1 引言
當系統(tǒng)容量較大時，輸入諧波問題是大容量變頻器的一個突出問題。對交一直一交變頻調(diào)速系統(tǒng)而言，常用的整流器均采用晶閘管相控整流電路或二極管整流電路，直流側(cè)采用電容濾波，這使交流側(cè)的電流呈尖峰性而非正弦波。大量使用由這些電路構(gòu)成的裝置已成為電力系統(tǒng)中的主要諧波源，且消耗大量的無功功率。變頻器輸出的諧波電流也會使電動機損耗增加，因而發(fā)熱增加，電機出力下降。對于上述技術問題，國內(nèi)外學者在降低輸入諧波與輸出諧波為目標，對大功率變頻器的拓樸結(jié)構(gòu)開展了比較深入的研究。本文對目前幾種有代表性的高壓變頻器主電路拓樸結(jié)構(gòu)以及諧波抑制技術進行了分析和介紹。

2 采用多重移相疊加技術的變頻器
多重移相疊加技術是由a．kernick等人早在1962年提出的。多重移相疊加技術是指把兩個或兩個以上輸出頻率相同，輸出波形也相同(幅值可以不同)的整流電路或逆變電路，按一定的相位差疊加起來，使它們的交流輸入或交流輸出波形的低次諧波相位相差180°而相互抵消，以得到諧波含量較少的準正弦階梯波的一種技術。多重疊加可以是等幅波形的疊加，也可以是變幅波形的疊加。從改善疊加后波形的角度來看，變幅疊加效果要優(yōu)于等幅疊加。多重疊加還可以是串聯(lián)疊加和并聯(lián)疊加，串聯(lián)疊加可以解決大功率變頻器高電壓的實現(xiàn)問題;并聯(lián)疊加可以解決大功率變頻器大電流的實現(xiàn)問題。
2.1 多重化整流
多重化整流是按一定的規(guī)律將兩個或更多個相同結(jié)構(gòu)的整流電路進行組合，得到多脈動整流系統(tǒng)，將整流電路進行移相多重聯(lián)結(jié)可以減少交流側(cè)輸入電流諧波。對于變頻器網(wǎng)側(cè)交流輸入電流來說，采用并聯(lián)多重聯(lián)結(jié)和采用串聯(lián)多重聯(lián)結(jié)的效果是相同的。采用多重聯(lián)結(jié)不僅可以減少交流輸入電流的諧波，同時，也可以減小直流輸出電壓中的諧波幅值和脈動。
采用脈動寬度為60°的6脈動三相全波整流電路作為基本單元，使m組整流電路的交流側(cè)電壓依次移相 α=60°/m，則可組成脈動數(shù)為p=6m的多脈動整流。
對于p=12脈動整流，可采用整流變壓器為常規(guī)接線的ｙ/ｙ-12(或δ/δ-12)和ｙ/δ-11或(δ/ｙ-1)的兩組6脈動整流，兩者交流側(cè)副方電壓互相移相30°，直流側(cè)并聯(lián)(或串聯(lián))后組成12脈動整流。
對于p=18脈動及以上的移相角α，通過整流變壓器一次繞組采用曲折接線(z接線)實現(xiàn)，各整流單元互相并聯(lián)或串聯(lián)，共同向直流負載供電。只要滿足m組6脈動整流交流側(cè)的電壓u2(n)(n=1，2，……，m)大小相等(整流變壓器的變比相同)，依次移相α=60°/m，即可得到p=6m脈動對稱平衡的多相整流。
下面以圖1所示的并聯(lián)多重聯(lián)結(jié)系統(tǒng)為例，分析其諧波電流特性。

圖1 并聯(lián)多重聯(lián)結(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖
以原方系統(tǒng)電壓u1為參考，各整流單元的副方電壓為:

令最小移相角為，則其它單元的移相角依次增大為:

多脈動整流系統(tǒng)原方產(chǎn)生的h次諧波電流為:

聯(lián)結(jié)重數(shù)m、移相角α及對應的電流諧波次數(shù)h如表1所示。
表1 幾種移相串聯(lián)多重聯(lián)結(jié)整流電路的性能指標

2.2 逆變器的多重聯(lián)結(jié)
與多重化整流相似，可將多重移相聯(lián)結(jié)技術用于逆變器，以減小變頻器輸出諧波。目前，從大功率變頻器輸出端來看，逆變器的多重聯(lián)結(jié)有兩種主流結(jié)構(gòu):一種是直接疊加輸出，即單元串聯(lián)多重化;另一種是變壓器耦合疊加輸出，其原理分別如圖2(a)和圖2(b)所示。

圖2 逆變器的多重聯(lián)結(jié)示意圖
單元串聯(lián)多重化變頻器的特點是:
(1) 可以通過串聯(lián)單元的個數(shù)的選擇適應不同的輸出電壓要求;
(2) 具有完美的輸入輸出波形，能適應任何場合及電機使用;
(3) 由于各功率單元具有相同的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，便于將功率單元模塊化，實現(xiàn)冗余設計;
(4) 使用的功率單元及功率器件數(shù)量多，裝置的體積和重量較大;
(5) 無法實現(xiàn)能量回饋及四象限運行。

