一种适用于HVDC带双无源谐波注入的串联型36脉波整流器

王 英，王亚兰，陈小强，陈 涛，刘笑含

一种适用于HVDC带双无源谐波注入的串联型36脉波整流器

王 英1,2，王亚兰1，陈小强1,2，陈 涛1，刘笑含1

(1.兰州交通大学，甘肃 兰州 730070；2.兰州交通大学光电技术与智能控制教育部重点实验室，甘肃 兰州 730070)

为了提升海上风电并网HVDC系统中的串联型二极管多脉波整流器的谐波抑制能力，提出一种基于直流回路双无源注入电路的串联型36脉波整流器。该整流器采用两个辅助无源注入电路，通过电流调制后产生电压注入谐波，最终可将交流侧输入相电压由12阶梯波倍增至36阶梯波。分析了双无源注入电路工作原理及特性。在此基础上，推导了整流器交流侧输入电压表达式。并以电压谐波畸变率最小为目标，设计了注入变压器的匝比参数。最后结合工程应用，讨论了辅助无源电路中二极管开路故障时系统的容错能力。理论分析及仿真结果表明，所提出的整流器具有谐波抑制能力强、结构简单、可靠性高和鲁棒性强等优点，更适用于高电压大功率场合。

HVDC；串联型整流器；双无源谐波注入；变压器匝比设计；故障容错；谐波抑制

0 引言

当前工业发展主要基于传统化石能源，随之而来的生态问题和能源危机日渐突出，能源结构亟待调整。面对能源发展现状，提升可再生能源和清洁能源的占比成为缓解能源紧张的重要可行策略，也符合“双碳”远景目标[1-4]期许。其中，风能作为绿色可再生能源，具有环保、分布广泛的优点，且可实现风能-电能转化的风力发电技术相对成熟，已成为学术研究热点。由于陆地风能受占地面积等限制，海上风能开发利用的比例不断提高[5-9]。

近年来，海上风电并网技术发展迅速，近距离海上风电场一般采用高压交流输电技术，而远距离(大于70 km)海上风电场常采用高压直流输电(High Voltage Direct Current, HVDC)技术[10-12]。传统风电并网方案采用基于可控器件电压源型换流器(Voltage Source Converter, VSC)，开关损耗高，且体积大、控制复杂、维护成本高，对系统稳定性干扰大。针对上述问题，国内外学者提出了基于二极管整流器的海上风电HVDC并网技术，并进行了可行性分析[13-16]。

基于二极管的多脉波整流器(Multi-pulse rectifier, MPR)具有导通损耗低、鲁棒性强、维护便捷、占地面积小和经济成本低等优点[17-21]。远海风电HVDC系统多采用串联型12脉波二极管整流器作为换流单元，然而传统12脉波整流器存在12±1次谐波，故提升二极管整流器单元的谐波抑制能力成为当前研究热点[22-25]。

目前MPR的谐波方法主要通过在交流侧安装滤波器以补偿谐波(称为被动抑制)或在直流侧构造谐波注入电路来提升其脉波数(称为主动抑制)。针对被动抑制研究，文献[26]提出了一种交流侧有源滤波器与无源滤波器相结合的混合谐波抑制方法，谐波抑制效果显著，但有源部分控制复杂，且开关器件损耗大，不适用于高电压场合。文献[27]提出了一种交流侧加入阻尼高通滤波器的方法来抑制MPR的谐波，但需要给定系统无功容量等参数，设计难度较高。

在关于MPR的谐波抑制方法中，通过直流侧加入谐波注入电路的主动抑制方式已相对成熟[28-30]。文献[31]提出了一种采用辅助电压源的直流侧有源注入方法，通过调制注入电流实现了输入电流的脉波倍增。文献[32]在串联型12脉波MPR的基础上在直流侧安装了两个单相桥式谐波注入电路，同样实现了整流器脉波数倍增，但非隔离型移相变压器使得系统的安全性和可靠性降低，不适用高压大容量场合。文献[33]基于传统星三角隔离变压器的12脉波整流器，在直流侧加入一个单相全波整流电路作为谐波注入电路，可将整流器脉波数由12提升为24，但交流侧电压谐波畸变率理论值较高，仍存在改进空间。文献[34]在18脉波隔离型MPR的基础上，在直流侧加入了两个无源谐波注入电路，将整流器脉波数由18提升至30，谐波抑制效果较好，但整流桥个数较多，占用空间较大，会导致成本增加。

