劉芳+魏家昊+林智凱

摘 要： 針對(duì)目前電解電鍍等工業(yè)應(yīng)用中快速變化的強(qiáng)非線性負(fù)載產(chǎn)生大量諧波和無功的問題，以混合型有源電力濾波器TAPF的諧波與無功補(bǔ)償技術(shù)為背景，基于雙反星形整流器負(fù)載將傳統(tǒng)的阻抗型補(bǔ)償裝置TSC和并聯(lián)型APF相結(jié)合構(gòu)成TAPF補(bǔ)償系統(tǒng)。由TSC 進(jìn)行大容量無功補(bǔ)償，APF進(jìn)行諧波電流補(bǔ)償，以使系統(tǒng)具有優(yōu)良的諧波與無功補(bǔ)償特性及自適應(yīng)性，提高了電網(wǎng)電能質(zhì)量。仿真結(jié)果表明，該TAPF補(bǔ)償方案對(duì)工業(yè)中應(yīng)用雙反星形整流器負(fù)載所引起的一系列與諧波和無功有關(guān)的電能質(zhì)量問題進(jìn)行了很好的解決。

關(guān)鍵詞： TAPF； 諧波與無功補(bǔ)償； 雙反星形整流器； 工業(yè)應(yīng)用

中圖分類號(hào)： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）14?0137?04

0 引 言

在電解電鍍等工業(yè)應(yīng)用中，經(jīng)常需要低電壓大電流（例如幾十伏，幾千至幾萬安）的直流電源。在這種情況下，可采用帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路，與諸如橋式電路等其他類型電路相比，其最大的優(yōu)點(diǎn)為當(dāng)電路中晶閘管數(shù)目相同時(shí)，雙反星形電路可輸出更大以至成倍的電流，即輸出電流一定時(shí)，需要的晶閘管數(shù)目少。這就簡化了相應(yīng)的控制電路，節(jié)約了工業(yè)經(jīng)濟(jì)成本，所以廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。但是雙反星形整流器在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，其具有的強(qiáng)非線性的特點(diǎn)，相當(dāng)于諧波污染源，給電網(wǎng)注入了大量的諧波及無功，造成了電網(wǎng)電壓波動(dòng)，功率因數(shù)下降等一系列嚴(yán)重影響電能質(zhì)量及電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的問題。

對(duì)此，工業(yè)應(yīng)用中必須采取有效的措施抑制此種負(fù)載產(chǎn)生的大量諧波和無功電流。本文采取將并聯(lián)型APF和TSC相結(jié)合的TAPF補(bǔ)償方案，對(duì)電解電鍍等工業(yè)應(yīng)用中常用的雙反星形整流器負(fù)載產(chǎn)生的諧波和無功進(jìn)行補(bǔ)償。文章對(duì)雙反星形整流器作了介紹，著重分析了TAPF補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)，并對(duì)其補(bǔ)償原理及控制策略進(jìn)行了分析。通過Matlab仿真將TAPF系統(tǒng)與未補(bǔ)償系統(tǒng)以及傳統(tǒng)僅用APF補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比分析，驗(yàn)證了該方案的有效性和可行性。

1 雙反星形整流器

工業(yè)中常用的雙反星形整流器結(jié)構(gòu)拓?fù)淙鐖D1所示。整流變壓器的二次側(cè)每相有2個(gè)匝數(shù)相同、極性相反的繞組，分別接成2組三相半波電路，即a，b，c一組，a′，b′，c′一組。a 與a′繞在同一相鐵心上，圖中“·”表示同名端。同樣b與b′，c與c′都繞在同一相鐵心上，故得名雙反星形電路。為了實(shí)現(xiàn)2組半波整流電路能夠同時(shí)導(dǎo)通使每組各承擔(dān)一半負(fù)載，可接入電感值為Lp的平衡電抗器。因此，與諸如橋式電路等其他電路相比，當(dāng)電路中晶閘管數(shù)目相同時(shí)，雙反星形電路的輸出電流更大，常用于電解電鍍等工業(yè)應(yīng)用中來達(dá)到節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本的目的。

