王 英，王亞蘭，陳小強(qiáng)，陳 濤，劉笑含

一種適用于HVDC帶雙無源諧波注入的串聯(lián)型36脈波整流器

王 英1,2，王亞蘭1，陳小強(qiáng)1,2，陳 濤1，劉笑含1

(1.蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué)光電技術(shù)與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070)

為了提升海上風(fēng)電并網(wǎng)HVDC系統(tǒng)中的串聯(lián)型二極管多脈波整流器的諧波抑制能力，提出一種基于直流回路雙無源注入電路的串聯(lián)型36脈波整流器。該整流器采用兩個(gè)輔助無源注入電路，通過電流調(diào)制后產(chǎn)生電壓注入諧波，最終可將交流側(cè)輸入相電壓由12階梯波倍增至36階梯波。分析了雙無源注入電路工作原理及特性。在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了整流器交流側(cè)輸入電壓表達(dá)式。并以電壓諧波畸變率最小為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了注入變壓器的匝比參數(shù)。最后結(jié)合工程應(yīng)用，討論了輔助無源電路中二極管開路故障時(shí)系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。理論分析及仿真結(jié)果表明，所提出的整流器具有諧波抑制能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高和魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，更適用于高電壓大功率場合。

HVDC；串聯(lián)型整流器；雙無源諧波注入；變壓器匝比設(shè)計(jì)；故障容錯(cuò)；諧波抑制

0 引言

當(dāng)前工業(yè)發(fā)展主要基于傳統(tǒng)化石能源，隨之而來的生態(tài)問題和能源危機(jī)日漸突出，能源結(jié)構(gòu)亟待調(diào)整。面對能源發(fā)展現(xiàn)狀，提升可再生能源和清潔能源的占比成為緩解能源緊張的重要可行策略，也符合“雙碳”遠(yuǎn)景目標(biāo)[1-4]期許。其中，風(fēng)能作為綠色可再生能源，具有環(huán)保、分布廣泛的優(yōu)點(diǎn)，且可實(shí)現(xiàn)風(fēng)能-電能轉(zhuǎn)化的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)相對成熟，已成為學(xué)術(shù)研究熱點(diǎn)。由于陸地風(fēng)能受占地面積等限制，海上風(fēng)能開發(fā)利用的比例不斷提高[5-9]。

近年來，海上風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，近距離海上風(fēng)電場一般采用高壓交流輸電技術(shù)，而遠(yuǎn)距離(大于70 km)海上風(fēng)電場常采用高壓直流輸電(High Voltage Direct Current, HVDC)技術(shù)[10-12]。傳統(tǒng)風(fēng)電并網(wǎng)方案采用基于可控器件電壓源型換流器(Voltage Source Converter, VSC)，開關(guān)損耗高，且體積大、控制復(fù)雜、維護(hù)成本高，對系統(tǒng)穩(wěn)定性干擾大。針對上述問題，國內(nèi)外學(xué)者提出了基于二極管整流器的海上風(fēng)電HVDC并網(wǎng)技術(shù)，并進(jìn)行了可行性分析[13-16]。

基于二極管的多脈波整流器(Multi-pulse rectifier, MPR)具有導(dǎo)通損耗低、魯棒性強(qiáng)、維護(hù)便捷、占地面積小和經(jīng)濟(jì)成本低等優(yōu)點(diǎn)[17-21]。遠(yuǎn)海風(fēng)電HVDC系統(tǒng)多采用串聯(lián)型12脈波二極管整流器作為換流單元，然而傳統(tǒng)12脈波整流器存在12±1次諧波，故提升二極管整流器單元的諧波抑制能力成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)[22-25]。

目前MPR的諧波方法主要通過在交流側(cè)安裝濾波器以補(bǔ)償諧波(稱為被動(dòng)抑制)或在直流側(cè)構(gòu)造諧波注入電路來提升其脈波數(shù)(稱為主動(dòng)抑制)。針對被動(dòng)抑制研究，文獻(xiàn)[26]提出了一種交流側(cè)有源濾波器與無源濾波器相結(jié)合的混合諧波抑制方法，諧波抑制效果顯著，但有源部分控制復(fù)雜，且開關(guān)器件損耗大，不適用于高電壓場合。文獻(xiàn)[27]提出了一種交流側(cè)加入阻尼高通濾波器的方法來抑制MPR的諧波，但需要給定系統(tǒng)無功容量等參數(shù)，設(shè)計(jì)難度較高。