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變壓器耦合式單元串聯(lián)高壓變頻器主電路拓撲結(jié)構(gòu)是由cengelci.e等人于1999年提出的。其主要思想是用變壓器將多個常規(guī)二電平三相逆變器單元的輸出疊加起來，實現(xiàn)更高電壓輸出，并且常規(guī)逆變器可采用普通低壓變頻器的控制方法，使得變頻器的電路結(jié)構(gòu)及控制方法都大大簡化。輸出變壓器起著十分重要的作用，也可能是系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，因為太大容量的變壓器會限制其應用。這種高壓變頻器具有如下突出的優(yōu)點:
以多個常規(guī)的變頻器為核心可構(gòu)成高壓變頻器;
多個常規(guī)變頻器平衡對稱運行，各自平均分擔總輸出功率;
整個變頻器的輸出可等效為優(yōu)于普通三電平變頻器多電平pwm輸出波形，總諧波畸變率thd<0.3%，dv/dt也較低;
網(wǎng)側(cè)諧波小，功率因數(shù)高。
2.3 串聯(lián)多重疊加電壓型變頻器
圖3所示為6kv變頻器的主電路拓撲圖，每組由5個額定電壓為690v的功率單元串聯(lián)，每個功率單元由輸入隔離變壓器的15個二次繞組分別供電，15個二次繞組分成5組,每組之間存在一個12°的相位差。圖3中以中間△接法為參考(0°)，上下方各有兩套分別超前(+12°、+24°)和滯后(-12°、-24°)的4組繞組，所需相差角度可通過變壓器的不同聯(lián)接組別來實現(xiàn)。其輸入功率因數(shù)可達0.95以上，總諧波畸變率thd<1%。

圖3 串聯(lián)多重疊加電壓型變頻器拓樸結(jié)構(gòu)
2.4 整流變壓器組別優(yōu)化接法的交交變頻器
在軋鋼工藝中，熱連軋機的主傳動采用大功率變頻調(diào)速，需要多套系統(tǒng)聯(lián)合運行。交交變頻調(diào)速裝置網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)相對較低，諧波含量大，如果對整流變壓器聯(lián)接組別的進行優(yōu)化選擇，在n套系統(tǒng)參數(shù)、運行條件完全相同時，使n臺整流變壓器副邊線電壓相位互差(60/n)°，可以使 連軋機系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)電流總諧波畸變率thd最小。多套交-交變頻系統(tǒng)聯(lián)合運行時，整流變壓器最優(yōu)連接組別及網(wǎng)側(cè)合成電流諧波如表2和表3所示。
表2 多套系統(tǒng)整流變壓器最優(yōu)連接組別

表3 多套系統(tǒng)聯(lián)合運行網(wǎng)側(cè)合成電流諧波

3 采用多電平技術的變頻器

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多電平逆變器的思想最早是20世紀80年代初由a.nabae提出的。與傳統(tǒng)的兩電平逆變器相比，多電平逆變器由于輸出電平數(shù)增加，使得輸出波形具有更好的諧波頻譜和較小的dv/dt，且每個開關器件承受的電壓應力較小，特別適合于高壓大功率場合，如電力系統(tǒng)靜止無功發(fā)生器、電力有源濾波器、upfc、新型直流輸電及高壓交流調(diào)速等。多電平逆變器主要有三種基本結(jié)構(gòu):二極管箝位式、飛跨電容式和級聯(lián)式。其中二極管箝位式多電平逆變器由于不要求相互獨立的直流電源來維持每個電平電壓，不需要變壓器就可以與電網(wǎng)直接相連，因而比其他結(jié)構(gòu)具有更廣范的應用領域。
將多電平逆變器的拓樸結(jié)構(gòu)和基本控制策略(例如空間電壓矢量控制)用于變頻器的整流輸入側(cè)，可以構(gòu)成高功率因數(shù)整流器，同時可以大大減小網(wǎng)側(cè)諧波電流。

3.1 “多重化不控整流＋多電平逆變”結(jié)構(gòu)的變頻器

圖4 “多重化不控整流＋多電平逆變”結(jié)構(gòu)的變頻器
圖4是以二重化整流器與二極管箝位式三電平逆變器結(jié)構(gòu)的變頻器結(jié)構(gòu)原理圖，以及逆變器輸出電壓、電流和電動機電壓、電流波形圖。
3.2 “多電平整流＋多電平逆變”結(jié)構(gòu)的變頻器
圖5和圖6給出了采用中點箝位式整流器和逆變器的三電平pwm電壓型變頻器的主電路拓樸。采用有源前端afe(active front end)技術可使傳動系統(tǒng)實現(xiàn)四象限運行，而且整流器輸入電流基本上是正弦的。圖5是由igct組成的變頻器的拓樸結(jié)構(gòu)，直流環(huán)節(jié)中h型結(jié)構(gòu)的箝位電路的作用是限制電流上升率和變頻器內(nèi)部電流沖擊。圖6是由igbt元件串聯(lián)組成的變頻器的拓樸結(jié)構(gòu)，電路中沒有采用無源箝位或緩沖電路。
對于有源前端整流器，特定諧波消去法(she)是一種有效的消除諧波的控制算法。圖7表示的是采用she算法消除11和13次諧波時，afe整流器輸入電壓頻譜圖。圖7中，調(diào)制比m分別取m1=0.872，m2=0.891，m3=0.897，m4=0.910，m5=0.940。

圖5 由igct組成的 3l-npc 電壓型變頻器的主電路拓樸結(jié)構(gòu)圖

圖6 由igbt組成的 3l-npc 電壓型變頻器的主電路拓樸結(jié)構(gòu)圖

圖7 采用消除11和13次諧波的she策略的afe輸入電壓頻譜圖
4 結(jié)束語
隨著用電容量的不斷增加，為了減少線路損耗，我國以及歐美發(fā)達國家，都將配電電壓等級向更高方向發(fā)展，國內(nèi)將會逐步形成l0kv主配電回路并相應配置10kv高壓電機的主流趨勢。因此，高壓大容量變頻器主電路的拓樸結(jié)構(gòu)以及輸入輸出諧波抑制技術仍然是當前世界各國相關行業(yè)競相關注的熱點問題。