CN114844373B - 一种适用于hvdc带双辅助无源电路的串联型36脉波整流器 - Google Patents

一种适用于hvdc带双辅助无源电路的串联型36脉波整流器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于HVDC带双辅助无源电路的串联型36脉波整流器，用两个隔离变压器作为移相变压器，结构简单，且提升了系统的电气安全性；本发明采用两个辅助无源谐波注入电路实现了交流侧输入电压由12脉波倍增至36脉波的效果，且辅助电路结构简单，成本较低，具有较高的可靠性和良好的经济性；本发明所采用的输入电感可作为滤波电感，可有效抑制输入电流谐波，使输入电流波形更接近正弦波形，提高了交流侧电能质量；本发明中采用全无源器件，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；直流输出侧两个电容均为大电容，具有稳压作用，整流器输出电压稳态运行时保持恒定。

Description

一种适用于HVDC带双辅助无源电路的串联型36脉波整流器
技术领域
本发明属于电气电力技术领域，具体涉及一种适用于HVDC带双辅助无源电路的串联型36脉波整流器。
背景技术
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，而远距离海上风电场常采用高压直流输电(High Voltage Direct Current, HVDC)技术。传统风电并网方案采用基于可控器件的电压源型换流器作为换流单元，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。基于二极管的多脉波整流器具有导通损耗低、鲁棒性强、维护便捷、占地面积小、经济成本低等优点，当前已有关于以串联型12脉波二极管整流器作为远海风电并网系统换流单元的实例，且已有学者对其应用可行性进行了相关研究，然而传统12脉波整流器存在(12k±1)次谐波，故整流单元的谐波抑制能力提升成为亟待解决的问题。
目前针对多脉波整流器的谐波抑制方式主要有在直流侧及交流侧安装滤波器、直流回注技术以及增加整流桥的个数等方式，其中直流回注技术利用在直流侧增加辅助电路以注入谐波从而调制交流侧输入电气量波形进而实现脉波倍增，所需的附加电路结构简单，成本较低，具有较高的可靠性和良好的经济性。
发明内容
本发明所为了解决背景技术中存在的技术问题，目的在于提供了一种适用于HVDC带双辅助无源电路的串联型36脉波整流器，以提升传统12脉波整流器的谐波抑制能力。
为了解决技术问题，本发明的技术方案是：
一种适用于HVDC带双辅助无源电路的串联型36脉波整流器，包括：输入电感单元1、第一隔离变压器2、第二隔离变压器3、第一全桥整流电路4、第二全桥整流电路5、第一谐波注入电路6、第二谐波注入电路7、第一直流侧电容8、第二直流侧电容9和负载10；
所述输入电感单元1的输入端连接三相交流电源，所述输入电感单元1的输入端连接三相交流电源，所述输入电感单元1的输出端与第一隔离变压器2中原边绕组的三个抽头连接；所述第一隔离变压器2中副边绕组分别与第一全桥整流电路4的输入端连接；第二隔离变压器3中原边绕组的三个抽头分别与第一隔离变压器2中原边绕组的三个抽头相连，第二隔离变压器3中副边绕组分别与第二全桥整流电路5的输入端相连；
所述第一谐波注入电路6包括：第一单相变压器和单相全波整流电路；所述第二谐波注入电路7包括：第二单相变压器和单相桥式整流电路；
所述第一单相变压器中原边绕组的一侧接入第一直流侧电容8和第二直流侧电容9之间，所述第一单相变压器中原边绕组的另一侧与第二单相变压器中原边绕组的一侧串接，所述第一单相变压器中副边绕组的两侧分别与单相全波整流电路的输入端相连接，所述第一单相变压器中副边绕组的中间抽头与第二直流侧电容9的负极相连接；所述单相全波整流电路的输出端与第一全桥整流电路4的正极相连；