在關(guān)于MPR的諧波抑制方法中，通過直流側(cè)加入諧波注入電路的主動(dòng)抑制方式已相對成熟[28-30]。文獻(xiàn)[31]提出了一種采用輔助電壓源的直流側(cè)有源注入方法，通過調(diào)制注入電流實(shí)現(xiàn)了輸入電流的脈波倍增。文獻(xiàn)[32]在串聯(lián)型12脈波MPR的基礎(chǔ)上在直流側(cè)安裝了兩個(gè)單相橋式諧波注入電路，同樣實(shí)現(xiàn)了整流器脈波數(shù)倍增，但非隔離型移相變壓器使得系統(tǒng)的安全性和可靠性降低，不適用高壓大容量場合。文獻(xiàn)[33]基于傳統(tǒng)星三角隔離變壓器的12脈波整流器，在直流側(cè)加入一個(gè)單相全波整流電路作為諧波注入電路，可將整流器脈波數(shù)由12提升為24，但交流側(cè)電壓諧波畸變率理論值較高，仍存在改進(jìn)空間。文獻(xiàn)[34]在18脈波隔離型MPR的基礎(chǔ)上，在直流側(cè)加入了兩個(gè)無源諧波注入電路，將整流器脈波數(shù)由18提升至30，諧波抑制效果較好，但整流橋個(gè)數(shù)較多，占用空間較大，會(huì)導(dǎo)致成本增加。

針對以上問題，本文提出了一種直流側(cè)帶雙無源輔助諧波注入電路的串聯(lián)型36脈波整流器，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1) 采用隔離型移相變壓器，提升了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性；

2) 采用全無源器件，結(jié)構(gòu)簡單，損耗低，魯棒性強(qiáng)；

3) 直流側(cè)雙無源諧波注入電路使得整流器輸入電壓由12脈波倍增至36脈波，顯著降低了輸入電壓和電流的諧波畸變率，提高了交流側(cè)電能質(zhì)量。

1 電路工作機(jī)理分析

圖1為基于二極管整流器的海上風(fēng)電HVDC鏈路結(jié)構(gòu)。為提升該系統(tǒng)整流部分諧波抑制能力，以串聯(lián)型12脈波整流器為研究對象，在此基礎(chǔ)上引入直流側(cè)諧波注入電路來改善整流器的性能。

圖1 基于二極管整流器的海上風(fēng)電HVDC鏈路結(jié)構(gòu)

1.1 二極管整流電路結(jié)構(gòu)

圖2為基于直流側(cè)雙無源注入法的串聯(lián)型36脈波整流電路。圖2中，隔離變壓器一次側(cè)繞組采用串接方式，二次側(cè)輸出兩組相角差為30°的三相電壓，實(shí)現(xiàn)了功率傳輸和電氣隔離。直流側(cè)兩個(gè)輔助無源注入電路(Auxiliary Passive Injection Circuit, APIC)，分別記為APICⅠ和APICⅡ。其中，APICⅠ采用單相全波整流電路結(jié)構(gòu)，輸出側(cè)與負(fù)載并聯(lián)；APICⅡ采用單相橋式整流電路結(jié)構(gòu)，輸出側(cè)串聯(lián)在直流側(cè)回路。APICⅠ和APICⅡ的一次側(cè)繞組串接，通過向直流側(cè)回路注入電流對單個(gè)整流橋的輸出電壓進(jìn)行調(diào)制。在雙APICs作用下，整流橋輸出電壓電平數(shù)增加至4，通過變壓器移相疊加原理，最終使得網(wǎng)側(cè)輸入電壓波形為36階梯波。此外，由于均壓電容(1=2)的影響，輸出直流側(cè)可視為恒壓負(fù)載。

圖2 基于直流回路雙無源注入電路的串聯(lián)型36脈波整流器

圖3 移相變壓器相量圖

1.2 工作原理分析

圖4 移相變壓器繞組連接圖

圖5 雙無源注入電路下整流器工作模態(tài)

