输入电压不平衡时的18脉冲自耦变压整流器分析

吴明雷，韩慎朝，李民，王小宇，宋飞

（1.国网天津市电力公司电力科学研究院，天津 300010；2.国网天津节能服务有限公司，天津 300010；3.国网天津市电力公司，天津 300010；4.南京南瑞太阳能科技有限公司，江苏 南京 210000）

输入电压不平衡时的18脉冲自耦变压整流器分析

吴明雷1,2，韩慎朝1,2，李民1,2，王小宇3，宋飞4

（1.国网天津市电力公司电力科学研究院，天津 300010；2.国网天津节能服务有限公司，天津 300010；3.国网天津市电力公司，天津 300010；4.南京南瑞太阳能科技有限公司，江苏 南京 210000）

本文详细的分析了输入电压不平衡对18脉冲自耦变压整流器（ATRU）的输出电压、输入电流的影响。讨论通过在整流器输出侧增加合适的滤波电感以抑制输入电压不平衡所引起的输入谐波电流，并给出了滤波电感设计方法。研制了一台5kW的演示样机。实验结果表明，所提出的谐波抑制方法和设计电感有效抑制了三相输入电压不平衡对18脉冲自耦变压整流器造成的影响。

输入不平衡；自耦变压整流器；谐波；滤波电感

18脉冲自耦变压整流器在三相输入电压平衡时，可以有效消除输入电流中的5、7、11、13次谐波，减小输入电流中的谐波含量。但当输入三相电压不平衡时，则会导致输入电流产生较大畸变。本文详细的分析了十八脉冲自耦变压整流器在三相输入电压不平衡时的工作特性，认为输入电压不平衡时，整流器输出电压中将产生2、4、6等非特征次谐波，从而导致输入电流低次谐波含量增加。在此基础上，增加并设计输出滤波电感，与输出电容构成LC滤波器，通过抑制整流器输出电压的非特征次谐波，达到抑制输入谐波电流，改善输入电流THD的目的。

1 三相输入不平衡对输出电压的影响

图1所示为DP型18脉冲自耦变压整流器原理图，三相输入电压（Va、Vb、Vc）经过自耦变压器产生三组三相电压（Vaf、 Vbf 、Vcf ）、（Val、Vbl、Vcl），分别超前/滞后于三相输入电压（Va、Vb、Vc）37°。主线电压（Vab、Vbc、Vca）由主三相电压合成，复合线电压（Vafb、Vbfc、Vcfa）、（Vabl、Vbcl、Vcal）等由主三相电压和辅三相电压复合而成，其幅值相等，相位依次相差20°。三组三相电压分别连接到三组整流桥，三组输出并联后通过滤波电容连接至负载。图2所示为自耦变压器的电压向量图，其中三相输入电压为：

主桥桥臂输入电压即为三相输入电压源电压，两个辅桥桥臂输入电压为：

图1 18脉冲自耦变压整流器

三相输入不平衡包括电压幅值不平衡以及相位不平衡，可将三相输入电压分解为对称的正、负、零序电压之和。而各相的零序分量幅值及相位均相同，与整流桥开关函数相乘后总和为0，因此三相输入电压分解成对称的正序和负序分量即可，其中主桥输入电压可表示为：

其中：

图2 自耦变压器电压矢量图

同理可知，辅桥1的输入电压表示为：

其中：

辅桥2的输入电压表示为：

其中：

由此可得18脉冲自耦变压整流器的输出电压为：

将式（1）～（9）以及开关函数代入式（10），可得该整流器的三组输出电压：

其中：

式（12）～（14）表明，当输入为对称的三相电压时，各个整流桥输出电压仅存在6、12、18次等特征次谐波，合成之后在整流桥输出公共端仅存在18、36、72等特征次谐波。

2 三相输入不平衡时输出端并联电容对输入电流的影响

图3所示为18脉冲自耦变压整流器简化示意图，当ATRU输出端并联电容时，由输入输出瞬时功率守恒可知：

当ATRU输出端不并联电容时：

由式（10）可知，输出电压仅与输入电压源和开关函数有关，所以无论输出端是否并联电容，负载所消耗的功率不变。

3 抑制输入不平衡的措施

图3 ATRU简化原理图

3.1 抑制输入不平衡的方案

根据前文分析可知，在三相输入不平衡的情况下，当ATRU输出端并联电容时，将导致输出电压中产生2、4、8等非特征次谐波，进而导致输入电流中产生3次等低次谐波。为了抑制在三相输入不平衡情况下输入电流产生的畸变，考虑在输出端串联电感，构成LC滤波单元，如图4所示。

图4 加入LC滤波器的ATRU原理图

3.2 输出滤波电感的设计

输出LC滤波器的传递函数为：

对于此振荡环节，在ω≪ωr的低频段，幅频特性约为增益为0的一条水平线；在ω≫ωr的高频段，幅频特性为一条斜率为-40dB的直线，在谐振频率处取得最大值。当输入电源频率为400Hz时，考虑设计滤波器的穿越频率低于二次谐波频率即800Hz。选取谐振频率ωr=400Hz，则有L⋅ C=1.58× 10−7，当电路中输出并联电容，从而得滤波电感为

4 实验验证

分别对三相输入电压幅值以及相位不平衡的情况对前文的理论分析进行实验验证。负载为5kW阻性负载，电源输入频率为400Hz,滤波电容C为，电感L为图5(a)(b)是在输入电压幅值分别为111/119/115时，引入滤波电感前后的A,B相输入电流波形。图6(a)(b)分别是在输入电压相位分别为88°/210°/332°时，引入滤波电感前后的A,B相输入电流波形。实验结果表明在没有引入滤波电感时，输入电压不平衡导致十八脉冲自耦变压整流器输入电流产生较大畸变，引入滤波电感后，输入电流谐波得到很好的抑制，畸变大幅减小。

5 结语

本文详细的分析了三相输入电压不平衡时，会引起18脉冲自耦变压整流器的输出电压中含有2、4、6等非特征次谐波，从而导致输入电流中的谐波含量增大。在整流器输出侧引入滤波电感，在输入电压不平衡时，通过抑制整流桥输出电压中所含有的非特征次谐波，大幅改善了输入电流的THD。

图5 电压幅值不平衡引入滤波电感前后的电流波形

图6 电压相位不平衡引入滤波电感前后的电流波形

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：1671-0711（2017）09（下）-0143-03

（国家电网公司科技项目资助（合同号：SGTJDK00KJJS1600036）光伏微电网关键技术研究和核心设备研制）。