多脉波整流技术的发展及其应用

摘要：多脉波整流技术在风力发电系统中具有十分重要的作用，多脉波整流技术的应用，大大降低了PWM整流器的故障率，并且可以有效控制电流谐波含量、二极管不控整流器功率因数、转矩脉动，基于这种情况，本文简介多脉波整流技术的发展，并以风力发电为例，探讨多脉波整流技术的应用，旨在为相关工作提供借鉴。

关键词：多脉波整流技术 风力发电 发展 应用

随着社会的进步，多脉波整流技术的应用越来越广泛，目前世界能源形势日益严峻，全球各国都在探寻绿色能源，在这种情况下，风力发电越来越受到人们的重视，在21世纪的今天，多脉波整流技术的应用已经十分广泛，将其应用到风力发电系统中，具有可靠性高等优势，大大降低了PWM整流器的故障率，并且可以有效控制电流谐波含量、二极管不控整流器功率因数、转矩脉动，为了将多脉波整流技术更好的用于生产实践，学者们纷纷探讨多脉波整流技术的发展和应用，由此可见，本文的研究内容具有现实意义。

1、多脉波整流技术的发展简介

第二次世界大战之后，世界各国的综合国力都不断提升，在发展经济的同时，各国都大力实施科研，各种先进技术相继推出，新中国成立以来，我国的科研也水平不断进步，1988年9月，邓小平提出“科学技术是第一生产力”，这一论断充分体现了马克思主义科学观以及生产力理论，步入21世纪之后，各种先进技术相继用于生产活动，很多国家的研究机构都大力研究多脉波整流技术，例如我国的海军工程大学、美国Texas A&M University 和Rensselaer Polytechnic Institute、日本Tokyo Denki University、韩国Seoul National Polytechnical University、印度Institute of Technology 都在这方面开展大量研究。就目前而言，经过各国科研人员的努力，多脉波整流技术在直流侧谐波抑制方法、MPR优化设计、移相变压器的优化设计、多抽头变换器结构、移相变压器结构等方面，已经较为完善，在以后的发展中，科学技术还会不断进步，多脉波整流技术也势必会更加完备，应用也将更加广泛。

2、多脉波整流技术的应用-以风力发电为例

2.1 三相桥式不控整流

在中小功率的风力发电系统中，具有永磁同步发电机、风力机、变压源型并网逆变器、升压斩波电路，如果使用不控整流电路，发电机输出相的电流波形会呈现出脉冲状，并且其中会存在很多低次谐波，这种情况下，发电机转矩脉动会远远大于PWM整流，机组容易受到损伤。另一方面，发电机功率容量毕竟是有限的，一旦输出电流发生畸变，那么输出电压也势必会产生畸变，最终就会导致输出电压中存在过多的低次谐波。采用多脉波整流技术之后，可以有效解决上述问题，降低整流器设备的故障率，减少使用成本。

2.2 新型12脉波ATRU原理

目前，风力发电系统中普遍采用新型12脉冲自耦变压整流技术，图1即为12脉冲自耦变压整流器的实际结构。

图1：12脉冲自耦变压整流器结构示意图

如图所示，Lsa、Lsb、Lsc均是输入电感，它们可以防止输入电流畸变，进而增强电流正弦度，自耦变压器的磁路如图2所示。

图2：自耦变压器的磁路示意图

如图所示，经过绕组移相后，可以产生2组三相电压，并且它们之间的相位相差30°，2组三相电压首先实施不控整流，之后再经过平衡电抗器，最终与负载并联。正常情况下，输入电压产生 2组三相电压之后，所产生的三相电压会超前于输入电压15°，或者滞后于输入电压15°，设输入电压（Va）的有效值为Vin，超前于输入电压的三相电压（Va’）有效值为Vs，那么即有：

Va’=Va/cos15°=Vin/cos15°

由此可以看出，自耦变压器移相后，不仅会得到三相电压，而且三相电压的幅值要比输入电压的幅值稍微大一些。设长绕组的匝数为Np，短绕组的匝数为Ns，长绕组两端电压有效值为VNp，短绕组两端电压的有效值为VNs，那么即有：

进而可以得出长绕组与短绕组之间的比：

由此可见看出，想要自耦变压器产生的三相电压符合12脉冲整流标准，只要长绕组与短绕组之间的比满足下式即可：

2.3 输出电压

整流桥通过平衡电抗器之后，需要与负载并联，此时整流器相当于串联了2个三相双半波不控整流电路，在这种情况下，二极管导通角会提高到120°，同时通过二极管的电流也会相应降低，一般会降低到无电抗器时的一半，无电抗器时通过二极管的电流为Id，那么此时通过二极管的电流即为Id/2，综上所述，再结合图1和图2，即可得出输出电压：

由此就可以得到整流器各点的理想电压波形，如图3所示。

图3：整流器各点的理想电压波形示意图

输入电压有效值为V1，最终就可以得到整流器输出电压的均值：

2.4 输入电流

ATRU输出电压无法控制，因此在风力发电系统中，往往需要通过以下两种方式来实现并网逆变：

（1）先接入Boost升压电路，再连接电压源型并网逆变器。

（2）直接连接电流源型并网逆变器。

在两种方法中，输入侧均具有较大电感，因此ATRU输出电流具有连续性，加之平衡电抗器的作用，即可保证各个整流桥之间互不干扰，独立运行。

总结：

随着世界能源形势日益严峻，全球各国都在探寻绿色能源，在这种情况下，风力发电越来越受到人们的重视，就目前而言，经过各国科研人员的努力，多脉波整流技术在直流侧谐波抑制方法、MPR优化设计、移相变压器的优化设计、多抽头变换器结构、移相变压器结构等方面，已经较为完善，本文介绍了多脉波整流技术的发展，并以风力发电为例，探讨了多脉波整流技术的应用，希望对相关工作有所帮助，在以后的发展中，科学技术还会不断进步，多脉波整流技术也势必会更加完备，应用也将更加广泛。