直流侧电压谐波注入法，可有效抑制串联型24脉波整流器谐波
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联合主办
中国电工技术学会
北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室
联合承办
中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会
国家高速列车技术创新中心
《电气技术》杂志社
会议日期/地点
2019年10月25-27日/山东青岛
哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院的研究人员孟凡刚、王琳、高蕾、孙正鼐、杨世彦，在2019年第6期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“基于直流侧无源电压谐波注入法的串联型24脉波整流器”），为抑制串联型多脉波整流器的输入电流谐波，提出一种直流侧电压谐波注入法。
该方法通过谐波注入电路产生6倍电网电压频率的电压谐波，并通过谐波注入变压器注入串联型多脉波整流器的直流侧，使整流器输入电流的波形近似为正弦；借助开关函数法，分析移相变压器输入电压24阶梯波的形成过程；从移相变压器输入电压总谐波畸变率（THD）值最小角度出发，设计注入变压器的最佳匝比。
仿真和实验结果表明，使用谐波注入电路后，整流器的输入功率因数由97.43%提高到98.94%，电能质量得到明显提高；移相变压器的输入电压由12阶梯波变为24阶梯波，其THD值由9.74%降到3.34%，输入电流THD值由7.62%降到2.65%，整流器的谐波抑制性能得到显著提升。
在大功率整流技术中，不控型多脉波整流器以其结构简单、实现难度低、系统鲁棒性强等优点得到了广泛的应用。但是由于整流二极管的强非线性，不控型多脉波整流器的谐波污染问题比较突出。因此，如何提高多脉波整流器的谐波抑制能力，成为电力电子技术的重要研究课题。
12脉波整流器是大功率场合常用的多脉波整流器。按照整流桥的连接形式，12脉波整流器分为并联型和串联型两大类。并联型12脉波整流器存在电流不平衡的问题。自耦变压器虽然能在一定程度上改善电流不平衡的问题，但其绕组结构复杂，且交、直流侧不存在隔离，应用场合受到很大的限制。
串联型12脉波整流器的两组三相整流桥串联连接，输出电压加倍，常应用于需要高压的大功率整流场合。串联型12脉波整流器解决了并联型12脉波整流器中电流不平衡的问题，但整流器自身仍将产生12k ±1次谐波。
在多脉波整流器中，整流脉波数决定着系统的谐波抑制能力。为了获得尽可能高的整流脉波数，传统方法是增加移相变压器的输出相数，但这会增加移相变压器的设计复杂度，加大制造难度。另一种方法是在多脉波整流器的直流侧使用有源或无源谐波抑制方法。
文献[17]提出了一种采用单相PWM逆变器的12脉波整流器，逆变器输出一个幅值可调的方波，用于改善输入电流的相位滞后问题并减小其THD值，但逆变器的控制电路较为复杂，且有4个开关管，开关损耗较大。文献[3]提出了一种采用电流谐波注入法的12脉波整流器，通过单相变压器和单相全桥整流电路产生电流谐波，在交流侧形成24阶梯电压，但其所用移相变压器是非隔离的，应用场合受到很大限制。
针对使用隔离变压器的串联型12脉波整流器，提出了一种直流侧电压谐波注入法，该方法通过谐波注入电路向整流器注入6倍电网电压频率的电压谐波；当注入变压器的匝比满足一定条件时，可使隔离变压器输入电压由12阶梯波变为24阶梯波，大幅度减小整流器输入电流的谐波含量，提高整流器的输入功率因数。
实验结果表明，使用谐波注入电路后，输入功率因数约为98.94%，隔离变压器输入电压总谐波畸变率（Total Harmonic Distortion, THD）值约为3.34%，输入电流THD值约为2.65%，电能质量得到明显提高，谐波抑制性能显著。
图1 采用直流侧无源电压谐波注入法的串联型24脉波整流器
针对串联型12脉波整流器，本文提出了一种直流侧电压谐波注入方法，有效降低了整流器的输入电流谐波。该方法的实现电路包括二次侧带中心抽头的注入变压器和单相全波整流电路；仿真和实验结果表明，当注入变压器的匝比为56时，整流器的输入功率因数由97.43%提高到98.94%，减小了无功电流对电网的污染，电能质量得到明显提高；隔离变压器输入电压由12阶梯波变为24阶梯波，其THD值由9.74%降到3.34%；输入电流的波形近似正弦化，其THD值由7.62%降到2.65%，整流器的谐波抑制性能得到显著提高；注入变压器的容量仅占负载功率的2.3%，谐波抑制代价较小。
综上，基于直流侧电压谐波注入法的串联型24脉波整流器结构简单、易于实现、谐波抑制效果显著，在高压场合具有较好的应用价值。