圖6 兩組三相二極管整流橋輸出電流

1) 工作模態(tài)1

設(shè)1和2的幅值為，則有

現(xiàn)對模態(tài)1中單個(gè)整流橋輸出電壓分析，由圖5(a)可得

2) 工作模態(tài)2

根據(jù)基爾霍夫電壓定律，可得

3) 工作模態(tài)3

根據(jù)基爾霍夫電壓定律，可得

4) 工作模態(tài)4

由上述分析可知，整流橋輸出電壓為6倍頻四階梯波。

1.3 36階梯波形成過程分析

表1 uRec2在一個(gè)周期內(nèi)的階梯波取值

表2 uRec1在一個(gè)周期內(nèi)的階梯波取值

又由基爾霍夫電壓定律，可知

結(jié)合式(12)—式(14)，可得

將式(15)代入式(14)，得

再根據(jù)電路工作原理，此時(shí)A1F、C1F的值為

由基爾霍夫電壓定律，得

圖7 交流側(cè)輸入電壓uan的36階梯波形成過程示意圖

表3 uan在1/4周期內(nèi)的階梯波取值

2 APICs中注入變壓器匝比優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于上述該整流器交流側(cè)輸入相電壓36階梯波的形成過程原理，此部分對注入變壓器匝比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)際工程中因系統(tǒng)中漏阻抗等的影響，存在一定電能損耗，因此可能會(huì)造成電壓理論值與實(shí)際值有一定誤差，但因耦合關(guān)系復(fù)雜，故本節(jié)做了簡化分析。為了接近工程實(shí)際，本節(jié)分析過程均以考慮二極管損耗為前提。

圖8 Tv與工作模態(tài)導(dǎo)通角d和匝比x的關(guān)系曲線

3 APICs中二極管開路故障下系統(tǒng)容錯(cuò)分析

為更好地評估所提整流器的諧波抑制性能，分別在兩種APICs中二極管開路故障工況下分析系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。

1) APICⅠ中二極管開路狀態(tài)

2) APICⅡ中二極管開路狀態(tài)

由以上分析可知，該整流器在APICs中二極管開路故障下具有較好的容錯(cuò)能力。需要注意的是，二極管開路故障系統(tǒng)容錯(cuò)能力分析非本文研究重點(diǎn)。因APICs中不同二極管開路時(shí)對整流器工作狀態(tài)影響不同，此處僅以兩種最常見故障情況舉例。

圖10 APICs中二極管開路故障下電氣量波形圖

4 測試分析與對比

為了驗(yàn)證以上分析的正確性，利用Matlab/ Simulink搭建了基于直流回路雙無源注入電路的串聯(lián)型36脈波整流器模型，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。當(dāng)考慮高電壓場合時(shí)，只需改變輸入電壓等級。為便于驗(yàn)證，此處以低電壓等級驗(yàn)證整流器工作狀態(tài)。仿真參數(shù)如下：

1) 輸入相電壓為220 V，頻率為50 Hz；

3) 負(fù)載為阻性負(fù)載，電阻為50W；

4.1 阻性負(fù)載下整流器工作狀態(tài)驗(yàn)證

圖11 交流側(cè)輸入電壓uan波形圖

圖12 交流側(cè)輸入電流ia波形圖

圖13 整流橋輸出電壓波形圖

Fig. 13 Waveform of the output voltageRec2of rectifier bridges

圖14 uan波形的傅里葉頻譜

4.2 二極管開路故障下整流器容錯(cuò)能力驗(yàn)證

圖16 故障狀態(tài)1下up1仿真波形圖

圖17 故障狀態(tài)2下ix仿真波形圖

4.3 測試結(jié)果對比分析

上述仿真結(jié)果與理論分析相符合，此外，為了說明測試結(jié)果的合理性，對文獻(xiàn)[29]提出的24脈波整流器系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，其交流側(cè)輸入電壓THD仿真值為6.84%，而本文所提36脈波整流器交流側(cè)輸入電壓THD仿真值為4.61%，對比可知，本文提出的基于AIPCs的串聯(lián)型36脈波整流器進(jìn)一步提升了電能質(zhì)量。因?qū)嶒?yàn)時(shí)變壓器及線路等存在漏阻抗且與仿真參數(shù)存在一定差異(例如仿真時(shí)忽略了線路漏阻抗等條件)，對交流側(cè)電氣量具有一定的濾波效果，實(shí)驗(yàn)值將低于仿真結(jié)果(文獻(xiàn)[33]中交流側(cè)輸入電壓的THD值為3.34%)。文獻(xiàn)[32]提出的36脈波整流器交流側(cè)相關(guān)特征電氣量的THD值與本文分析結(jié)果一致，其驗(yàn)證過程也與本部分邏輯性一致，因而本文所提整流器具備良好的諧波抑制效果。