所述第二单相变压器中原边绕组的另一侧与第二单相变压器中副边绕组的一侧相连接，第二单相变压器中副边绕组与单相桥式整流电路的输入端相连接；单相桥式整流电路中输出端的正极与第一全桥整流电路4的负极连接，单相桥式整流电路中输出端的负极与第二全桥整流电路5的正极连接；
第一直流侧电容8的正极与第一全桥整流电路4的正极和负载10的正极相连，第一直流侧电容8的负极与第二直流侧电容9的正极连接，电容9的负极与第二全桥整流电路5的负极和负载10的负极相连。
可以理解：本发明采用两个隔离变压器作为移相变压器，结构简单，且提升了系统的电气安全性；本发明采用两个辅助无源谐波注入电路实现了交流侧输入电压由12脉波倍增至36脉波的效果，且辅助电路结构简单，成本较低，具有较高的可靠性和良好的经济性；本发明所采用的输入电感可作为滤波电感，可有效抑制输入电流谐波，使输入电流波形更接近正弦波形，提高了交流侧电能质量；本发明中采用全无源器件，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；本发明直流输出侧两个电容均为大电容，具有稳压作用，整流器输出电压稳态运行时保持恒定。
进一步，所述第一隔离变压器2和第二隔离变压器3采用三相隔离变压器。
进一步，所述第一隔离变压器2的原边绕组采用星形连接，所述第一隔离变压器2的副边绕组采用三角形连接。
进一步，所述第二隔离变压器3的原边绕组采用星形连接，副边绕组采用星形连接。
进一步，所述第一全桥整流电路4和第二全桥整流电路5采用三相全桥整流电路。
进一步，第一直流侧电容8和第二直流侧电容9为两个大小相等的电容。
进一步，所述第一隔离变压器2和第二隔离变压器3组成移相变压器，所述移相变压器的匝比设置为两个原边绕组匝数相等，所述移相变压器的两个副边绕组匝比为
Figure SMS_1
:1的原则设置。
进一步，所述第一单相变压器的匝比为0.1636:1:1，第二单相变压器的匝比为11.0593:1。
进一步，所述输入电感单元1由三个感抗值相等的电感组成。
进一步，所述负载10采用阻性负载或阻感负载。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明采用两个隔离变压器作为移相变压器，结构简单，且提升了系统的电气安全性；本发明采用两个辅助无源谐波注入电路实现了交流侧输入电压由12脉波倍增至36脉波的效果，且辅助电路结构简单，成本较低，具有较高的可靠性和良好的经济性；本发明所采用的输入电感可作为滤波电感，可有效抑制输入电流谐波，使输入电流波形更接近正弦波形，提高了交流侧电能质量；本发明中采用全无源器件，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；本发明直流输出侧两个电容均为大电容，具有稳压作用，整流器输出电压稳态运行时保持恒定。
附图说明
图1是本发明实施例的一种适用于HVDC带双辅助无源电路的串联型36脉波整流器的电路图；
图2是本发明实施例的隔离变压器绕组结构图；
图3是本发明实施例的两个单相变压器绕组结构图；
图4是本发明实施例的谐波注入电路工作模态I的电路图；
图5是本发明实施例的谐波注入电路工作模态II的电路图；
图6是本发明实施例的谐波注入电路工作模态III的电路图；
图7是本发明实施例的谐波注入电路工作模态Ⅳ的电路图；
图8是本发明实施例的双极性HVDC应用下拓扑示例图；
图9是交流侧输入电压u an波形图；
图10是u an波形的傅里叶频谱图。
1-输入电感单元；2-第一隔离变压器；3-第二隔离变压器；4-第一全桥整流电路4；5-第二全桥整流电路；6-第一谐波注入电路；7-第二谐波注入电路；8-第一直流侧电容；9-第二直流侧电容；10-负载。
实施方式
下面结合实施例描述本发明具体实施方式：
需要说明的是，本说明书所示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例