针对以上问题，本文提出了一种直流侧带双无源辅助谐波注入电路的串联型36脉波整流器，具有以下优点：

1) 采用隔离型移相变压器，提升了系统运行的安全性和可靠性；

2) 采用全无源器件，结构简单，损耗低，鲁棒性强；

3) 直流侧双无源谐波注入电路使得整流器输入电压由12脉波倍增至36脉波，显著降低了输入电压和电流的谐波畸变率，提高了交流侧电能质量。

1 电路工作机理分析

图1为基于二极管整流器的海上风电HVDC链路结构。为提升该系统整流部分谐波抑制能力，以串联型12脉波整流器为研究对象，在此基础上引入直流侧谐波注入电路来改善整流器的性能。

图1 基于二极管整流器的海上风电HVDC链路结构

1.1 二极管整流电路结构

图2为基于直流侧双无源注入法的串联型36脉波整流电路。图2中，隔离变压器一次侧绕组采用串接方式，二次侧输出两组相角差为30°的三相电压，实现了功率传输和电气隔离。直流侧两个辅助无源注入电路(Auxiliary Passive Injection Circuit, APIC)，分别记为APICⅠ和APICⅡ。其中，APICⅠ采用单相全波整流电路结构，输出侧与负载并联；APICⅡ采用单相桥式整流电路结构，输出侧串联在直流侧回路。APICⅠ和APICⅡ的一次侧绕组串接，通过向直流侧回路注入电流对单个整流桥的输出电压进行调制。在双APICs作用下，整流桥输出电压电平数增加至4，通过变压器移相叠加原理，最终使得网侧输入电压波形为36阶梯波。此外，由于均压电容(1=2)的影响，输出直流侧可视为恒压负载。

图2 基于直流回路双无源注入电路的串联型36脉波整流器

图3 移相变压器相量图

1.2 工作原理分析

图4 移相变压器绕组连接图

图5 双无源注入电路下整流器工作模态

图6 两组三相二极管整流桥输出电流

1) 工作模态1

设1和2的幅值为，则有

现对模态1中单个整流桥输出电压分析，由图5(a)可得

2) 工作模态2

根据基尔霍夫电压定律，可得

3) 工作模态3

根据基尔霍夫电压定律，可得

4) 工作模态4

由上述分析可知，整流桥输出电压为6倍频四阶梯波。

1.3 36阶梯波形成过程分析

表1 uRec2在一个周期内的阶梯波取值

表2 uRec1在一个周期内的阶梯波取值

又由基尔霍夫电压定律，可知

结合式(12)—式(14)，可得

将式(15)代入式(14)，得

再根据电路工作原理，此时A1F、C1F的值为

由基尔霍夫电压定律，得

图7 交流侧输入电压uan的36阶梯波形成过程示意图

表3 uan在1/4周期内的阶梯波取值

2 APICs中注入变压器匝比优化设计

基于上述该整流器交流侧输入相电压36阶梯波的形成过程原理，此部分对注入变压器匝比进行优化设计。实际工程中因系统中漏阻抗等的影响，存在一定电能损耗，因此可能会造成电压理论值与实际值有一定误差，但因耦合关系复杂，故本节做了简化分析。为了接近工程实际，本节分析过程均以考虑二极管损耗为前提。

图8 Tv与工作模态导通角d和匝比x的关系曲线

3 APICs中二极管开路故障下系统容错分析

为更好地评估所提整流器的谐波抑制性能，分别在两种APICs中二极管开路故障工况下分析系统的容错能力。

1) APICⅠ中二极管开路状态

2) APICⅡ中二极管开路状态

由以上分析可知，该整流器在APICs中二极管开路故障下具有较好的容错能力。需要注意的是，二极管开路故障系统容错能力分析非本文研究重点。因APICs中不同二极管开路时对整流器工作状态影响不同，此处仅以两种最常见故障情况举例。

图10 APICs中二极管开路故障下电气量波形图

4 测试分析与对比

为了验证以上分析的正确性，利用Matlab/ Simulink搭建了基于直流回路双无源注入电路的串联型36脉波整流器模型，并进行了仿真验证。当考虑高电压场合时，只需改变输入电压等级。为便于验证，此处以低电压等级验证整流器工作状态。仿真参数如下：

