多重化整流技术

如何确定最佳的多重化重数？一、多重化技术多重化整流电路是指将几个整流电路多重联结。整流电路多重化的主要目的包括两个方面，一是可以使装置总体的功率容量大，二是能够减少整流装置所产生的谐波和无功功率对电网的干扰。其实这两者之间是有关联的，随着整流装置功率的进一步加大，它所产生的谐波、无功功率等对电网的干扰也随之加大，为减轻干扰，可采用多重化整流电路减少交流侧输入电流谐波，而对晶闸管多重整流电路采用顺序控制的方法可提高功率因数。将多个方波进行叠加，以消除次数较低的谐波，从而得到接近正弦波的阶梯波。可以想象，重数越多，阶梯波就越接近正弦波，不过电路结构也越复杂。多重化技术是大容量变流器提高功率因数和减少谐波的主要方法。如果要求总功率因数为1，甚至提供超前的无功功率，则一般需使用关断器件的变流器。对于电流型变流器，多重化技术就是将方波电流叠加，使得输入电流为接近正弦的阶梯波，或提高功率因数。其连接方式有串联和并联多重化，而控制方式则有移相、顺序控制、非对称控制和滞后超前控制多重化等几种形式。对于电压型变流器，必须用连接电感和交流电源相连，大都用移相多重化，将方波叠加，使其在网侧产生接近正弦的阶梯波电压，且与电源电压保持适当的相位关系，从而使输入电流为与电源电压同相位的正弦波。如果需要，可以控制输入电流的相位，使变流器能对无功功率进行补偿。二、举例说明：（1）多重化逆变器采用基频方波调制(FFM)方式，用低频开关器件实现高压大容量输出，有效减小开关损耗。根据所用输出变压器及其连接方式和单元逆变桥结构不同可分为3大类，如下图：第1类将图1(a)中各单元逆变桥代之以图1(d)～(g)所示两/三电平逆变桥构成4种曲折变压器串联型多重化逆变器，重数m可为奇数和偶数，相邻两个单元逆变桥的控制信号相位互差/3mrad。第2类将图1(d)～(g)所示两/三电平逆变桥作为图1(b)中的单元逆变桥构成4种普通变压器串联型多重化逆变器，重数m须为偶数，相邻两个单元逆变桥的控制信号相位互差/3mrad。第3类将图1(d)～(g)两/三电平逆变桥作为图1(c)中的单元逆变桥构成4种普通变压器分组串联型多重化逆变器，重数m须为偶数；每相邻两个单元逆变桥为一组，相邻两组间的相位移为/3mrad，同一组内两个单元逆变桥的控制信号相位互差rad。（2）输出电压谐波分析设逆变器各开关管的驱动信号为50Hz的方波，直流侧电容电压为Ud，则图1中4种逆变桥（相对于交流侧中点）的输出相电压波形见图2。经傅氏级数分解得各逆变桥输出相电压基波及n次谐波幅值表达式为:式中，β、β1、β2为开关管的脉冲控制角，n为谐波次数。对两电平三相逆变桥而言，一般取β=0°和30°；对三电平三相逆变桥而言，β的取值与重数m有关，对单个三电平逆变桥，可取β1=15°，对m重化逆变器，可取βm=β1/m。对3类多重化逆变器在不同m下的电压波形进行仿真分析可得第1、3类多重化逆变器的相电压和第2类多重化逆变器的线电压最小THD与β、β1、β2的关系见表1。图6～8为采用两/三电平三相桥和两/三电平单相桥构成的4重化逆变器（m=4）在Ud=300V，变压器原、副边电压变比K=1和THD为最小时的电压波形及其谐波频谱。图(a)中曲线1～4分别为两电平三相桥、三电平三相桥、两电平单相桥和三电平单相桥4重化逆变器的电压波形，图(b)中从上至下为其相应的谐波频谱。由上述理论分析和仿真结果可知：1)随m的增加，THD减小；对不同的m，有一个使THD最小的逆变桥输出相电压最佳脉冲宽度。2)当采用两电平单相桥构成多重化逆变器时，若取THD为最小时的βmin(20°βmin30°)，则第器的相、线电压中存在3及倍数次谐波；若取β=30°，则其电压谐波畸变系数与最小THD的偏差并不大且随m的增加而减小，同时相、线电压中不再含3及倍数次谐波；因此取β=30°较合适。3)当采用三电平单相桥构成多重化逆变器时，若取β1+β2=60°，则不仅THD约等于其最小值，而且输出电压中不含3及其倍数次谐波。4)对第1、2类多重化逆变器而言，由β=30°时的两电平三单相桥与由β=0或30时的两电平三相桥构成的同类多重化逆变器具有相同的电压波形和谐波频谱；由β1+β2=60°时的三电平三单相桥与三电平三相桥构成的同类多重化逆变器具有相同的电压波形和谐波频谱。5)在满足上述2)和3)的条件使多重化逆变器输出电压中不含3及其倍数次谐波的情况下，第1类多重化逆变器的相、线电压谐波次数为n=6mk±1（k为正整数）重数m越大，所含的谐波次数越少、幅值也越小；第2类多重化逆变器和由两/三电平三相桥构成的第3类多重化逆变器的相、线电压谐波次数为n=12k±1，重数m越大，谐波幅值越小；由两/三电平三单相桥构成的第3类多重化逆变器的相、线电压谐波次数为n=6k±1，重数m越大，谐波幅值越小。故第1类多重化逆变器的电压波形质量最好，第3类两/三电平三单相桥多重化逆变器的电压波形质量最差。6)第3类两/三电平三相桥多重化逆变器具有与第2类相同的电压波形和谐波频谱，都含n=12k±1次谐波，但前者可采用Δ/Y连接三绕组变压器进行输出电压串联叠加，从而减小变压器的体积、重量和损耗。7)由三电平三相桥构成的第1类多重化逆变器，在不同m下，取β=15°/m，可得最小THD；由三电平三相桥构成的第2、3类多重化逆变器，在不同m下，取β=15°/m时，THD与其最小值的偏差会随着m的增加而增加。8)三电平m重化逆变器和两电平2m重化逆变器具有相同的输出电压阶梯数和THD，而在相同的输出电压等级下，前者所用开关器件的额定电压可降一半，且重数越少，所用输出变压器的体积、重量和损耗越小。故三电平多重化逆变器更适用于高压大容量的电力电子装置。根据构成多重化逆变器的单元逆变桥和输出变压器的结构不同，将串联型多重化逆变器分为3大类12种。通过对它们的输出电压谐波的综合分析表明,采用曲折变压器对输出电压进行串联叠加的第1类多重化逆变器的输出电压波形质量最好；由三电平逆变桥构成的多重化逆变器不仅能以较低的m实现高压大容量输出，并获得满意的电压谐波畸变率，且可有效减小变压器的体积、重量和损耗，故更适用于高压大容量电力电子装置。