有源電力濾波器在抑制晶閘管相控整流電源諧波方面的應用

張曉鵬

(河南省電力公司電力科學研究院，河南 鄭州 450000)

1.引言

在進行重離子加速器有關離子實驗過程中，重離子加速器勵磁電源將起著極其重要的作用;這主要是因為勵磁電源對其輸出電能有著相當高的要求，諸如電壓電流輸出紋波、穩定度等，所以很多勵磁電源是應用電力電子裝置實現的;由于大量應用了非線性負載及這些電力電子裝置，致使電網中被大量無功電流和諧波所注入，以至降低了系統效率和帶來了變得更差的系統因數，這就在電網當中不可避免地產生了較為嚴重的諧波污染而對其他用戶帶來了干擾和影響。實踐表明，在進行諧波污染治理時，在重離子加速器勵磁電源上加裝一臺120KVA有源電力濾波器，對于治理諧波污染將起到良好的效果。以下就從重離子加速器勵磁電源的基本工作情況開始進行分析，然后著重闡述有源電力濾波器的主電路工作結構、控制方法及其動態響應等方面內容，旨在為治理諧波污染、還電網一個干凈環境獻計獻策。

2.關于重離子加速器電源基本工作情況的分析

重離子在進行加速所需勵磁電能，就是由該勵磁電源所供給;這個電源實際上是一個相控整流電源，其控制是采用晶閘管，并把三相全控制移相橋控制這個電路應用于該整流裝置，這個裝置以1300A/235V的輸出直流為其設計容量。因為受限制于整流方式，致使在裝置的電網側出現比較嚴重的不容忽視的諧波污染問題。例如，當裝置的額定負荷輸出發生變化時，將是電網電流畸變因數也跟著變化，從而出現一系列次諧波，具體如下表所示:

額定負荷輸出的百分數電網電流畸變因數的百分數諧波主要表現為次諧波75% → 29.7% →次諧波諧波為5次、7次、11次、13次、17次、19次等特征

由此可見，電流中所產生的諧波將對電網中的電壓產生較大影響，致使電網電壓出現相當大的畸變;眾多實踐表明，若出現這種情況，有關電網電壓所出現的畸變因數，通常可到達8.94%左右。所以，當負荷含有如此之大、如此之多的諧波分量，對其進行相應的補償和必要的諧波抑制，就顯得尤為重要和迫切。

3.關于在重離子加速器勵磁電源上所加裝的120KVA有源電力濾波器主電路工作結構及其控制方法的闡述

3.1 關于有源電力濾波器容量問題的解決方案及多重化主電路的優勢。具有補償特性和良好的動態響應速度，這是有源電力濾波器所具有的兩大特點;通常情況下，有源電力濾波器必須具備一定的容量，這主要是基于重離子加速器相控勵磁電源具有比較大輸出功率而考慮的。為此，為把有源電力濾波器有關容量這個問題切實解決好，通常可以選取這種方法來進行解決:第一種方法，為把有關容量和開關這個速度得到有效滿足，在進行串聯和并聯時，其所用器件可以選擇那些具有比較快開關速度、又具有比較小容量的器件;第二種方法，把多臺容量不大、并且相互獨立互不聯系的有源電力濾波器并聯起來并投入使用;第三種方法，把多電平級聯方案應用于主電路、或者以電路的多重化來促使電源濾波器大容量的實現等全新的主電路拓撲。在這三種方法當中，最為有效最為合理的方法當數第三種方法——應用多重化主電路，在當前，這種方法已經引起世界各國研究工作者的興趣和高度重視。相比較于串并聯應用小容量開關器件這種解決方法，多重化主電路除了能讓容量要求得到滿足以外，還可以做到只用一套來對電路進行控制，這顯然可以獲得更高的經濟效益;此外，實現主電路多重化，還可以達到另一個良好的效果，那就是在具體進行控制時，，可以采取有效措施來把整個裝置等效開關頻率大幅度提高起來，從而所得到的補償特性相當良好。

3.2 關于多重化主電路的研制及控制方法。結合以上闡述，在我國有學者以四重化主電路設計并制作了有源電力濾波器，把四組PWM變流器通過并聯方式連接而構成主電路，并把30KVA這個數值確定為每個PMA變流器的容量，這樣就可以確保有源電力濾波器整個裝置的補償容量達到所需的要求——120KVA;在進行電路控制過程中，把基于瞬時無功功率理論這種計算方法用來進行諧波補償電流指令的計算，這樣所獲得的動態相應性能極其良好。為能獲得良好的補償效果，對于這四組PWM變流器來講，在它們獲得控制電路通過計算分配給它們的補償電流指令時，就開始做電流跟蹤控制，在這整個過程中，確保在每一時刻統一協調每組變流器開關，促使在開通時刻，每組變流器彼此在相位上能相差一定的角度，這樣操作就可大大提高整個裝置等效開關的頻率。其控制系統計算電路原理框圖及時鐘脈沖分配示意圖，具體如下圖所示:

Ⅰ 計算電路原理框圖

II 時鐘脈沖分配示意圖

由上圖可知，以控制電路統一分配電流跟蹤控制的時鐘脈沖并在各跟蹤控制模塊上加上一定的時序，可對這四組PWM交流器的補償控制起到協調作用;也就是讓第一組PWM交流器的基準時鐘提早于第二組基準時鐘折合電角度900，再讓第二組PWM交流器的基準時鐘提早于第三組基準時鐘折合電角度900，以下依次類推。

4.關于有源電力濾波器的動態響應的分析

總體來看，影響有源電力濾波器的動態響應速度主要包括兩方面:第一，對諧波補償指令電流進行計算所用的時間;第二，諧波補償電流產生的時間。基于主電路控制的方法，若跟蹤控制是應用PWM電流及具有較合適的主電路參數，則PWM進行控制時的開關頻率將決定所產生諧波補償電流的延遲時間，由于在PWM控制周期下的延遲時間相當小，因而在實際當中可以忽略不計。跟這個相對應，形成諧波補償電流所需時間長短將決定著APF動態響應的主要延遲，有關進行諧波電流檢測所采用的方法將對這方面產生比較大的影響。例如，若應用FFT這種檢測方法，從開始對負載電流進行檢測到諧波電流結果的獲得看，至少也要經過一個工頻周期的時間。

5.結論

通過一系列的實驗，結果表明，在重離子加速器勵磁電源當中加裝120KVA有源電力濾波器，可有效進行諧波補償，對重離子加速器供電電源中的諧波有著明顯的抑制作用，極大地改善了流入電網當中的電流波形，有效降低了電源電流的畸變率，對于治理電網當中的諧波污染這個問題有著很好的效果。

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