1) 输入相电压为220 V，频率为50 Hz；

3) 负载为阻性负载，电阻为50W；

4.1 阻性负载下整流器工作状态验证

图11 交流侧输入电压uan波形图

图12 交流侧输入电流ia波形图

图13 整流桥输出电压波形图

Fig. 13 Waveform of the output voltageRec2of rectifier bridges

图14 uan波形的傅里叶频谱

4.2 二极管开路故障下整流器容错能力验证

图16 故障状态1下up1仿真波形图

图17 故障状态2下ix仿真波形图

4.3 测试结果对比分析

上述仿真结果与理论分析相符合，此外，为了说明测试结果的合理性，对文献[29]提出的24脉波整流器系统进行了仿真，其交流侧输入电压THD仿真值为6.84%，而本文所提36脉波整流器交流侧输入电压THD仿真值为4.61%，对比可知，本文提出的基于AIPCs的串联型36脉波整流器进一步提升了电能质量。因实验时变压器及线路等存在漏阻抗且与仿真参数存在一定差异(例如仿真时忽略了线路漏阻抗等条件)，对交流侧电气量具有一定的滤波效果，实验值将低于仿真结果(文献[33]中交流侧输入电压的THD值为3.34%)。文献[32]提出的36脉波整流器交流侧相关特征电气量的THD值与本文分析结果一致，其验证过程也与本部分逻辑性一致，因而本文所提整流器具备良好的谐波抑制效果。

5 整流器适用性分析

本文基于隔离变压器的12脉波整流器，采用直流侧谐波抑制方法，提出了全无源的36脉波整流器，该系统采用串联结构，具有输出高电压、高功率、低功耗的特点，适用于HVDC或蓄电池充电等场合。前言部分重点介绍了与远海风电HVDC应用场景，理由为：目前HVDC中换流器采用二极管器件的主要应用场合为远海风电传输，且文献[8-12]给出了海上风电HVDC采用12脉波二极管整流器作为前端整流部分的可行性分析，但基于传统星三角变压器结构的12脉波整流器电能质量无法满足工程标准，目前关于多脉波整流器的谐波抑制方法中，直流侧谐波注入法理论已经较为成熟，可作为整流系统中交直流侧滤波器的替代方案，国内外多位学者已经做了相关研究，文献[35-36]已对基于直流侧谐波注入法的多脉波整流器应用于HVDC换流站进行了分析与验证，因而本文所提低谐波低功耗的36脉波整流器理论上可串接于图1远海风电HVDC系统中作为整流部分，具备远海风电HVDC场合的适用性，但实际工程应用中需要考虑电压等级以及接地点的设置问题，例如风机输出端电压等级决定了系统接地方式等。

基于以上分析，在此给出一种所提整流器应用于HVDC送端时双极性接线简化拓扑方案，如图19所示。

图19 双极性HVDC应用下整流器拓扑示例

6 结论

针对传统串联型12脉波整流器谐波含量较高的问题，本文提出了一种基于直流回路双无源谐波注入电路的串联型36脉波整流器，分析了无源注入电路谐波抑制原理；考虑二极管损耗，推导了交流侧输入相电压的理论表达式，并以其THD值最小为目标，优化设计了APICs中注入变压器的匝比；最后，结合工程应用，总结了APICs中二极管不同故障时所提出整流器的容错能力。本文的相关结论及展望：

1) 与常规12脉波整流器以及基于直流侧谐波注入法的24脉波整流器相比，所设计的直流侧双无源谐波注入电路使得整流器输入相电压可倍增至36阶梯波，更接近正弦波形，波形质量显著改善；同时，输入电压THD理论值由12脉波整流器的15.2%以及24脉波整流器的7.58%降至5.045%，谐波抑制效果明显。

2) 所提整流器均采用无源器件，对电网运行状态干扰性小，既保留了基于二极管整流器的海上风电HVDC技术的优势，又降低了系统谐波含量，系统鲁棒性强。

3) 所提整流器在APICs中二极管故障状态下仍具有较好的容错能力，仍能实现整流功能，交流侧电能质量受到一定影响，但理论上可通过增加整流桥个数进一步提升系统的容错能力。

4) 所提出的带双无源注入电路的串联型整流器结构简单、体积小，易于实现，可运用于大功率海上风电并网系统中HVDC换流器中整流单元。

5) 本文的研究重点为整流器的谐波抑制，故重点介绍了整流器原理及其谐波抑制方式的实现过程。后期将设计相应的样机对相关原理分析进一步验证；且针对其具体应用于远海风电HVDC的实现方式(如电压等级及接地点设置等)将作为未来的研究重点。

[1] 赵东元, 胡楠, 傅靖, 等. 提升新能源电力系统灵活性的中国实践及发展路径研究[J]. 电力系统保护与控制, 2020, 48(24): 1-8.

