【摘要】傳統(tǒng)三相整流器由于輸入電流中含有大量的諧波含量，對電網(wǎng)帶來了較大的危害。多相整流技術(shù)可以有效降低輸入電流的諧波含量THD，同時具有可靠性高、高功率因數(shù)和高效率等優(yōu)點(diǎn)。本文詳細(xì)分析了使用在我公司生產(chǎn)的t-HVDC上的24脈變壓整流器的網(wǎng)側(cè)電流諧波含量以及平衡電抗器在整流電路中的工作原理，利用 Saber 軟件建立了其仿真和通過樣機(jī)實(shí)際測量結(jié)果驗(yàn)證了多相整流技術(shù)在有效降低輸入側(cè)電流諧波、高功率因數(shù)、高可靠性和高效率特性。

【關(guān)鍵詞】24脈變壓整流器;平衡電抗器;諧波;多脈波整流

1.t-HVDC主整流器技術(shù)路線

根據(jù)YD/T 2378-2011規(guī)范，240V高壓直流電源HVDC中的整流模塊網(wǎng)側(cè)技術(shù)條件如下：

1.1 電流諧波

表1 電流諧波成份

項(xiàng)目 技術(shù)要求

電流諧波成份（100%負(fù)載） ≤5%

電流諧波成份（50%負(fù)載） ≤10%

1.2 功率因數(shù)

表2 功率因數(shù)

項(xiàng)目 技術(shù)要求

輸入功率因數(shù)（100%負(fù)載） ≥0.99

輸入功率因數(shù)（50%負(fù)載） ≥0.98

1.3 效率

表3 效率

額定輸出電流（A） 技術(shù)要求

效率（100%負(fù)載） ≥ 92%

效率（50%負(fù)載） ≥ 91%

鑒于上述的技術(shù)條件，在目前高頻整流模塊N+1的疊加系統(tǒng)的技術(shù)體制外，我們應(yīng)用了24脈整流系統(tǒng)的技術(shù)體制。而24脈整流系統(tǒng)是由24脈移相變壓器與4個全橋整流器，平衡電抗器組成，其輸出直流電壓波形在一個交流周期內(nèi)有24個脈沖波頭。由于各組三相輸入電壓間的相移，使得各三相整流橋產(chǎn)生的諧波有部分可以相互抵消，從而有效地降低了系統(tǒng)輸入電流的諧波（THD）、提高了系統(tǒng)功率因數(shù)和系統(tǒng)效率，以及降低了輸出電壓脈動。

同時由于24脈多相整流技術(shù)具有過載能力強(qiáng)、運(yùn)行可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，提升了系統(tǒng)整體的穩(wěn)定可靠性。本文以24脈沖變壓整流器為研究對象，首先分析了網(wǎng)側(cè)電流諧波含量，建立其 Sabe仿真模型，分析了移相變壓器和平衡電抗器的設(shè)計(jì)，并給出了部分仿真波形和實(shí)測數(shù)據(jù)。

2.24脈整流網(wǎng)側(cè)輸入電流分析

由圖1所示為24脈變壓整流器電路原理圖，三相交流電源輸入至移相變壓器產(chǎn)生了相位相差15°的24脈電壓，24脈電壓經(jīng)過四組整流橋，經(jīng)過平衡電抗器PL后輸出至負(fù)載。平衡電抗器的作用是保證系統(tǒng)的每個瞬間4組整流橋都有輸出。24脈整流有效的抑制了網(wǎng)側(cè)輸入電纜的諧波和輸出電流脈動。網(wǎng)側(cè)諧波僅含24k±1次（k=1，2，3，4，5…）輸出電源僅含24k次諧波，幅值與次成反比。

圖1 24脈主整流器原理圖

三相網(wǎng)側(cè)電壓表達(dá)式：

VA= Vm sin（ωt） ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

VB= Vm sin（ωt-120O） ? ? ? ? ? ?（2）

VC= Vm sin（ωt+120O） ? ? ? ? ? ?（3）

經(jīng)過移相主變壓器后，得到4組相差15o的三相電壓，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）類推