圖1 雙反星形整流器結(jié)構(gòu)拓?fù)?/p>

2 TAPF補(bǔ)償系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理

2.1 TAPF系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析

圖2為TAPF補(bǔ)償系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D。電解電鍍等工業(yè)應(yīng)用中的雙反星形整流器負(fù)載作為諧波污染源產(chǎn)生大量的諧波和無功電流注入電網(wǎng)，采用混合補(bǔ)償?shù)腡APF方案，實(shí)時(shí)檢測(cè)雙反星形整流器負(fù)載產(chǎn)生的諧波和無功，APF補(bǔ)償系統(tǒng)中的諧波電流，并且通過分組投切適當(dāng)容量的電容器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償，通過設(shè)置多組不同容量的電容器進(jìn)行投切，可以實(shí)現(xiàn)更大容量的無功補(bǔ)償。TAPF補(bǔ)償系統(tǒng)中的APF和TSC在運(yùn)行時(shí)可根據(jù)負(fù)載容量的情況進(jìn)行合理的容量搭配。

圖2 TAPF補(bǔ)償系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

APF補(bǔ)償環(huán)節(jié)由主電路、指令電流運(yùn)算電路、電流跟蹤控電路、驅(qū)動(dòng)電路這4個(gè)基本電路組成[1]。其工作過程為：首先由指令電流運(yùn)算電路檢測(cè)出雙反星形整流器在工作時(shí)輸出電流中所包含的諧波和無功成分，得出要補(bǔ)償?shù)碾娏髦噶钚盘?hào)作為電流跟蹤控制電路的輸入，然后由電流跟蹤控制電路輸出控制信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大去控制主電路中可控器件的門極打開或關(guān)斷，使主電路輸出補(bǔ)償電流。此補(bǔ)償電流與雙反星形整流器負(fù)載產(chǎn)生的諧波與無功電流幅值相等，相位差180°，這樣就能抑制與補(bǔ)償電網(wǎng)電流中大量的諧波與無功成分。

諧波含量及無功成分通常用總諧波畸變率（Total Harmonics Distortion，THD）以及功率因數(shù)（Power Factor，PF）衡量，其表達(dá)式分別為：

[THD=I22+I23+...+I2nI1] （1）

[PF=UI1cos?1UIrms=I1cos?1I21+I22+...+I2n] （2）

由式（1） 和式（2）可得電網(wǎng)功率因數(shù)與總諧波畸變率的關(guān)系為：

[PF=cos?11+THD2] （3）

由式（3）可以看出THD值越小，即電網(wǎng)諧波含量越低，其功率因數(shù)就越高。

APF主電路是三相電壓型PWM變流器，采用可控電力電子器件作為變流器的開關(guān)。有一個(gè)小容量的高通濾波器與APF并聯(lián)，該高通濾波器用于濾除APF所產(chǎn)生的補(bǔ)償電流中開關(guān)頻率附近的諧波，從而達(dá)到消除系統(tǒng)中高次諧波的目的，提高系統(tǒng)電壓質(zhì)量。其中濾波電容的表達(dá)式為：

[Cmin=1ω1U1i=knIω（ni）ni] （4）

式中：ω1為電網(wǎng)電壓的基波角頻率；U1為無畸變電網(wǎng)電壓電壓值；Ni為高通濾波器濾除的電流的次數(shù)；Iω（ni）為濾除高次諧波的無功電流。

為減小投資成本，濾波電容C的容量應(yīng)盡可能小。通過確定截止頻率f0即可算出高通濾波器中電阻R值：

[R=12πf0C] （5）

濾波電感的表達(dá)式為：

[L=mR2C] （6）

式中m為濾波器調(diào)諧曲線的形狀系數(shù)，為了保證該高通濾波器品質(zhì)因數(shù)較高，濾波性能優(yōu)良，可取m=2。TSC補(bǔ)償環(huán)節(jié)由主電路、無功檢測(cè)電路、參數(shù)運(yùn)算電路、投切控制電路、觸發(fā)電路這5個(gè)基本電路組成。TSC的主電路中電容器為三角形聯(lián)接方式，每相由一個(gè)進(jìn)行無功功率補(bǔ)償?shù)碾娙萜?，一?duì)反并聯(lián)的控制電容器投入或切除的晶閘管和一個(gè)抑制沖擊電流的小電感組成。通過控制主電路中可控電力電子器件的門極來實(shí)現(xiàn)電容器組的并網(wǎng)投切，從而實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償。三角形連接的電容器組的容量為：

