高 波，徐衛(wèi)文 ，徐星星 ，韓葉松 ，王寶安

（1.江蘇省電力設(shè)計院，江蘇南京211102；2.江蘇省電力公司揚州供電公司，江蘇揚州225009；3.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇南京210096；4.揚州第二發(fā)電有限公司，江蘇揚州225131）

在我國的發(fā)電能源構(gòu)成中，火電占70%以上，而一般的火電機組，其廠用電占發(fā)電量的4%～7%，且主要的負荷為火電機組的輔機設(shè)備 （主要包括送風(fēng)機、引風(fēng)機、一次風(fēng)機、二次風(fēng)機、排粉風(fēng)機、以及凝結(jié)水泵、灰漿泵等）。隨著廠網(wǎng)分開，發(fā)電企業(yè)市場化程度的加劇，電廠的發(fā)電煤耗、廠用電率已成為發(fā)電廠考核的重要指標，直接關(guān)系到電廠的經(jīng)濟效益和企業(yè)競爭力[1]。因此，對火電機組輔機的變頻節(jié)能改造，可顯著地降低廠用電和發(fā)電成本，具有重大的經(jīng)濟效益。然而，從不少電廠反饋得知，變頻器在提高生產(chǎn)效率、降低能耗的同時，也給其輸入側(cè)、輸出側(cè)帶來了諧波污染，嚴重影響了電網(wǎng)的安全性和可靠性。

1電路結(jié)構(gòu)

1.1高壓三電平電壓源型變頻器

高壓三電平電壓源型變頻器的典型電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。其整流電路采用的是12脈的二極管不可控整流結(jié)構(gòu)，由2個完全相同的6脈二極管整流器串聯(lián)，且它們分別由移相變壓器二次側(cè)2個三相對稱繞組供電。移相變壓器是多脈二極管/晶閘管整流器不可缺少的組成部分。在圖1中，移相變壓器的一次側(cè)繞組為星形（Y）接法，二次側(cè)繞組有2個繞組，2個繞組分別為Y接法和三角形（△）接法。

高壓三電平電壓源型變頻器逆變電路采用的是12只可關(guān)斷功率器件絕緣柵雙極晶體管（IGBT）與鉗位二極管構(gòu)成的帶中性點（Z）的結(jié)構(gòu)，連接到中性點的二極管D1和D2為鉗位二極管。每個橋臂由4個開關(guān)器件 IGBT（V1，V2，V3，V4）串聯(lián)而成，V1 和V3互補，V2和V4互補。假設(shè)每個整流橋整流輸出電壓為E，通過控制每個橋臂上4個開關(guān)器件的導(dǎo)通、關(guān)斷，能夠使每相輸出對中性點Z的電壓有+E，0，-E 3 個狀態(tài)， 輸出線電壓有+2E，+E，0，-E，-2E 5個電平狀態(tài)，輸出電流為正弦鋸齒波。

1.2單元級聯(lián)多電平變頻器

圖1高壓三電平電壓源型變頻器的典型電路結(jié)構(gòu)

圖2單元級聯(lián)七電平變頻器

單元級聯(lián)多電平變頻器是采用多個獨立的低壓功率單元串聯(lián)實現(xiàn)高壓輸出。以單元級聯(lián)七電平變頻器為例進行研究，其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。該變頻器同樣采用了移相變壓器。該移相變壓器有3組二次側(cè)繞組，每組又包括3個相同的繞組，每個繞組都采用延邊△接法，使其二次側(cè)每組繞組的輸出線電壓與一次側(cè)的輸入線電壓的相位差依次為-20°，0°，20°。且每組都相互隔離，分別為一個功率單元供電，形成多脈沖整流方式，使得功率單元之間相互絕緣，互不影響。輸入的諧波電流折算到變壓器一次側(cè)時相互抵消，從而大大改善了網(wǎng)側(cè)的電流波形，基本上消除了變頻器對電網(wǎng)的諧波污染。

功率單元電路結(jié)構(gòu)中，其整流電路采用二極管三相全橋不可控全波整流，中間采用直流電容濾波和儲能，逆變側(cè)為4只IGBT和4只二極管組成的H橋逆變器。將3個功率單元的交流輸出串聯(lián)，得到系統(tǒng)三相輸出電壓中的一相，且每相電壓中，有7種不同的電平，輸出的電流波形為接近正弦的鋸齒波。每個功率單元的主回路相對獨立，并工作在低壓狀態(tài)，則功率單元間不存在串聯(lián)均壓問題[2]。