5 整流器適用性分析

本文基于隔離變壓器的12脈波整流器，采用直流側(cè)諧波抑制方法，提出了全無源的36脈波整流器，該系統(tǒng)采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，具有輸出高電壓、高功率、低功耗的特點(diǎn)，適用于HVDC或蓄電池充電等場合。前言部分重點(diǎn)介紹了與遠(yuǎn)海風(fēng)電HVDC應(yīng)用場景，理由為：目前HVDC中換流器采用二極管器件的主要應(yīng)用場合為遠(yuǎn)海風(fēng)電傳輸，且文獻(xiàn)[8-12]給出了海上風(fēng)電HVDC采用12脈波二極管整流器作為前端整流部分的可行性分析，但基于傳統(tǒng)星三角變壓器結(jié)構(gòu)的12脈波整流器電能質(zhì)量無法滿足工程標(biāo)準(zhǔn)，目前關(guān)于多脈波整流器的諧波抑制方法中，直流側(cè)諧波注入法理論已經(jīng)較為成熟，可作為整流系統(tǒng)中交直流側(cè)濾波器的替代方案，國內(nèi)外多位學(xué)者已經(jīng)做了相關(guān)研究，文獻(xiàn)[35-36]已對基于直流側(cè)諧波注入法的多脈波整流器應(yīng)用于HVDC換流站進(jìn)行了分析與驗(yàn)證，因而本文所提低諧波低功耗的36脈波整流器理論上可串接于圖1遠(yuǎn)海風(fēng)電HVDC系統(tǒng)中作為整流部分，具備遠(yuǎn)海風(fēng)電HVDC場合的適用性，但實(shí)際工程應(yīng)用中需要考慮電壓等級以及接地點(diǎn)的設(shè)置問題，例如風(fēng)機(jī)輸出端電壓等級決定了系統(tǒng)接地方式等。

基于以上分析，在此給出一種所提整流器應(yīng)用于HVDC送端時(shí)雙極性接線簡化拓?fù)浞桨?，如圖19所示。

圖19 雙極性HVDC應(yīng)用下整流器拓?fù)涫纠?/p>

6 結(jié)論

針對傳統(tǒng)串聯(lián)型12脈波整流器諧波含量較高的問題，本文提出了一種基于直流回路雙無源諧波注入電路的串聯(lián)型36脈波整流器，分析了無源注入電路諧波抑制原理；考慮二極管損耗，推導(dǎo)了交流側(cè)輸入相電壓的理論表達(dá)式，并以其THD值最小為目標(biāo)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了APICs中注入變壓器的匝比；最后，結(jié)合工程應(yīng)用，總結(jié)了APICs中二極管不同故障時(shí)所提出整流器的容錯(cuò)能力。本文的相關(guān)結(jié)論及展望：

1) 與常規(guī)12脈波整流器以及基于直流側(cè)諧波注入法的24脈波整流器相比，所設(shè)計(jì)的直流側(cè)雙無源諧波注入電路使得整流器輸入相電壓可倍增至36階梯波，更接近正弦波形，波形質(zhì)量顯著改善；同時(shí)，輸入電壓THD理論值由12脈波整流器的15.2%以及24脈波整流器的7.58%降至5.045%，諧波抑制效果明顯。

2) 所提整流器均采用無源器件，對電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)干擾性小，既保留了基于二極管整流器的海上風(fēng)電HVDC技術(shù)的優(yōu)勢，又降低了系統(tǒng)諧波含量，系統(tǒng)魯棒性強(qiáng)。

3) 所提整流器在APICs中二極管故障狀態(tài)下仍具有較好的容錯(cuò)能力，仍能實(shí)現(xiàn)整流功能，交流側(cè)電能質(zhì)量受到一定影響，但理論上可通過增加整流橋個(gè)數(shù)進(jìn)一步提升系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。

4) 所提出的帶雙無源注入電路的串聯(lián)型整流器結(jié)構(gòu)簡單、體積小，易于實(shí)現(xiàn)，可運(yùn)用于大功率海上風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)中HVDC換流器中整流單元。

5) 本文的研究重點(diǎn)為整流器的諧波抑制，故重點(diǎn)介紹了整流器原理及其諧波抑制方式的實(shí)現(xiàn)過程。后期將設(shè)計(jì)相應(yīng)的樣機(jī)對相關(guān)原理分析進(jìn)一步驗(yàn)證；且針對其具體應(yīng)用于遠(yuǎn)海風(fēng)電HVDC的實(shí)現(xiàn)方式(如電壓等級及接地點(diǎn)設(shè)置等)將作為未來的研究重點(diǎn)。

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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?yàn)殡娔苜|(zhì)量管理；E-mail: wangying01@mail.lzjtu.cn

王亞蘭(1995—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娔茏儞Q及諧波抑制。E-mail: 2034144054@qq.com

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51867012，52067013)；教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題項(xiàng)目資助(KFKT2020- 12)；甘肅省自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(21JR7RA280，20JR5RA395)

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

(編輯 周金梅)