本实施例中第一隔离变压器2为第一三相隔离变压器2；第二隔离变压器3为第二三相隔离变压器3；第一全桥整流电路4为第一三相全桥整流电路4；第二全桥整流电路5采用第二三相全桥整流电路；
请参照图1～图10，本发明实施例的基于直流回路双无源注入电路的串联型36脉波整流器由输入电感单元1、第一三相隔离变压器2、第二三相隔离变压器3、第一三相全桥整流电路4、第二三相全桥整流电路5、第一谐波注入电路6、第二谐波注入电路7、第一直流侧电容8、第二直流侧电容9、负载10组成。
输入电感单元1由三个大小相等的电感组成，由于电感可以抑制高次电流谐波，整流器输入电流中的谐波分量可以忽略，输入电流等效为正弦波，三个输入电感左侧分别与三相交流电源连接，右侧分别与第一隔离变压器原边绕组的三个抽头相连。
第一三相隔离变压器2原边绕组采用星形连接，副边绕组采用三角形连接，原边绕组的三个抽头分别与三个输入电感的右端相连，副边绕组分别与第一三相全桥整流电路的输入端相连。
第二三相隔离变压器3原边绕组采用星形连接，副边绕组采用星形连接，原边绕组的三个抽头分别与第一三相隔离变压器的一侧的三个抽头相连，副边绕组分别与第二三相全桥整流电路的输入端相连。
第一三相全桥整流电路4和第二三相全桥整流电路5串联连接，与两个直流侧电容并联连接，可实现高压输出。
第一谐波注入电路6由一个单相变压器和单相全波整流电路组成，输出侧与负载并联，单相变压器由一个原边绕组和一个带抽头的副边绕组组成，单相变压器原边绕组的一侧与第一直流侧电容和第二直流侧电容的中点连接，另一侧与第二谐波注入电路7中单相变压器的一侧串接，副边绕组的两侧分别与单相全波整流电路的输入端相连接，中间抽头与第二直流侧电容的负极相连接；单相全波整流电路的输出端与第一三相全桥整流电路4的正极相连。
第二谐波注入电路7由一个单相变压器和单相桥式整流电路组成，输出侧与负载串联，单相变压器由一个原边绕组和一个副边绕组组成，单相变压器原边绕组的一侧与第一谐波注入电路6中单相变压器的一侧串接，另一侧与副边绕组的一侧相连接，副边绕组分别与单相桥式整流电路输入端相连接；单相桥式整流电路的输出端正极与第一三相全桥整流电路4的负极相连接，输出端负极与第一三相全桥整流电路5的正极相连接。
第一个直流侧电容8与第二个直流侧电容9串联连接，电容8的正极与第一三相全桥整流电路4的正极和负载10的正极相连，负极与电容9的正极以及第一谐波注入电路6中单相变压器中原边绕组的一侧相连，电容9的负极与第二三相全桥整流电路5的负极以及负载10的负极相连。
本发明实施例的基于直流回路双无源注入电路的串联型36脉波整流器抑制谐波的原理是二次侧移相变压器绕组会感应出两组相角差为30°的三相电压，当其作用于三相整流桥时，整流桥也会输出两组相角差为30°的纹波电流，且两组三相整流桥为串联形式，为使流过整流桥的电流相等，电路工作时整流桥每个时刻都存在补偿电流差的旁路二极管，但由于谐波注入电路的影响，流过辅助无源电路中变压器的注入电流ix与旁路二极管电流共同平衡两组整流桥的电流差且ix为近似为6倍频三角波；第一谐波注入电路6将向直流回路注入谐波电压，第二谐波注入电路7将向直流回路注入谐波电流，两个谐波注入电路共同对三相全桥整流电路输出电压进行调制，从而消除整流器输入电压、电流中的谐波。
本发明采用两个三相二极管整流桥串联，主电路结构简单，占用体积小；直流侧使用了两组辅助无源注入电路，无需额外的控制电路，提升了系统的鲁棒性。
作为一种实施方式，请参照图1，图2和图8，本发明的基于直流回路双无源注入电路的串联型36脉波整流器，隔离变压器2和隔离变压器3分别由3个相同的芯柱组成，每个芯柱上有2个绕组，包括1个原边绕组和1个副边绕组，3个绕组的匝比为N 1:N a=1.732:1，N 2:N a0=1:1；绕组a、a 1 位于同一芯柱上，绕组b、b 1位于同一芯柱上，绕组c、c 1位于同一芯柱上；原边绕组a、b、c构成星形连接，其正端分别与A、B、C点相连；副边绕组a 1、b 1、c 1构成三角形连接，并与第一单相全桥整流电路4相连；绕组a 0、a 2 位于同一芯柱上，绕组b 0、b 2 位于同一芯柱上，绕组c 0、c 2位于同一芯柱上；原边绕组a 0、b 0、c 0构成星形连接，其正端分别与a、b、c点相连；副边绕组a 2、b 2、c 2构成星形连接，并与第二单相全桥整流电路5相连；两个隔离变压器的副边绕组构成星形连接和角形连接，产生两组幅值相等，相位相差30°的三相电压。