[Qc=3U2Ic×10-3=3U2?U2ω1C×10-3 =6πf1CU22×10-3] （7）

式中：U2為裝設(shè)地點(diǎn)電網(wǎng)線電壓，單位：V；IC為電容器組的線電流，單位：A；C為每相電容器組的電容量，單位：F。

2.2 TAPF控制策略的設(shè)計(jì)

TAPF方案的補(bǔ)償性能跟APF環(huán)節(jié)的指令電流運(yùn)算電路息息相關(guān)，指令電流運(yùn)算電路能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)出電網(wǎng)電流中變化的諧波和無功成分才能為實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的補(bǔ)償性能奠定基礎(chǔ)。在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，三相電網(wǎng)電壓不對(duì)稱且會(huì)發(fā)生畸變，為精確檢測(cè)出雙反星形整流器產(chǎn)生的諧波和無功電流，本文采用基于d?q變換的瞬時(shí)檢測(cè)電流的方法[2?4]。此外還要求電流跟蹤控制電路具有對(duì)電網(wǎng)電流的實(shí)時(shí)跟蹤能力，對(duì)比現(xiàn)代和智能控制策略，從應(yīng)用范圍與難易程度來看，經(jīng)典控制策略——滯環(huán)比較法和三角波比較法應(yīng)用廣泛、簡單可靠[5?6]。本文采用濾波效果好且較簡單的滯環(huán)比較控制策略，通過確定合適的滯環(huán)環(huán)寬來對(duì)APF主電路產(chǎn)生的補(bǔ)償電流進(jìn)行跟蹤控制。TAPF補(bǔ)償方案中TSC的投切控制策略主要有：功率因數(shù)控制、無功功率控制、電壓控制和復(fù)合式控制方式[7?9]。本文采用無功功率控制法來控制電容器組并網(wǎng)投切，方法簡單可靠，易于實(shí)現(xiàn)。

3 仿真及結(jié)果分析

建立TAPF系統(tǒng)的Matlab仿真模型，如圖3所示。

圖3 TAPF系統(tǒng)總體仿真模型

系統(tǒng)的總體仿真模型由4部分構(gòu)成：三相正序交流電源模塊、雙反星形整流器模塊、APF模塊、TSC模塊。其中雙反星形整流器模塊作為電路的諧波源和無功源，它產(chǎn)生諧波并消耗無功功率。本文在三相220 V供電系統(tǒng)下，根據(jù)公式的計(jì)算以及綜合實(shí)際情況，仿真參數(shù)取APF交流側(cè)平波電抗器的值為450 μH，直流側(cè)電壓Udc=750 V，APF輸出高通濾波器截止頻率取3.6 kHz，電容器C=22 μF，R=2 Ω，L=178 μH。TSC每組電容器的補(bǔ)償容量為4.5 kvar，電容器組的C=49.15 μF。裝設(shè)地點(diǎn)電網(wǎng)線電壓[U2=1803]V，仿真算法選取 ode23tb。由于系統(tǒng)采用的雙反星形整流器是三相對(duì)稱負(fù)荷，所以A、B、C 三相的波形相同，只是相位不同，為了研究的方便，這里只給出A相的仿真結(jié)果。

3.1 未補(bǔ)償系統(tǒng)的仿真結(jié)果

基于雙反星形整流器負(fù)載未補(bǔ)償系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 未補(bǔ)償時(shí)負(fù)載電流波形及其THD分析

未進(jìn)行諧波抑制和無功補(bǔ)償時(shí)，雙反星形整流器產(chǎn)生的負(fù)載電流經(jīng)powergui的FFT分析，可知其THD值達(dá)到45.90%，諧波電流含量較大，功率因數(shù)較低。