ZHAO Dongyuan, HU Nan, FU Jing, et al. Research on the practice and road map of enhancing the flexibility of a new generation power system in China[J]. Power System Protection and Control, 2020, 48(24): 1-8.

[2] 张运洲, 鲁刚, 王芃, 等. 能源安全新战略下能源清洁化率和终端电气化率提升路径分析[J]. 中国电力, 2020, 53(2): 1-8.

ZHANG Yunzhou, LU Gang, WANG Peng, et al. Analysis on the improvement path of non-fossil energy consumption proportion and terminal electrification rate under the new energy security strategy[J]. Electric Power, 2020, 53(2): 1-8.

[3] 帅挽澜, 朱自伟, 李雪萌, 等. 考虑风电消纳的综合能源系统“源-网-荷-储”协同优化运行[J]. 电力系统保护与控制, 2021, 49(19): 18-26.

SHUAI Wanlan, ZHU Ziwei, LI Xuemeng, et al. “Source-network-load-storage” coordinated optimization operation for an integrated energy system considering wind power consumption[J]. Power System Protection and Control, 2021, 49(19): 18-26.

[4] 周强, 汪宁渤, 何世恩, 等. 高弃风弃光背景下中国新能源发展总结及前景探究[J]. 电力系统保护与控制, 2017, 45(10): 146-154.

ZHOU Qiang, WANG Ningbo, HE Shien, et al. Summary and prospect of China's new energy development under the background of high abandoned new energy power[J]. Power System Protection and Control, 2017, 45(10): 146-154.

[5] 文劲宇, 陈霞, 姚美齐, 等. 适用于海上风场并网的混合多端直流输电技术研究[J]. 电力系统保护与控制, 2013, 41(2): 55-61.

WEN Jinyu, CHEN Xia, YAO Meiqi, et al. Offshore wind power integration using hybrid multi-terminal HVDC technology[J]. Power System Protection and Control, 2013, 41(2): 55-61.

[6] 郑黎明, 贾科, 毕天姝,等. 海上风电接入柔直系统交流侧故障特征及对保护的影响分析[J]. 电力系统保护与控制, 2021, 49(20): 20-32.

ZHENG Liming, JIA Ke, BI Tianshu, et al. AC-side fault analysis of a VSC-HVDC transmission system connected to offshore wind farms and the impact on protection[J]. Power System Protection and Control, 2021, 49(20): 20-32.

[7] 王邦彦, 王秀丽, 宁联辉. 海上风电场集电系统开关配置最优化及可靠性评估[J]. 供用电, 2021, 38(4): 43-51.

WANG Bangyan, WANG Xiuli, NING Lianhui. Switch configuration optimization and reliability evaluation of offshore wind farm collector system[J]. Distribution & Utilization, 2021, 38(4): 43-51.

[8] 袁艺嘉, 孔明, 孙宝宝, 等. 海上换流站直流侧暂态过压应力抑制策略有效性分析[J]. 全球能源互联网, 2021, 4(6): 602-614.

YUAN Yijia, KONG Ming, SUN Baobao, et al. Analysis on the effectiveness of suppression strategies for transient overvoltage stress on the DC side of offshore converter station[J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2021, 4(6): 602-614.

[9] MOHAN M. A comprehensive review of DC fault protection methods in HVDC transmission systems[J]. Protection and Control of Modern Power Systems, 2021, 6(1): 1-20.

[10] 卓振宇, 张宁, 谢小荣, 等. 高比例可再生能源电力系统关键技术及发展挑战[J]. 电力系统自动化, 2021, 45(9): 171-191.

ZHUO Zhenyu, ZHANG Ning, XIE Xiaorong, et al. Key Technologies and developing challenges of power system with high proportion of renewable energy[J]. Automation of Electric Power Systems, 2021, 45(9): 171-191.

[11] 蔡旭, 杨仁炘, 周剑桥, 等. 海上风电直流送出与并网技术综述[J]. 电力系统自动化, 2021, 45(21): 2-22.

CAI Xu, YANG Renxin, ZHOU Jianqiao, et al. Review on offshore wind power integration via DC transmission[J]. Automation of Electric Power Systems, 2021, 45(21): 2-22.

[12] 刘卫东, 李奇南, 王轩, 等. 大规模海上风电柔性直流输电技术应用现状和展望[J]. 中国电力, 2020, 53(7): 55-71.

LIU Weidong, LI Qinan, WANG Xuan, et al. Application status and prospect of VSC-HVDC technology for large-scale offshore wind farms[J]. Electric Power, 2020, 53(7): 55-71.

