双反星形不控整流器的直流侧双无源谐波抑制方法
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联合主办
中国电工技术学会
北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室
联合承办
中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会
国家高速列车技术创新中心
《电气技术》杂志社
会议日期/地点
2019年10月25-27日/山东青岛
哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院的研究人员孟凡刚、徐晓娜、高蕾、杨世彦，在2019年第8期《电工技术学报》上撰文，提出一种应用于双反星形不控整流器的直流侧双无源谐波抑制方法。该方法使用多绕组平衡电抗器代替平衡电抗器，多绕组平衡电抗器的一次绕组与两个共阴极二极管组成两抽头变换器，二次绕组与另外两个共阴极二极管组成单相全波整流电路，两种无源电路共同构成双无源谐波抑制电路。在双无源谐波抑制电路的作用下，双反星形不控整流器的输出脉波数增加至原来的3倍，成为18脉波整流器。
本文分析了双无源谐波抑制电路的工作模态，并从输入线电流总谐波畸变率（THD）值最小的角度出发，对多绕组平衡电抗器的匝比进行了优化设计。理论分析表明，使用直流侧双无源谐波抑制方法后，整流器输入线电流THD降低至10.1%，负载电压纹波也减小为7.56×10 3。仿真和实验结果验证了理论分析的正确性。另外，双无源谐波抑制方法中使用的都是无源器件，具有电路结构简单、易于实现等优点。
近年来，多脉波整流技术的发展改善了整流系统谐波含量多、功率因数不高的问题。由于多脉波整流技术方法简单、适用性强，已被广泛应用于电机拖动、大功率AC-DC电源变换中，并成为其谐波抑制的主要方法之一。
在大功率大电流整流场合，双反星形整流器由于电路结构简单、能耗低而应用广泛，但它只能输出六脉波，输入电流中含有大量谐波，电流总谐波畸变率（Total Harmonic Distortion, THD）高达31%，能量转换效率低。
为提高整流器的能量利用效率，改善输入电能质量，国内外学者提出了许多抑制整流系统中谐波的方法。文献[10]中提出一种在双反星形整流器的直流侧采用PWM整流器产生环流来抑制输入线电流谐波的方法，这种方法可以使整流器输入线电流THD值降低到5%以下，但其控制方法复杂，成本高。
文献[11-15]通过在平衡电抗器上引出两个抽头，连接两个共阴极不控二极管，可以使整流器输出脉波数在原整流器的基础上增加一倍；将此方法应用到双反星形整流器，可以使其输出12脉波，同时输入线电流THD值可降低至15%，且该方法中采用不控二极管，方法简单，易于实现。
此外，如果将文献[11-15]中的不控二极管换为几个可控的晶闸管，整流器可以输出6n脉波（n为晶闸管的个数），输入线电流THD值可以更小，具有更好的谐波抑制效果；但该方法中需要使用控制电路控制晶闸管的通断，控制方法较为复杂。
文献[15]的拓扑中，平衡电抗器增加了一个二次绕组，连接一组单相全波整流电路，单相全波整流电路的输出并联在负载两端；这种方法也同样具有使负载脉波数加倍的效果，且该方法中采用不控二极管，方法简单，易于实现。
综合上述方法，本文提出了一种直流侧双无源谐波抑制方法。该方法将文献[7]和文献[9]中的方法结合起来，可以使整流器输出脉波数增加至原来的3倍。当该方法应用于双反星形整流器时，整流器可以工作在18脉波整流状态，输入线电流THD值降低为10.1%。相比双反星形整流器输入线电流的THD值为31%，本文提出的双无源谐波抑制方法对电流谐波的抑制效果显著。
图1 18脉波整流器的电路拓扑
图2 多绕组平衡电抗器的绕组结构
图3 工作模态
本文提出了一种直流侧双无源谐波抑制方法。将该方法应用于双反星形整流器，通过设计多绕组平衡电抗器的绕组结构和匝比，使整流器在双无源谐波抑制电路的作用下输出18脉波，且此时输入线电流的THD值最小，最小值10.1%，负载电压纹波系数显著减小为7.56×10 3。
此时，多绕组平衡电抗器的一次绕组抽头点到中点之间的匝数与一次绕组总匝数之比为0.153，二次绕组匝数与一次绕组匝数之比为5.06。但本文所提出的谐波抑制方法在抑制整流系统中电流谐波的同时，也使磁性器件的容量略有增加，存在一定的局限性。
仿真和实验结果验证了理论分析的正确性，且实验测得输入线电流THD值为6.58%，说明本文所提出的双无源谐波抑制方法对双反星形整流器电流谐波抑制效果显著，且方法简单，适用性强，可以在大电流整流场合广泛应用。