3.2 APF單獨(dú)補(bǔ)償系統(tǒng)的仿真

APF單獨(dú)補(bǔ)償之后的仿真結(jié)果如圖5所示。從圖5（a）中可以看出電網(wǎng)電流已基本呈正弦形狀。由圖5（b）可知電網(wǎng)電流的THD值已達(dá)到3.19%，與未加APF之前THD=45.90%相比，諧波含量大大減少，說明APF確實(shí)有效地抑制了系統(tǒng)的諧波。但是，仔細(xì)觀察圖5可以發(fā)現(xiàn)APF單獨(dú)作用時(shí)電網(wǎng)電流ias和電網(wǎng)電壓uas之間存在的一定的相位差，說明此時(shí)系統(tǒng)存在無功功率的消耗。為了降低工業(yè)成本，減小APF的容量，其單獨(dú)投入APF的仿真中并未過多補(bǔ)償系統(tǒng)無功，此時(shí)系統(tǒng)仍然存在大量無功功率的消耗。由圖5（c）看出A相無功功率Qa幅值比有功功率Pa幅值還大，說明此時(shí)的功率因數(shù)很低，從圖5（d）中可以更直觀地看出APF單獨(dú)作用時(shí)系統(tǒng)功率因數(shù)較低。

綜上分析可知，APF單獨(dú)作用時(shí)可以有效地抑制電路的諧波損耗，但是，此時(shí)電路的無功損耗仍然較大，故需采取TAPF綜合補(bǔ)償方案對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。

3.3 TAPF補(bǔ)償系統(tǒng)仿真結(jié)果的分析

采用APF和TSC同時(shí)投入的TAPF綜合補(bǔ)償方案的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖5 APF單獨(dú)補(bǔ)償?shù)姆抡娼Y(jié)果

由圖6的仿真結(jié)果可知，TAPF的投入，基本上使電網(wǎng)電流相位與電網(wǎng)電壓同步，補(bǔ)償了電路的無功損耗，如圖6（a）所示。

TSC投入之后，從圖6（c）～圖6（d）可看出無功功率Qa基本上已經(jīng)趨于0 var，功率因數(shù)基本上趨于1，達(dá)到了無功補(bǔ)償?shù)哪康?。眾所周知，投入TSC之后將會(huì)給電網(wǎng)帶來部分的諧波，觀察圖6（b）所示該電路的電網(wǎng)電流THD值，可以發(fā)現(xiàn)其為4.80%，與APF單獨(dú)補(bǔ)償時(shí)的THD值3.19%相比有所提高，但是與未補(bǔ)償系統(tǒng)的THD值45.90%相比，諧波含量已經(jīng)大大減小，處于可以接受的范圍之內(nèi)。

綜上分析可知，采取由并聯(lián)型APF和TSC相結(jié)合的TAPF綜合補(bǔ)償方案，可以有效地濾除工業(yè)應(yīng)用中雙星形整流器負(fù)載產(chǎn)生的各次諧波，并對(duì)其進(jìn)行有效的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償。

圖6 采用TAPF綜合補(bǔ)償方案的仿真結(jié)果

4 結(jié) 語

本文以電解電鍍工業(yè)中的雙反星形整流器作為負(fù)載，采用并聯(lián)型APF和TSC組成的TAPF綜合補(bǔ)償方案對(duì)其補(bǔ)償。從補(bǔ)償效果分析，可知TAPF補(bǔ)償系統(tǒng)具有APF良好的諧波補(bǔ)償性能和TSC易于補(bǔ)償大容量無功的特點(diǎn)。綜合了有源與無源補(bǔ)償?shù)拈L處，既提高電網(wǎng)功率因數(shù)，改善電網(wǎng)電能質(zhì)量，又有效地降低僅用APF補(bǔ)償時(shí)所需要的高經(jīng)濟(jì)成本，對(duì)于工業(yè)應(yīng)用具有十分廣闊的前景。

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