[13]孟沛彧, 向往, 邸世民, 等. 大规模海上风电多电压等级混合级联直流送出系统[J]. 电力系统自动化, 2021, 45(21): 120-128.

MENG Peiyu, XIANG Wang, DI Shimin, et al. Hybrid cascaded HVDC transmission system with multiple voltage levels for large-scale offshore wind power[J]. Automation of Electric Power Systems, 2021, 45(21): 120-128.

[14] LI R, YU L, XU L. Offshore AC fault protection of diode rectifier unit-based HVDC system for wind energy transmission[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2019, 66(7): 5289-5299.

[15] BERNAL-PEREZ S, ANO-VILLALBA S, BLASCO- GIMENEZ R, et al. Efficiency and fault ride-through performance of a diode-rectifier and VSC-inverter-based HVDC link for offshore wind farms[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, 60(6): 2401-2409.

[16] CHANG Y, CAI X. Hybrid topology of a diode-rectifier- based HVDC system for offshore wind farms[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2019, 7(3): 2116-2128.

[17] LIU Jiongde, CHEN Xiaoqiang, WANG Ying, et al. A low harmonic 12-pulse rectifier based on zigzag autotransformer by current injection at DC side[J]. Journal of Measurement Science and Instrumentation, 2021, 12(3): 347-355.

[18] CHEN X, CHEN T, WANG Y. Investigation on design of novel step-up 18-pulse auto-transformer rectifier[J]. IEEE Access, 2021, 9: 110639-110647.

[19] 陈涛, 陈小强, 王英, 等. 一种新型升压18脉波自耦变压整流器的研究[J]. 电网技术, 2021, 45(4): 1527-1535.

CHEN Tao, CHEN Xiaoqiang, WANG Ying, et al. Novel step-up 18-pulse auto-transformer rectifier unit[J]. Power System Technology, 2021, 45(4): 1527-1535.

[20] 孟凡刚, 杨世彦, 杨威. 多脉波整流技术综述[J]. 电力自动化设备, 2012, 32(2): 9-22.

MENG Fangang, YANG Shiyan, YANG Wei. Overview of multi-pulse rectifier technique[J]. Electric Power Automation Equipment, 2012, 32(2): 9-22.

[21]王佳荣, 张正焓, 陈小强. 计及移相角的多边形自耦变压器12脉波整流系统分析[J]. 铁道学报, 2020, 42(3): 69-75.

WANG Jiarong, ZHANG Zhenghan, CHEN Xiaoqiang. Phase-shift angle analysis on 12-pulse rectifier with polygon-connected autotransformer[J]. Journal of the China Railway Society, 2020, 42(3): 69-75.

[22] 郑春菊, 孟鑫, 周群, 等. 三相多驱动系统带移相电流控制的谐波消除方法[J]. 电力系统保护与控制, 2021, 49(12): 114-123.

ZHENG Chunju, MENG Xin, ZHOU Qun, et al. Harmonic elimination method with phase-shifted current control in a three-phase multi-drive system[J]. Power System Protection and Control, 2021, 49(12): 114-123.

[23]陈杰, 龚春英, 陈家伟, 等. 多脉波整流技术在风力发电中的应用[J]. 电工技术学报, 2012, 27(4): 131-137, 144.

CHEN Jie, GONG Chunying, CHEN Jiawei, et al. Research on multi-pulse rectification technique in wind power application[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2012, 27(4): 131-137, 144.

[24] SINGH B, SINGH B N, CHANDRA A, et al. A review of three-phase improved power quality AC-DC converters[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2004, 51(3): 641-660.

[25] 王佳佳, 周念成, 王强钢, 等. 电网电压不平衡下串联型12脉波整流装置的频域谐波建模[J]. 电工技术学报, 2015, 30(5): 69-78.

WANG Jiajia, ZHOU Niancheng, WANG Qianggang, et al. Frequency-domain harmonic modeling of the series 12-pulse rectifier under unbalanced voltage condition[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(5): 69-78.

[26] AKAGI H, ISOZAKI K. A hybrid active filter for a three-phase 12-pulse diode rectifier used as the front end of a medium-voltage motor drive[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2012, 27(1): 69-77.

[27] LI X, WANG Y, XU W. A new filtering scheme for HVDC terminals based on damped high-pass filter[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2019, 34(5): 2050-2057.

[28] 王景芳, 陈安臣, 姚绪梁, 等. 一种直流侧串联辅助单相整流器的24脉波整流器[J]. 中国电机工程学报, 2021, 41(23): 8120-8129.

