高 波，徐衛(wèi)文 ，徐星星 ，韓葉松 ，王寶安

（1.江蘇省電力設計院，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.東南大學電氣工程學院，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備 （主要包括送風機、引風機、一次風機、二次風機、排粉風機、以及凝結水泵、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、輸出側帶來了諧波污染，嚴重影響了電網(wǎng)的安全性和可靠性。

1電路結構

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構如圖1所示。其整流電路采用的是12脈的二極管不可控整流結構，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繞組為星形（Y）接法，二次側繞組有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只可關斷功率器件絕緣柵雙極晶體管（IGBT）與鉗位二極管構成的帶中性點（Z）的結構，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個開關器件 IGBT（V1，V2，V3，V4）串聯(lián)而成，V1 和V3互補，V2和V4互補。假設每個整流橋整流輸出電壓為E，通過控制每個橋臂上4個開關器件的導通、關斷，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構

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，其電路結構如圖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，使其二次側每組繞組的輸出線電壓與一次側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時相互抵消，從而大大改善了網(wǎng)側的電流波形，基本上消除了變頻器對電網(wǎng)的諧波污染。

功率單元電路結構中，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輸入側諧波理論分析

隨著變頻器的廣泛應用，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，當電流經(jīng)過負載時，所加電壓不呈線性關系，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繞組分別供電，移相變壓器的二次側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繞組為Y接法，二次側有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，對應的相位角δ分別為-20°，0°，20°。二次側繞組的線電流為：

一次側電流為iA=i'1a+i'2a+i'3a，所以只有當（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。結果與上面的分析完全一致。

3仿真及現(xiàn)場測試結果

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構如圖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電流波形（仿真結果）

圖4高壓三電平電壓源型變頻器輸入側電流波形FFT分析（仿真結果）

由圖3和圖4的仿真結果可知，高壓三電平電壓源型變頻器的輸入側電流諧波次數(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)場測試結果與仿真結果的諧波次數(shù)完全一致。除此之外，由現(xiàn)場測試結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電流波形及其FFT波形（現(xiàn)場測試結果）

表1 高壓三電平電壓源型變頻器現(xiàn)場測試結果

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)場測試結果如圖9所示。

圖6 單元級聯(lián)七電平變壓器輸入側電流波形（仿真結果）

圖7單元級聯(lián)七電平變頻器輸入側電流波形FFT分析（仿真結果）

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

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

其中單元級聯(lián)七電平變壓器仿真電路結構如圖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果是：其輸入側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)場測試結果與仿真結果完全一致，且由于諧波含量極少，輸入側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諧波分析所得的結論完全一致。

4結束語

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.中高壓變頻器應用技術[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原理與應用[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)大學碩士學位論文，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.

[5]WU B.大功率變頻器及交流傳動[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.