考慮輸出端采用了足夠電感量的輸出平衡電抗器，保證了三相副邊的每個線圈電流呈120o輸出方波（電抗器的電流不會突變的假設(shè)）4組整流橋輸入電流依次差15o，經(jīng)過傅里葉分解，第一組橋輸入電流可以如下函數(shù)表達(dá)：

（5）

其他的整流橋僅差一個固定的角度。我們的4個整流橋輸出電流由于輸出電壓是完全一樣，所以電流是相同的，均是輸出電流Io/4?？梢酝瞥鼍W(wǎng)側(cè)的A相電流：

（6）

第N次諧波的幅值A(chǔ)N：

（7）

我們將n=5，7，11，13，17，19，代入，An=0?？梢则?yàn)證，IA的諧波僅有24K±1次;

即：23，25，47，48…次，并且幅值大大減小，頻率最低可達(dá)f23=1150。其余的IB，IC類同于IA。

3.24脈主整流變壓器系統(tǒng)

3.1 變壓器結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1技術(shù)要求，24脈變壓器副邊的結(jié)構(gòu)。

圖2 副邊繞組矢量圖

圖2的副邊繞組由粗線表示;細(xì)線表示輸出電矢量。1繞組電矢量1點(diǎn)鐘;2繞組電矢量12點(diǎn)鐘;3繞組電矢量12點(diǎn)半，4繞組電矢量11點(diǎn)半。各繞組的輸出相差15o。傅里葉分析導(dǎo)出的低次諧波是各繞組整流器波形相互抵消所消失的的，這里在工程上要達(dá)到上述要求是困難的，但是這在理論上是必須要達(dá)到的要求，實(shí)踐證明;工程上，四繞組輸出電壓誤差只要控制在±0.25%內(nèi)，延邊繞組抽頭引起的電角度誤差在±0.25o以內(nèi)才有好的效果。

顯然，為了達(dá)到技術(shù)要求繞組的副邊匝數(shù)需要在電腦上計(jì)算設(shè)計(jì)選取找到最佳的匝數(shù)配比，再決定原邊匝數(shù)和決定磁路磁密。其繞組的接線圖如圖3所示。

1繞組 ? ? ? ? ?2繞組 ? ? ? 3繞組 ? ? ? ?4繞組

圖3 主整流變壓器副邊連接圖

3.2 平衡電抗器的設(shè)計(jì)

直流電源的并聯(lián)運(yùn)行必須是電壓平均值相等和電壓的瞬時值均需相等才能保證各整流器的輸出電流相等，4個全橋整流器的輸出電壓平均值理論上相等的但是瞬時值不等，不在電路上插入平衡電抗器PL，4套整流橋在每個瞬時僅有一套運(yùn)行。插入PL后可以使得4套整流橋都在運(yùn)行，即任何瞬時保證有8個二極管導(dǎo)通工作。每個繞組的電感量：

（8）

為了提高系統(tǒng)的可維護(hù)性，降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，平衡電抗器PL采用一體化4柱結(jié)構(gòu)，減小了體積重量和提高了平衡效果。電感量在6倍頻，輸出電流10%額定值和Vpmax=42v條件下取值1.5mH已能夠達(dá)到效果。

圖4 輸入電流波形圖

圖5 輸入電流諧波含量圖

圖6 系統(tǒng)運(yùn)行效率曲線圖

當(dāng)然，實(shí)際上的數(shù)據(jù)還會受到電源系統(tǒng)本身電源THD等的影響。但是，24脈整流系統(tǒng)的優(yōu)異性能在t-HVDC上應(yīng)用顯然是一個好的選擇。由于主變壓器選用優(yōu)質(zhì)取向電工鋼等措施，系統(tǒng)空載時僅有極小的空載損耗，高效率的最佳運(yùn)行段很長，這些都為節(jié)能和降低系統(tǒng)運(yùn)行成本留出了空間。有圖6可以看出，負(fù)載超過10%后，整個系統(tǒng)效率都是在很高的位置上就說明了系統(tǒng)空載損耗的低下。由于數(shù)據(jù)中心是耗能大戶，高效率就有了高效益和相應(yīng)的環(huán)保社會效益。

