谐波注入串联三相桥式12脉波整流电路的研究

袁发庭，秦实宏，姚湘陵

（武汉工程大学 电气信息学院，湖北 武汉 430205）

环境保护和可持续发展是当今世界的热点问题，同样与人类生活密切相关的电力系统也是一种“环境”，也面临着污染。电能是人类生产最重要的二次能源之一 ，无论人们的日常生活还是工农业的生产都离不开电，我们在对电能的有效利用方面就显得尤为重要。公用电网中的谐波电流和谐波电压就是对电网环境最严重的一种污染[1]。因此抑制谐波和提高功率因数已成为电力系统所面临的一个重大课题，正在受到越来越多的关注。

随着电力系统的日益发展，谐波抑制也就变得越来越重要，电力电子装置本身可以产生谐波，又可以通过电力电子装置作为滤波器从而抑制谐波[2]。电力电子技术的迅猛发展，大量以电力电子器件为基础的整流装置得到广泛的应用。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。电力电子装置已经成为电力系统中的主要波源，造成了电能的巨大浪费，采用谐波注入法注入串联12脉波整流电路，产生24脉波，大大减少谐波对电网的干扰，提高了电能的利用率。

1 串联12脉波整流电路工作特性及谐波分析

串联12脉波电路图如图1所示，整流变压器采用Y/YΔ，三相电源星型联结时，线电压超前相应的相电压30°。采用不可控器件二极管[3]。整流器1输出电压为Uo1，整流器2输出电压为Uo2，当输入变压器各个绕组之间的比例关系为N1=N2；N3=N2，则二次侧两绕组的线电压有效值相等 ，电压矢量图如图2所示。

图1 串联12脉波整流器电路图Fig.1 Circuit diagram of series 12 pulse rectifier

图2 串联12脉波整流器向量图Fig.2 Vector diagram of series 12 pulse rectifier

第一组三相桥式整流输出电压Uo1可表示为式（1）

其中 V s为相电压最大值，Vo2与Vo1相差 30°，故 Vo2可表示为式（2）

两组串联三相桥输出电压的瞬时值 Vd（t）为式（3），电流Id为式（4）

直流输出电压 Vd中的谐波次数为 12K（K=1，2，3），最低阶次为12次。

一次侧A相电流ia可以表示为式（5）

如图3所示为串联三相桥式12脉波整流电路的Matlab仿真模型，交流电源电压220 V，50 Hz，整流变压器采用Y/Y-Δ[4]。使其输出电压相位相差30°，一次绕组线电压设为380 V，二，三次绕组线电压为173 V，负载为电阻，阻值设为5Ω，输出侧电感为L=2 mH，在整流模型基础上，通过多路测量仪读取整流变压器二次侧电压和电流，观察功率因素的波形，仿真算法设为ode23tb，仿真时间设置为0.4 s。

图3 串联12脉波整流电路的仿真模型Fig.3 Simulation model of series 12 pulse rectifier circuit

输出电压Uo1和Uo2电压波形如图4所示，Uo1与Uo2有效值相等，相位相差 30°，输出电压 Ud只含有 12K（K=1，2，3…）次谐波，12脉波整流器的功率因素为0.988；整流器一次侧A相电流FFT谐波分析如图5所示，谐波中主要谐波为12K±1（K=1，2，3…）次谐波。

2 谐波注入电路原理分析

图4 串联12脉波整流电路Uo1和Uo2输出波形Fig.4 Output waveformof series12 pulse rectifier circuit Uo1 and Uo2

图5 整流器一次侧A相电流FFT分析Fig.5 Analysis of rectifier A side A phase current FFT

谐波注入时，等效电路如图6所示，在图中，2个电流源通过整流器1和整流器2输出，整流器输出以电流源替代，输出电流有效值相等，相位相差30°，串联连接后，输出电流i1和i2的波形如图7所示，2个电流源在电路中的瞬时值不相等，输出电流i1和i2的差值Δi=i2-i1是注入电流，故注入电流在整流器电路输出端将产生一个自然开关频率为六倍频的0到Ud的直流电源，此电压为谐波注入电压，通过此谐波电压来产生24脉波的输入电流[5]。电源周期中脉波数越多，电网中谐波阶次越高，谐波幅值越小，减少低次谐波对电网的干扰。

图6 六倍频注入的等效电路Fig.6 Equivalent circuit of six times frequency injection

图7 谐波波形注入Fig.7 Injection of harmonic wave

在电流Δi流过变压器初级绕组，在变压器绕组上产生了注入电压ΔU，通过二极管整流电路输出，改变了整流器输出电压 Uo1和 Uo2，串联输出是 Uo1=Ud/2+ΔU；Uo2=Ud/2-ΔU。 当整流器2电流i2大于整流器i1，输出电流为正，Δi=i2-i1。电流从O点流向F点，通过变压器，使二极管D1与D4自然导通，接到输出电路中，二极管导通后，输出电压Ud加载到变压器次级绕组，在初级绕组上产生Ud/k（k为变压器的变压比）的电压变化量，改变Uo1与 Uo2的瞬时值，式（6）为 Uo1的值，式（7）为 Uo2的值。

当整流器2电流i2小于整流器i1，输出电流为负，Δi=i2-i1；电流从F点流向O点，通过变压器，使二极管D2与D3自然导通，接到输出电路中，二极管导通后，输出电压Ud加载到变压器次级绕组，在初级绕组上产生Ud/k的电压变化量，改变 U01与 U02的瞬时值，式（8）为 Uo1的值，式（9）为 Uo2的值。

整流器1输出电压与直流中性点的电压分别为为Ua1o，Ub1o，Uc1o，当输入电流ia1为负值时候，Ua1o两端的电压为-Ud/2，输入电流为正时，Ua1o两端的电压为ΔU；B相电压相对于中性点O比A相电压相对中性点O之后120°C相电压相对于中性点滞后B相120°[6]。改变了变压器N2和N3测a相电流，它们的共模电压脉波a相输入电压为Uao=Ua1n+Ua2o，从而在输入电流ia上产生24脉波。

3 仿真模型的建立及验证

如图8所示为注入谐波串联三相桥式12脉波Matlab仿真模型，输出滤波电容 C1和C2为 5 000μF，变压器为 1：4.6，仿真时间为0.4 s。图9为输入电流ia的FFT分析，注入谐波与未注入谐波串联三相12脉波整流电路的性能比较如表1所示，由于移相变压器谐波注入的作用，使ia1与ia2在原边相互补偿，减小了输入电流ia的畸变率（THD），功率因素比未注入要高，输入侧的各次谐波含量也明显减少，提高了电网的性能。

图8 注入谐波串联12脉波整流matlab仿真模型Fig.8 Model of injection harmonic series 12 pulse rectifier matlab simulation

图9 注入谐波后输入电流ia的FFT分析Fig.9 Analysis the input of ia FFT after injection current harmonic

表1 注入谐波和未注入谐波数值比较Tab.1 Numerical comparison of injection harmonic and not injection harmonic

4 结束语

采用串联三相桥式12脉波整流谐波注入电路的方法优化了输入电流和输出电压波形，减少了输入端电流畸变率，同时提高了整流电路的功率因素，串联输出适用于输出高电压的场合。为了满足越来越重要的电能质量的要求，可采取两组桥三重或四重联接，通过注入谐波法，使电流的谐波含量大为改善，功率因数明显提高，提升了电能的利用率。

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