作为一种实施方式，请参照图1，图2和图8，本发明的基于直流回路双无源注入电路的串联型36脉波整流器中移相变压器中的隔离变压器3星形绕组的中性点可按照工程设计要求选择是否设置接地点。
作为一种实施方式，请参照图1和图3，本发明的基于直流回路双无源注入电路的串联型36脉波整流器辅助无源电路中使用了两个单相变压器，第一谐波注入电路6中的单相变压器由1个芯柱构成，芯柱上有2个绕组，一个原边绕组和一个带抽头的副边绕组，单相变压器的输入端一侧连接到整流桥的连接点F上（即两组三相全桥整流电路的中点），另一侧与第二谐波注入电路7中单相变压器的一侧串接，副边绕组的两侧分别与单相全波整流电路的输入端相连接，中间抽头与第二直流侧电容的负极相连接；单相全波整流电路的输出端与第一三相全桥整流电路4的正极相连。第二谐波注入电路7中的单相变压器由1个芯柱构成，芯柱上有2个绕组，一个原边绕组和一个副边绕组组成，单相变压器原边绕组的一侧与第一谐波注入电路6中单相变压器的一侧串接，另一侧与副边绕组的一侧相连接，副边绕组分别与单相桥式整流电路输入端相连接；单相桥式整流电路的输出端正极与第一三相全桥整流电路4的负极相连接，输出端负极与第一三相全桥整流电路5的正极相连接。本实施方式所采用的单相变压器容量低，谐波抑制成本低。两个谐波抑制电路工作时，根据变压器的结构和整流桥的导通模态可知 i x 近似为6倍工频的三角波。
作为一种实施方式，如图4所示的工作模态Ⅰ下，当i 1>i 2时，二极管D 1，D 2，D v1导通，D 3，D 4，D v2关断；如图5所示的工作模态Ⅱ下，当i 1>i 2时，二极管D 1，D 2，D 3，D 4，D v1导通，D v2关断；如图6所示的工作模态Ⅲ下，当i 1<i 2时，二极管D 1，D 2，D 3，D 4，D v2导通，D v1关断；如图7所示的工作模态Ⅳ下，当i 1<i 2时，二极管D 3，D 4，D v2导通，D v1关断。
本发明的第一谐波注入电路6为电压谐波注入电路，第二谐波注入电路7为电流谐波注入电路，两个谐波抑制电路在工作时自动调制两个整流桥输出电压，从而实现了交流侧输入电压的脉波倍增，谐波抑制效果良好，且全部采用无源方法，系统可靠性更高，且两个单相注入变压器容量。
作为一种实施方式，请参照图1和图3，本发明的基于直流回路双无源注入电路的串联型36脉波整流器辅助无源电路中使用的两个单相变压器匝比分别为N p1:N v:N v=0.1636:1:1，N p2:N c=11.0593:1。
作为一种实施方式，第一三相全桥整流电路4、第二三相全桥整流电路5均采用不控二极管整流器件，可靠性高。
作为一种实施方式，第一直流侧电容8和第二直流侧电容9为两个大小相等的大电容，整流器输出电压在稳态运行时保持恒定，输出侧电能质量高。
作为一种实施方式，谐波注入电路共使用了6个二极管(即图1中的二极管D 1，D 2，D 3，D 4，D v1，D v2 )，二极管功率损耗低，系统可靠性高。
作为一种实施方式，请参照图8，本发明可应用于双极性高压直流输电场合。
作为一种实施方式，请参照图9和图10，本发明使用直流侧无源谐波抑制方法来抑制整流器输入电压、电流中的谐波，与不使用谐波注入电路的整流器相比，输入电压THD值由12%降低到4%，谐波质量得到明显改善。
上面对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (10)