2輸入側(cè)諧波理論分析

隨著變頻器的廣泛應(yīng)用，變頻器所產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)的污染日益嚴重，給電力系統(tǒng)造成了巨大的危害。諧波產(chǎn)生的原因就是電路中存在著非線性負載，當(dāng)電流經(jīng)過負載時，所加電壓不呈線性關(guān)系，必然產(chǎn)生非正弦電流，從而產(chǎn)生諧波。變頻器輸入部分為整流電路，輸出部分為逆變電路，都大量應(yīng)用了電力電子裝置，這些都是由非線性元件組成的，在開斷過程中，其輸入端和輸出端都會產(chǎn)生諧波。且以輸入側(cè)整流器產(chǎn)生的諧波最為嚴重[3]。

火電廠中常用的高壓電壓源型變頻器的整流電路，一般采用的都是多脈串聯(lián)型二極管整流器。這種整流器由m組6脈二極管整流器串聯(lián)而成。為了消除諧波，高壓電壓源型變頻器都采用了移相變壓器。每組6脈二極管整流器由移相變壓器的二次側(cè)繞組分別供電，移相變壓器的二次側(cè)m組繞組輸出電壓依次移相δ=60°/m，可組成脈沖數(shù)為p=6m的串聯(lián)型多脈沖整流。它所產(chǎn)生的諧波次數(shù)為kp±1，其中k=1，2，3，…，且以 p ± 1 次為主要諧波[3，4]。

為了說明如何通過移相變壓器消除諧波電流，以18脈為例[5]。移相變壓器的一次側(cè)繞組為Y接法，二次側(cè)有3個繞組，每個繞組分別接1個6脈二極管整流器，且3個繞組分別為延邊△接法、Y接法、延邊△接法，對應(yīng)的相位角δ分別為-20°，0°，20°。二次側(cè)繞組的線電流為：

一次側(cè)電流為iA=i'1a+i'2a+i'3a，所以只有當(dāng)（n±1）δ=360°時該次諧波才存在，其余諧波均相互抵消。 其中 δ=60°/m，m=3，則 n ± 1 為 18k（k=1，2，3，…）。

由式3可知，電路中的諧波次數(shù)為18k±1（k=1，2，3，…），且 17 次、19 次為主要諧波。結(jié)果與上面的分析完全一致。

3仿真及現(xiàn)場測試結(jié)果

為了更好地了解火電廠中典型高壓變頻器的工作原理及輸入側(cè)所產(chǎn)生的諧波，用仿真軟件PSIM對高壓三電平電壓源型變頻器和高壓單元級聯(lián)七電平變頻器進行了仿真。并測試了某電廠的高壓三電平電壓源型變頻器和單元級聯(lián)七電平變頻器的輸入側(cè)電流波形。

3.1高壓三電平電壓源型變頻器

高壓三電平電壓源型變頻器仿真電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。變頻器的輸入電壓為3 kV，頻率為50 Hz。所帶的負載是1臺高壓異步電動機，該電動機的基本參數(shù)如下：p=4，Rs=7.384 Ω，Rr=7.402Ω，Ls=0.030 45 H，Lm=1.241 H，Lr=0.030 45 H。電機的額定電壓為4 kV，額定功率為90 kW。高壓三電平電壓源型變頻器仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3高壓三電平電壓源型變頻器輸入側(cè)電流波形（仿真結(jié)果）

圖4高壓三電平電壓源型變頻器輸入側(cè)電流波形FFT分析（仿真結(jié)果）

由圖3和圖4的仿真結(jié)果可知，高壓三電平電壓源型變頻器的輸入側(cè)電流諧波次數(shù)為11次、13次、23 次、25 次等， 次數(shù)剛好為 12k±1 （k=1，2，3,…），且11次、13次為主要諧波。高壓三電平電壓源型變頻器現(xiàn)場測試結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，基波電流為1.2 A，諧波電流及諧波電流畸變率如表1所示。

由圖3—5和表1可知，現(xiàn)場測試結(jié)果與仿真結(jié)果的諧波次數(shù)完全一致。除此之外，由現(xiàn)場測試結(jié)果和國標的諧波電流畸變率可知，高壓三電平電壓源型變頻器電流諧波含量超出了國家標準，必須采取治理措施，以減小對電網(wǎng)的影響。