WANG Jingfang, CHEN Anchen, YAO Xuliang, et al. A 24-pulse rectifier with an auxiliary single-phase rectifier in series at DC side[J]. Proceedings of the CSEE, 2021, 41(23): 8120-8129.

[29] 高蕾, 孟凡刚, 杨威, 等. 多脉波整流器直流侧无源谐波抑制机理研究[J]. 电机与控制学报, 2016, 20(4): 69-77.

GAO Lei, MENG Fangang, YANG Wei, et al. Harmonic reduction mechanism at DC link of multi-pulse rectifier[J]. Electric Machines and Control, 2016, 20(4): 69-77.

[30] 王莹, 乔明, 廉玉欣. 两种24脉波整流器直流侧谐波抑制机理研究[J]. 电力电子技术, 2019, 53(8): 84-88.

WANG Ying, QIAO Ming, LIAN Yuxin. Research on harmonic reduction mechanism at DC link of two kinds of 24-pulse rectifiers[J]. Power Electronics, 2019, 53(8): 84-88.

[31] FUKUDA S, OHTA M, IWAJI Y. An auxiliary-supply- assisted harmonic reduction scheme for 12-Pulse diode rectifiers[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2008, 23(3): 1270-1277.

[32] CHIVITE-ZABALZA F J, FORSYTH A J. A passive 36-pulse AC-DC converter with inherent load balancing using combined harmonic voltage and current injection[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2007, 22(3): 1027-1035.

[33] 孟凡刚, 王琳, 高蕾, 等. 基于直流侧无源电压谐波注入法的串联型24脉波整流器[J]. 电工技术学报, 2019, 34(6): 1180-1188.

MENG Fangang, WANG Lin, GAO Lei, et al. A series-connected 24-pulse rectifier with passive voltage harmonic injection method at DC side[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(6): 1180-1188.

[34] LI Q, MENG F, GAO L, et al. A 30-pulse rectifier using passive voltage harmonic injection method at DC link[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2020, 67(11): 9273-9291.

[35] DAS B P, WATSON N R, Liu Y. M-level thyristor based MLCR CSC: A comparative study[C] // IEEE International Conference on Power System Technology, October 30-November 2, 2012, Auckland, New Zealand: 1-6.

[36] ARRILLAG J, LIU Y, PERERA L B, et al. A current reinjection scheme that adds self-commutation and pulse multiplication to the thyristor converter[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2006, 21(3): 1593-1599.

A series-connected 36-pulse rectifier for HVDC with a dual passive harmonic injection method

WANG Ying1, 2, WANG Yalan1, CHEN Xiaoqiang1, 2, CHEN Tao1, LIU Xiaohan1

(1. Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China; 2. Key Laboratory of Opto-Technology and Intelligent Control Ministry of Education, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

To improve the harmonic suppression ability of series-connected diode multi-pulse rectifiers in an offshore wind power grid-connected HVDC system, a series-connected 36-pulse rectifier based on a dual passive injection circuit at the DC side is proposed. The rectifier adopts two auxiliary passive injection circuits, which generate voltage injection harmonics after current modulation, and which can double the AC input voltage waveform from 12-step to 36-step. The principle and characteristics of dual passive injection circuits are analyzed in this paper. The input voltage expression at the AC side of the rectifier is derived, and the turn ratio parameters of the injection transformers are designed to minimize the voltage harmonic distortion rate. Finally, the fault-tolerant capability of auxiliary passive circuits with diode open circuit faults is discussed. Theoretical analysis and simulation results show that the proposed rectifier has the advantages of strong harmonic suppression, simple structure, high reliability, and strong robustness, and is more suitable for high-voltage and high-power application.

HVDC; series-connected rectifier; dual passive harmonic injection; turn ratio design of transformers; failure tolerance; harmonic suppression

10.19783/j.cnki.pspc.211569

2021-11-21；

2022-03-05

王 英(1978—)，男，通信作者，副教授，研究方向为电能质量管理；E-mail: wangying01@mail.lzjtu.cn

王亚兰(1995—)，女，硕士研究生，研究方向为电能变换及谐波抑制。E-mail: 2034144054@qq.com

国家自然科学基金项目资助(51867012，52067013)；教育部重点实验室开放课题项目资助(KFKT2020- 12)；甘肃省自然科学基金项目资助(21JR7RA280，20JR5RA395)

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 51867012 and No. 52067013).

(编辑 周金梅)