1.一种适用于HVDC带双辅助无源电路的串联型36脉波整流器，其特征在于，包括：输入电感单元（1）、第一隔离变压器（2）、第二隔离变压器（3）、第一全桥整流电路（4）、第二全桥整流电路（5）、第一谐波注入电路（6）、第二谐波注入电路（7）、第一直流侧电容（8）、第二直流侧电容（9）和负载（10）；
所述输入电感单元（1）的输入端连接三相交流电源，所述输入电感单元（1）的输出端与第一隔离变压器（2）中原边绕组的三个抽头连接；所述第一隔离变压器（2）中副边绕组分别与第一全桥整流电路（4）的输入端连接；第二隔离变压器（3）中原边绕组的三个抽头分别与第一隔离变压器（2）中原边绕组的三个抽头相连，第二隔离变压器（3）中副边绕组分别与第二全桥整流电路（5）的输入端相连；
所述第一谐波注入电路（6）包括：第一单相变压器和单相全波整流电路；所述第二谐波注入电路（7）包括：第二单相变压器和单相桥式整流电路；
所述第一单相变压器中原边绕组的一侧接入第一直流侧电容（8）和第二直流侧电容（9）之间，所述第一单相变压器中原边绕组的另一侧与第二单相变压器中原边绕组的一侧串接，所述第一单相变压器中副边绕组的两侧分别与单相全波整流电路的输入端相连接，所述第一单相变压器中副边绕组的中间抽头与第二直流侧电容（9）的负极相连接；所述单相全波整流电路的输出端与第一全桥整流电路（4）的正极相连；
所述第二单相变压器中原边绕组的另一侧与第二单相变压器中副边绕组的一侧相连接，第二单相变压器中副边绕组与单相桥式整流电路的输入端相连接；单相桥式整流电路中输出端的正极与第一全桥整流电路（4）的负极连接，单相桥式整流电路中输出端的负极与第二全桥整流电路（5）的正极连接；
第一直流侧电容（8）的正极与第一全桥整流电路（4）的正极和负载（10）的正极相连，第一直流侧电容（8）的负极与第二直流侧电容（9）的正极连接，第二直流侧电容（9）的负极与第二全桥整流电路（5）的负极和负载（10）的负极相连。
2.根据权利要求1所述的一种适用于HVDC带双辅助无源电路的串联型36脉波整流器，其特征在于，所述第一隔离变压器（2）和第二隔离变压器（3）采用三相隔离变压器。
3.根据权利要求2所述的一种适用于HVDC带双辅助无源电路的串联型36脉波整流器，其特征在于，所述第一隔离变压器（2）的原边绕组采用星形连接，所述第一隔离变压器（2）的副边绕组采用三角形连接。
4.根据权利要求2所述的一种适用于HVDC带双辅助无源电路的串联型36脉波整流器，其特征在于，所述第二隔离变压器（3）的原边绕组采用星形连接，副边绕组采用星形连接。
5.根据权利要求1所述的一种适用于HVDC带双辅助无源电路的串联型36脉波整流器，其特征在于，所述第一全桥整流电路（4）和第二全桥整流电路（5）采用三相全桥整流电路。
6.根据权利要求1所述的一种适用于HVDC带双辅助无源电路的串联型36脉波整流器，其特征在于，第一直流侧电容（8）和第二直流侧电容（9）为两个大小相等的电容。
7.根据权利要求1所述的一种适用于HVDC带双辅助无源电路的串联型36脉波整流器，其特征在于，所述第一隔离变压器（2）和第二隔离变压器（3）组成移相变压器，所述移相变压器的匝比设置为两个原边绕组匝数相等，所述移相变压器的两个副边绕组匝比为
Figure QLYQS_1
:1的原则设置。
8.根据权利要求1所述的一种适用于HVDC带双辅助无源电路的串联型36脉波整流器，其特征在于，所述第一单相变压器的匝比为0.1636:1:1，第二单相变压器的匝比为11.0593:1。
9.根据权利要求1所述的一种适用于HVDC带双辅助无源电路的串联型36脉波整流器，其特征在于，所述输入电感单元（1）由三个感抗值相等的电感组成。
10.根据权利要求1所述的一种适用于HVDC带双辅助无源电路的串联型36脉波整流器，其特征在于，所述负载（10）采用阻性负载或阻感负载。
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