同相逆并联结构在孤岛模式下的谐波电流抑制

马永翔，韩 迪，2，郑康霖

（1.陕西理工大学 电气工程学院，汉中723000；2.国网渭南供电公司，渭南714000；3.西安理工大学电气工程学院，西安710048）

在我国的工业生产活动中，大功率整流装置在熔盐电解、食盐水电解、石墨化电炉和直流电弧炉等设备中广泛应用。 上述制备工艺都需要整流装置提供持续、强大、稳定的直流电流，以保持负载恒功率运行[1-2]。 此类生产活动的生产周期可达数周甚至数月，一旦投入生产，任何因素导致的整流装置意外退出，都会造成生产线瘫痪、原料报废，给生产者带来难以估量的经济损失。 整流装置在此类生产环境中被比喻为心脏，它可靠、安全、稳定运行的重要性不言而喻。

大功率整流装置中被广泛使用的三相桥式同相逆并联整流电路是三相桥式电路的衍生结果，其理论基础是以日本FUJI 公司推出的整流变压器为代表的[3]。 其结构是将两组三相桥式整流电路联接，按相反相位组合在一起，同时使变压器二次绕组到整流臂的两组导排平行、近距离布置。 在运行过程中的任一时刻，两组导排上的电流大小相等、方向相反，其产生的交变磁通相互抵消，减少了导排电抗涡流损耗。 这种方法不仅能够解决换相过程中的局部发热、 电抗压降增大和并联元件不均流的问题，同时可以提高整流装置的效率。 该技术于上世纪70年代传入我国，并得到了大力的推广，如今已经作为成熟的技术被广泛应用[4]。

国内外学者对于同相逆并联整流电路的设计、原理、监控、保护和谐波抑制等方面的工作均作了比较深入的研究，但对于孤岛模式下同相逆并联电路的电能质量问题少有研究[5-6]。

硅整流装置是电网中主要的谐波产生源之一，同相逆并联结构中每台变压器设两组三相桥，每组6 脉波，每台向系统输出12 脉波谐波电流，为了防止对电网的侵害，往往在系统中加装谐波抑制装置进行治理。 但是在孤岛模式下，系统容量发生了很大变化，传统的谐波抑制手段、控制策略会给系统带来新的问题，甚至会导致设备绝缘损坏[7]。 本文对这一问题进行探讨，首先分析了同相逆并联的谐波特性，对其在微网环境下可能会导致的设备损坏进行了仿真与分析；讨论了目前常见的几种谐波电流算法，并给出了微网系统的谐波电流控制策略。

1 孤岛模式下同相逆并联的谐波特性

变流装置是电网的主要非正弦受电设备，即使供电电网为理想正弦波，由于整流阀的单向导电特性，正反向电压作用下其电阻值也是截然不同的[8]。因此，整流装置从交流电力系统中取用的电流也是非正弦的。 这种非正弦电流，会根据系统参数、整流装置相数、接线和运行条件的不同而发生很大的畸变。 将这些电流波形进行傅里叶分析可得到基波及一系列不同频率和振幅的谐波电流，但通常不包括直流分量，因此，整流装置是从电力系统中取用谐波电流的受电设备[9]。

谐波电流分布的计算应当遵循以下3 点：

（1）电力系统的任一支路都处于一定的谐波电压作用下，如果该支路承受的任一次谐波电压为Un，该支路谐波电抗为Xzn，则流入该支路的谐波电流Izn为

（2）不包括容性元件的网络中，任一支路的n次谐波电流，只是该次总谐波电流的一部分，数值上不会超过它。 整流装置无论作为谐波电流元或电压源，整流变压器一次电流中都包含了所有各次的总谐波电流。

在忽略支路电阻且没有容性元件的情况下，各支路谐波电流都是纯感性电流，滞后于其相应谐波电压90°，可以看作标量直接相加。 关于整流装置线电流的畸变系数，可以以v 来表述，定义为网测电流中所有谐波的均方根值与基波电流有效值之比：

谐波电压的分布与谐波阻抗成正比。 将整流装置视为电压源，则谐波发电机的端电压En为理想空载电压En0减去回输到电网去的谐波电流In和假想内阻R0上产生的压降，其向量方程式为

因此越接近整流装置谐波越大。

整流装置供电系统中任一点p 的谐波电压，等于在谐波等值回路中通过该点流入系统的谐波电流Ipn乘以该点至电源中性点的每相谐波阻抗，从而p 点的谐波电压为

经典的同相逆并联整流变压器设两组三相桥，每组6 脉波，每台12 脉波，两个桥的三相电压互差180°，如图1 所示，图中左侧桥导电的相序为ab、ac、bc、ba、ca、cb， 右侧桥的导电相序为b′a′、c′a′、c′b′、a′b′、a′c′、b′c′。 同相逆并联最大的特点就是整流系统的导排近距离布置，一般导排尽可能地减少交变磁场对系统的影响。 这样做带来的弊端就是增加了同名相间短路的可能性，在微网系统中，这种故障发生的可能性进一步提高。

