一种改善地铁辅助变流器交流电压谐波的方法

高翔

（重庆轨道交通集团有限公司，重庆 401120）

在交-直-交电压源型变频器中，一般其交-直变换部分采用二极管组成的三相不控整流器，并且中间直流环节采用大电容滤波。其典型电路如图1、2 所示。

图1 电容滤波型整流电路

图2 感容滤波型整流电路

带阻感负载的整流电路产生的谐波污染和功率因素滞后，严重影响交流输入电网的电能质量，当输入电网的容量较小时尤为明显。谐波描述电压或电流波形与正弦波之间的波形畸变，而功率因素描述电压与电流间的相位差异。

将交流输入电流波形按傅里叶展开：

由此可得：电流中仅含6k±1(k 为正整数)次谐波，即整流电路将在交流侧注入5、7、11、13、17 和19 次等谐波，各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。

1 电容滤波型整流电路分析

图1 所示的电容滤波型三相整流电路中，C 是滤波电容，用电阻模型来代表整流电路的负载R。当某一对二极管导通时，直流侧电压等于交流侧的某一线电压。设每组二极管在距线电压过零点θ 角处开始导通，并以二极管VD6和VD1开始同时导通的时刻为时间零点，则线电压为

在t=0 时，二极管VD6和VD1开始同时导通，直流侧电压等于eab；下一次同时导通的一对管子是VD1和VD2，直流侧电压等于eac。这两段导通过程之间的交替有2 种情况：一种是VD1和VD2同时导通之前VD6和VD1是关断的，交流侧向直流侧的充电电流id是断续的；另一种是VD1一直导通，交替时由VD6导通换相至VD2导通，交流侧向直流侧的充电电流id是连续的。

因此存在一个使电流id断续和连续的临界条件，参照参考文献可知此临界条件为：ωRC=。可理解为整流电路在轻载时直流侧获得的充电电流是断续的，重载时是连续的。图3 是整流电路工作在连续状态的id波形，图4 是整流电路工作在断续状态的id波形。

图3 连续工作状态电流id 波形

图4 断续工作状态电流id 波形

2 感容滤波型整流电路分析

参照参考文献曾指出，对一般化的情况，若L 的取值由小变大（以至无穷大），而C 的取值由大变小，则整流电路的整个负载由容性逐渐变为感性，直流侧充电电流id将由断续方式发生变化而逐渐转成连续方式。在实际当中，普遍应用的感容滤波型整流电路，直流滤波电容C 的取值较大，而L 主要是用来抑制电流冲击的，取值较小。除在ω很小时，交流侧电流基波可能超前于电网电压以外，交流侧电流一般滞后于电网电压，滞后的角度随ωRC 增大而减小，随ω增大而增大；基波因数随ωRC 增大而减小，随ω的增大而增大；交流侧电流仅含奇次谐波，而且电流总谐波畸变率及各次谐波含量均随ωRC 的增大而增大，随ω的增大而减小。

3 整流桥负载对交流电压的影响与抑制方法

描述实际项目中充电机AC/DC 整流电路采用感容滤波型时对前端电路的影响效果不够理想，引出补充改善带整流负载的电压谐波质量的通用方法如三相PFC、特定消谐控制算法等，进行一些理论性描述。进而提出一种简易的采用三相电感替代充电机直流电感的方法。

4 电路仿真

试验电路三相不可控整流采用如图2 所示的感容滤波型电路，C 取值2350μF，Ls 取值为1e-9H，整流电路的输出功率约25kW。该三相整流电路作为一台190kVA 逆变电源的负载，其仿真电路示意图如图5 所示。试验电路中设置Vs、Us、Vin 和Uo 共4 处电压检测点和ia、id共2 处电流检测点。以下主要通过改变Ls、L 的参数来仿真其对三相整流电路的影响。

图5 仿真电路示意图

（1）三相交流电抗器Ls 取值为1e-9H（即不设置），直流侧电抗器L 取值1mH，负载电阻R 取值10.4Ω（Uo 约510V，功率为25kW）。电路稳定后交流侧电流为连续状态。其交流侧电压谐波、电流谐波含量分别为1.39%、36.07%。

（2）三相交流电抗器Ls 取值为1e-9H（即不设置），直流侧电抗器L 取值1e-9H（即不设置），负载电阻R 取值10.9Ω（Uo 为522V，功率为25kW）。电路稳定后交流侧电流为断续状态。其交流侧电压谐波、电流谐波含量分别为3.64%、100.81%。

（3）三相交流电抗器Ls 取值为1e-3H，直流侧电抗器L 取值1e-9H（即不设置），负载电阻R 取值9.7Ω（Uo 为491.5V，功率为25kW）。电路稳定后交流侧电流为连续状态。其交流侧三相电抗器Ls 前端电压谐波、电流谐波含量分别为1.02%、30.75%，三相电抗器后端电压谐波、电流谐波含量分别为11.52%、30.69%。

（4）电路各参数取值同（1），将三相输出变压器容量从190kVA 降低为90kVA。电路稳定后交流侧电流为连续状态，交流侧电压谐波含量由1.39%增大至2.62%。

以上各种电路参数仿真时，交流电网侧通过FFT 分析得到的谐波次数均为5、7、11、13、17 和19 次谐波，与理论分析一致。

但仿真分析也表明：（1）即使直流侧电抗器L 的取值很大时，仍只能将谐波电流值控制在27%左右。（2）交流侧电抗器Ls 的取值很大时，能将谐波电流值控制到很小。（3）本电路中如保持直流侧电抗器而改变电容器容值的大小，交流侧电压谐波含量随电容器容值的增大而减小，但增大电容值对抑制电流谐波的效果有限。

5 试验结果

补充在沈阳地铁样柜上进行了相关波形，如三相整流桥前端电压波形（谐波含量）、电流谐波含量等。说明用三相电抗器取代充电机前端直流电抗器的效果更优越：（1）电流谐波含量抑制的效果更好。（2）工程化易实现等其它优点。

6 结语

Matlab 仿真结果表明：感容滤波型整流电路较电容滤波型电路更为实用，当直流侧仅设置滤波电容、直流电抗器全部或部分移至交流侧时，也能有效的减小对电网电压、电流的影响，试验中通过在交流侧增加1 台0.4mH 的三相电抗器，能更好的抑制交流电网侧的电压畸变。

以上分析均是从抑制三相不可控整流对输入交流电网影响的角度出发，实际上SPWM（正弦波PWM）控制技术已获得了非常广泛的应用。把逆变电路中的SPWM 技术用于整流电路，就形成了PWM 整流电路。通过对PWM 整流电路的适当控制，可以使输入电流非常接近正弦波，且电流和电压同相位，把对电网的影响降到最低。