圖7 500A輸出條件下輸入波形圖

4.仿真和實(shí)測分析

4.1 輸入電流仿真

輸入電壓200V輸出電流312A輸入電流波形圖424階梯波其包絡(luò)線為正弦波，圖5諧波含量THD=7.6，這和理論計(jì)算相吻合的，由于仿真是在理想環(huán)境下模擬，實(shí)際上，我們送檢的240V/1200A的t-HVDC系統(tǒng)的實(shí)測由于變壓器的漏感和上級電源的系統(tǒng)分布電感的影響，實(shí)際上的THD參數(shù)要好于沒有考慮分布輸入側(cè)電感參數(shù)仿真值，由表（4）、表（5）和表（6）的測試數(shù)據(jù)和圖7可以說明。效率這一塊由于仿真忽略了整流橋的二極管體電阻，數(shù)據(jù)要比實(shí)測高了1個多百分點(diǎn)。

表4 電流諧波成份

項(xiàng)目 技術(shù)要求

電流諧波成份（100%負(fù)載） ≤3%

電流諧波成份（50%負(fù)載） ≤4%

電流諧波成份（30%負(fù)載） ≤5%

4.2 1200A t-HVDC系統(tǒng)送檢的部分實(shí)測數(shù)據(jù)值

4.2.1 系統(tǒng)輸入電流諧波成份（見表4）

4.2.2 系統(tǒng)輸入功率因數(shù)（見表5）

表5 功率因數(shù)

項(xiàng)目 技術(shù)要求

輸入功率因數(shù)（100%負(fù)載） ≥0.99

輸入功率因數(shù)（50%負(fù)載） ≥0.99

輸入功率因數(shù)（30%負(fù)載） ≥0.99

4.2.3 系統(tǒng)效率（見表6）

表6 效率

項(xiàng)目 技術(shù)要求

效率（100%負(fù)載） ≥96.5%

效率（50%負(fù)載） ≥96.5%

效率（30%負(fù)載） ≥96.5%

5.結(jié)語

24脈整流技術(shù)目前在城市軌交、高鐵等大功率整流裝置上已有大量實(shí)際應(yīng)用，由于數(shù)據(jù)機(jī)房大力推廣使用HVDC供電體制，采用24脈整流技術(shù)的t-HVDC系統(tǒng)，在電源系統(tǒng)要求高可靠、可維護(hù)和節(jié)能的強(qiáng)烈訴求下，如此優(yōu)異的系統(tǒng)應(yīng)用于t-HVDC是正當(dāng)其時。t-HVDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰簡單，維護(hù)量極少;檢修難度較低和維修需時少和維護(hù)從業(yè)人員要求低的特點(diǎn)，系統(tǒng)發(fā)熱量少噪音小（≤46dB），特別好的抗過載能力及電池組維護(hù)的自動化配置，這些都為應(yīng)用于數(shù)據(jù)機(jī)房提供了契機(jī)。

參考文獻(xiàn)

[1]高曉暉，等.帶均衡電抗器12脈波變壓整流器仿真模型的研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006（7）：1976-1979.

[2]白麗娜.多脈沖整流系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].北京：中國石油大學(xué).

[3]YD T2378-2011通信用240V直流供電系統(tǒng).

作者簡介：張建國（1961—），男，上海人，深圳市振華微電子有限公司資深工程師，從事通訊行業(yè)工作，主要研究方向：高壓直流供電系統(tǒng)及系統(tǒng)設(shè)備不間斷綜合供電系統(tǒng)。