圖5高壓三電平電壓源型變頻器輸入側(cè)電流波形及其FFT波形（現(xiàn)場測試結(jié)果）

表1 高壓三電平電壓源型變頻器現(xiàn)場測試結(jié)果

由第二部分的理論分析可知，高壓三電平電壓源型變頻器整流電路是由2個6脈二極管整流器串聯(lián)而成，是12脈整流，諧波次數(shù)應(yīng)該為12k±1（k=1，2，3，…），且 11 次、13 次為主要諧波。 所以由理論分析、仿真模型和現(xiàn)場測試結(jié)果3者的比較可知，3者對高壓三電平電壓源型變頻器輸入側(cè)諧波分析完全一致。

3.2單元級聯(lián)七電平變頻器

單元級聯(lián)七電平變頻器的仿真結(jié)果如圖6—8所示。高壓單元級聯(lián)七電平變頻器現(xiàn)場測試結(jié)果如圖9所示。

圖6 單元級聯(lián)七電平變壓器輸入側(cè)電流波形（仿真結(jié)果）

圖7單元級聯(lián)七電平變頻器輸入側(cè)電流波形FFT分析（仿真結(jié)果）

圖8單元級聯(lián)七電平變頻器輸入側(cè)電流波形FFT分析局部放大圖（仿真結(jié)果）

圖9單元級聯(lián)七電平變頻器輸入側(cè)電流波形及其FFT波形（現(xiàn)場測試結(jié)果）

其中單元級聯(lián)七電平變壓器仿真電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中負載和圖1高壓三電平電壓源型變頻器負載相同。只是負載中的高壓異步電動機參數(shù)變?yōu)閜=4，Rs=0.294 Ω，Lr=0.000 74 H，Ls=0.001 39 H，Rr=0.156 Ω，Lm=0.041 H。電機的額定電壓為8 kV，額定功率為360 kW。變頻器的輸入線電壓為6 kV。

由圖6—8可知，單元級聯(lián)七電平變頻器的仿真結(jié)果是：其輸入側(cè)電流波形近似為完美的正弦波，僅含有極少量的17次和19次諧波，諧波次數(shù)剛好為18k ± 1（k=1，2，3，…）。由圖 9 可知，單元級聯(lián)七電平變頻器的現(xiàn)場測試結(jié)果與仿真結(jié)果完全一致，且由于諧波含量極少，輸入側(cè)電流波形基本為正弦波。由第二部分的理論分析可知，單元級聯(lián)七電平變頻器整流電路每相都是由3個6脈二極管整流器串聯(lián)而成，是18脈整流，諧波次數(shù)應(yīng)該為18k±1（k=1，2，3，…），且 17 次、19 次為主要諧波。 所以由理論分析、仿真模型和現(xiàn)場測試結(jié)果3者的比較可知，3者對單元級聯(lián)七電平變頻器輸入側(cè)諧波分析所得的結(jié)論完全一致。

4結(jié)束語

高壓變頻器用于火電廠輔機后，能延長電動機、水泵與風(fēng)機的使用壽命，提高火電廠運行和供電的可靠性，顯著地降低廠用電和發(fā)電成本。盡管如此，高壓變頻器的運用也帶來了諧波污染問題，嚴重影響了電力系統(tǒng)的安全性和可靠性，諧波問題不容忽視。由本文中高壓三電平電壓源型變頻器與單元級聯(lián)七電平變頻器輸入側(cè)電流諧波特性分析比較可知，單元級聯(lián)七電平變頻器輸入側(cè)電流諧波含量更少，但是單元級聯(lián)七電平變頻器中運用的移相變壓器更為復(fù)雜，且運用的器件更多，相對于高壓三電平電壓源型變頻器而言，成本更高，所以電廠選擇變頻器時應(yīng)根據(jù)各自的情況綜合考慮。

[1]張選正，顧紅兵.中高壓變頻器應(yīng)用技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[2]倚 鵬.高壓大功率變頻器技術(shù)原理與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[3]劉 穎.高壓大功率變頻器諧波分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006.

[4]王鵬宇，王明彥.高壓大功率變頻器的諧波分析[J].變頻器世界，2007(3)：66-71.

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