，4套整流桥在每个瞬时仅有一套运行。插入PL后可以使得4套整流桥都在运行，即任何瞬时保证有8个二极管导通工作。每个绕组的电感量：

（8）

为了提高系统的可维护性，降低系统的复杂度，平衡电抗器PL采用一体化4柱结构，减小了体积重量和提高了平衡效果。电感量在6倍频，输出电流10%额定值和Vpmax=42v条件下取值1.5mH已能够达到效果。

图4 输入电流波形图

图5 输入电流谐波含量图

图6 系统运行效率曲线图

当然，实际上的数据还会受到电源系统本身电源THD等的影响。但是，24脉整流系统的优异性能在t-HVDC上应用显然是一个好的选择。由于主变压器选用优质取向电工钢等措施，系统空载时仅有极小的空载损耗，高效率的最佳运行段很长，这些都为节能和降低系统运行成本留出了空间。有图6可以看出，负载超过10%后，整个系统效率都是在很高的位置上就说明了系统空载损耗的低下。由于数据中心是耗能大户，高效率就有了高效益和相应的环保社会效益。

图7 500A输出条件下输入波形图

4.仿真和实测分析

4.1 输入电流仿真

输入电压200V输出电流312A输入电流波形图424阶梯波其包络线为正弦波，图5谐波含量THD=7.6，这和理论计算相吻合的，由于仿真是在理想环境下模拟，实际上，我们送检的240V/1200A的t-HVDC系统的实测由于变压器的漏感和上级电源的系统分布电感的影响，实际上的THD参数要好于没有考虑分布输入侧电感参数仿真值，由表（4）、表（5）和表（6）的测试数据和图7可以说明。效率这一块由于仿真忽略了整流桥的二极管体电阻，数据要比实测高了1个多百分点。

表4 电流谐波成份

项目 技术要求

电流谐波成份（100%负载） ≤3%

电流谐波成份（50%负载） ≤4%

电流谐波成份（30%负载） ≤5%

4.2 1200A t-HVDC系统送检的部分实测数据值

4.2.1 系统输入电流谐波成份（见表4）

4.2.2 系统输入功率因数（见表5）

表5 功率因数

项目 技术要求

输入功率因数（100%负载） ≥0.99

输入功率因数（50%负载） ≥0.99

输入功率因数（30%负载） ≥0.99

4.2.3 系统效率（见表6）

表6 效率

项目 技术要求

效率（100%负载） ≥96.5%

效率（50%负载） ≥96.5%

效率（30%负载） ≥96.5%

5.结语

24脉整流技术目前在城市轨交、高铁等大功率整流装置上已有大量实际应用，由于数据机房大力推广使用HVDC供电体制，采用24脉整流技术的t-HVDC系统，在电源系统要求高可靠、可维护和节能的强烈诉求下，如此优异的系统应用于t-HVDC是正当其时。t-HVDC系统结构清晰简单，维护量极少;检修难度较低和维修需时少和维护从业人员要求低的特点，系统发热量少噪音小（≤46dB），特别好的抗过载能力及电池组维护的自动化配置，这些都为应用于数据机房提供了契机。

参考文献

[1]高晓晖，等.带均衡电抗器12脉波变压整流器仿真模型的研究[J].系统仿真学报，2006（7）：1976-1979.

[2]白丽娜.多脉冲整流系统设计[D].北京：中国石油大学.

[3]YD T2378-2011通信用240V直流供电系统.

作者简介：张建国（1961—），男，上海人，深圳市振华微电子有限公司资深工程师，从事通讯行业工作，主要研究方向：高压直流供电系统及系统设备不间断综合供电系统。