图1 同相逆并联整流器模型Fig.1 In-phase anti-parallel rectifier model

2 仿真与分析

在实际工程中，通常将2 台或者更多的整流器组合在一起使用。 利用Simulink 中Transformers block 模块搭建如图2 所示的正反三角与正反星形同相逆并联整流器模型。 该模型利用3 台变压器模块组成一个整流器， 每台变压器代表一个相序，高压侧为35 kV，设置一绕组，低压侧为10 kV，设置二绕组以便于阀侧接线。 每台整流器设置2 组三相桥，每组6 脉波，每台12 脉波，两台整流器采用正反三角和正反星型2 种接线组合获得12 脉波。 系统负荷根据工矿企业实际情况进行设置，电源容量为600 MVA。

图2 正反三角、正反星形变压器模型Fig.2 Positive and negative triangle，positive and negative star transformer model

将其接入如图3 所示的微网电力系统模型当中。 断开开关Switch FC，闭合开关Switch system，运行模型并经过FFT 分析， 可得到图4 所示结果，35 kV 侧A 母线上各次电压谐波含有量统计值。 由图可看出，11、13 次特征谐波含有量分别为5.95%，3.62%，总THD 达到了8.33%。根据国家对电能质量的要求， 标称电压35 kV 侧电压奇次谐波含有率不能超过2.4%，偶次谐波含有率不能超过1.2%，总谐波畸变率不得超过3.0%。 根据国家的标准来看，该系统已严重超标。

谐波电压超标不仅仅会造成额外的损耗、引发保护勿动、击穿设备绝缘，甚至有可能会在多组机组同时投运时产生谐振，造成相间短路，尤其是同相逆并联阀侧逆相同名导排近距离布置的情况下，更容易出现这种严重损害人身与设备的意外。

图3 微网电力系统模型Fig.3 Microgrid power system model

图4 FFT 分析结果Fig.4 FFT analysis results

将正反三角与正反星桥式系统组成的同相逆并联电路绘制成如图5 所示的形式，并假定两同名正反星形逆并相a-a′间绝缘破坏， 则a 及a′相的正、负桥臂任意时刻都处于反电压作用下，均不能导通。 以正极臂组中的1 臂为例：按导电顺序，在ab及ac 导电期间，1 臂本应导通；在另一系统内，相应是b′a′及c′a′，导电期间，3′及5′臂导通。 但由于a、a′间已连通，电位相等，且此时a、a′电位低于b′及c′的电位。 故电压Ua′b′及U 将以反电压的形式加于1臂，使1 臂无法导通。 同样对a、a′相的其它各臂（4、1′、4′臂）也可做出类似分析，从而说明a、a′相连接的4 个整流臂，任一时刻均承受反电压无法参与导电。 显然，直流电压峰值将升至正常状态下的二倍，相应的图中各臂元件所受反峰电压也将升至正常状态下的两倍。 若负载回路不变，当直流电压幅值升高一倍时，负载电流的幅值也将升高一倍。 正常状态下，两个桥式系统并联工作，各负担一半的负载电流，而在这一故障状态下，相当于一个桥式系统供出全部负载电流，因此导电瞬间桥臂流过的电流幅值将达到正常状态下的四倍，过电流情况最为严重。

图5 同相逆并联桥臂击穿示意图Fig.5 Schematic diagram of in-phase anti-parallel bridge arm breakdown

直流空载电压的平均值：

正常状态下的直流空载电压为

即同名相间短路故障时，直流空载电压将升至正常状态的1.82 倍。

3 谐波抑制策略

为了降低击穿故障发生的概率，必须采取谐波电流主动控制。 微网中常采用的无功优化手段包括同步调相机、APF、SVG、LC 无源滤波器等传统方式。 考虑到经济性与实用性，在包含有同相逆并联结构的微网系统中， 采取LC 无源滤波无疑是最为经济与便捷的。

针对仿真中主要的11、13 次特征谐波，设置两组一阶滤波器和一组高通滤波器，如图6 所示。 滤波器的容量选取需要避免与系统发生谐振，一般品质因数设计为0.8 左右。在微网系统中，容性设备的投切，应当避免与发电机形成谐振。

在图3 的仿真中，闭合开关Switch FC，运行模型并经过FFT 分析，可得到图7。由图可看出，11、13次特征谐波分别降低为0.99%，0.82%，总THD 降低至了2.04%。

图6 滤波器配置Fig.6 Configuration of filter

图7 滤波后FFT 分析Fig.7 FFT analysis after filtered

4 结语

本文针对孤岛模式下的同相逆并联结构进行了仿真；指出了由于系统短路容量不同，孤岛模式相较与电网更容易引发整流器故障，并利用Matlab/Simulink 仿真了一种可能会由谐波电压引发的整流器事故；提出了孤岛模式下同相逆并联整流器的抑制手段，对采取转抑制方案后的系统进行了仿真。

与传统电网相比较，同相逆并联结构在孤岛模式下的谐波畸变率偏大，更应当注意对谐波电压的控制。