高壓變頻器的諧波研究與分析

變壓器耦合輸出型逆變器的輸出波形可等效為7電平線電壓PWM波,優于普通二電平變頻器,dv/dt也較低,只含有非常小的低次諧波,THD值也很低,但高次諧波仍然存在,如23、25次諧波等,這主要是由于每個獨立的逆變器采用PWM調制而造成的,采用更好的調制策略或增加一個小容量的低通濾波器可以解決這一問題。

4.2 多電平逆變器

日本長岡科技大學的A.Nabae等人于1980提出三電平逆變器，也稱中點箝位式(Neutral point clamped:NPC)逆變器。經過多年的研究，出現了兩種主要的拓撲結構:二極管箝位式;飛跨電容式。二極管箝位式拓撲如圖6。

圖6 三電平逆變器拓撲 來源:輸配電設備網

與傳統的二電平拓撲結構相比較，中點箝位式三電平逆變器更適合于中高壓變頻裝置高電壓、大容量的特點，特殊的拓撲使得器件具有2倍的正向阻斷電壓能力，其多層階梯形輸出電壓，理論上可通過增加級數而使輸出電壓波形接近正弦，減少諧波，在同樣輸出性能指標下，三電平的開關頻率將是二電平的1/5，從而使系統損耗小。隨著電平數增加，每個電平幅值相對降低，dv/dt變小，主電路電流含有的脈動成分減小，轉矩脈動和電磁噪聲都得到有效的抑制。

雖然三電平變頻器結構簡單,能夠實現四象限運行,但是因目前器件耐壓水平的限制,只能達到4.16kV等中高壓情況，若要輸出更高的電壓須采用器件串聯方法，但會帶來均壓等問題。

圖7、8為三電平逆變器輸出電壓、電流波形及其頻譜。

圖7 線電壓波形及其頻譜

圖8 交流側電流波形及其頻譜 請登陸:輸配電設備網 瀏覽更多信息

4.3 多重化逆變器

單元級聯多重化結構是對多重化技術的推廣和應用，是多重化變頻器的一種。如圖9所示，單元級聯多重化變頻器采用若干個低壓PWM變頻功率單元串聯的方式實現直接高壓輸出，電平數的增加有效的抑制了輸出諧波。由于每個功率單元模塊中除了含有逆變輸出結構外，同時含有整流功能，從而相應的實現了整流部分的多重化，使得變頻器輸入、輸出諧波抑制同步完成。其諧波抑制原理與普通多重化相似，也是利用相移技術，使每個功率模塊的某些次輸出諧波相互錯開一定的角度而被消除。

圖9 單元串聯多重化變頻器 請登陸:輸配電設備網 瀏覽更多信息

雖然是串聯結構，但由于直流側采用相互分離的直流電源，不存在電壓平衡問題。無需二極管和電容的限制，串聯型結構電平數可較大。一般二極管、電容箝位式限于7或9電平,而串聯型結構卻無此限制。由于每一級逆變橋構造相同,給模塊化設計和制造帶來方便。

但由于使用的功率單元及功率器件數量太多，以每相三單元串聯為例，6kV系統要使用90只功率器件(54只二極管，36只IGBT)，裝置的體積太大，安裝位置成問題。

該拓撲在Matlab中的仿真波形及其頻譜如圖10、11所示。

圖10 單元級聯多重化輸出電壓及其頻譜

圖11 單元級聯多重化輸出電流及其頻譜 來源:輸配電設備網