有源電力濾波器在大功率變頻器供電電網(wǎng)中的應(yīng)用

0 引言
近年來，由于變頻調(diào)速和節(jié)能的需要，變頻器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力、機(jī)械、工業(yè)、生活等各個(gè)領(lǐng)域。由于變頻器中要進(jìn)行大功率二極管整流、大功率IGBT逆變，結(jié)果是在輸入輸出電路產(chǎn)生電流高次諧波，干擾供電系統(tǒng)、負(fù)載及其它鄰近電氣設(shè)備。隨著大功率變頻器的大量使用，其產(chǎn)生的諧波污染問題也日益嚴(yán)重。
1 變頻器諧波的產(chǎn)生機(jī)理及危害
要探討變頻器的諧波產(chǎn)生機(jī)理，首先要了解變頻器的工作原理，從結(jié)構(gòu)上，變頻器有間接變頻器和直接變頻器之分。間接變頻器將工頻電流通過整流器變成直流，然后再經(jīng)過逆變器將直流變換成可控頻率的交流。而直接變頻器是將工頻電流直接變換成可控頻率的交流，沒有中間的直流環(huán)節(jié)。直接變頻器的每相都是一個(gè)兩組晶閘管整流裝置反并聯(lián)的可逆電路。正反兩組按一定周期相互切換，在負(fù)荷上就獲得了交變輸出的電壓Uo，Uo 的幅值決定于各整流裝置的整流相數(shù)和移相角。

目前應(yīng)用較多的還是間接變頻器。間接變頻器有3 種不同的結(jié)構(gòu)方式：
（1）用可控整流器變壓，用逆變器變頻，調(diào)壓和調(diào)頻分別是在兩個(gè)環(huán)節(jié)上進(jìn)行，兩者要在控制電路上協(xié)調(diào)配合；
（2）用不控整流器整流斬波器變壓，用逆變器變頻，這種變頻器整流環(huán)節(jié)用斬波器，用脈寬調(diào)壓；
（3）用不控整流器整流，用PWM逆變器變頻，這種變頻器采用可控關(guān)斷的全控型器件（如IGBT等），輸出波形才會(huì)非常逼近正弦波。通常變頻器的主電路都選用圖1 所示交-直-交形式，它包括整流AC/DC 輸入和逆變DC/AC 輸出兩部分。
1.1 輸入部分
在三相橋式整流電路中，由非線性二極管組成的三相橋式整流橋及其二極管參數(shù)的離散會(huì)引起電壓主波形為正弦波，而電流波形為矩形波，波形可以按傅立葉級(jí)數(shù)分解為基波和各次諧波，通常含有5次、7 次、11 次、13 次等高次諧波。
1.2 輸出部分
大部分變頻器采用PWM 或SPWM 調(diào)制的交直流變頻方式，線電壓是正弦脈寬、幅值相等的窄矩形波，其等效后是連續(xù)的矩形波，而三相的相電壓是階梯波，因此，電壓是非線性的，電流接近正
弦但也含有豐富的諧波。輸出表達(dá)式為

式中：uo為變頻器輸出電壓；
ud為變頻器直流側(cè)電壓；
琢為調(diào)制度（0臆琢臆1）；
棕r 為調(diào)制信號(hào)角頻率；
漬為正弦調(diào)制波的初相角；
棕r為載波信號(hào)角頻率；
n 為變頻器輸出諧波次數(shù)。
式（1）中第一項(xiàng)為輸出波形中的基波分量，即調(diào)制時(shí)所要求的正弦波；第二項(xiàng)是輸出波形中的諧波分量。
變頻器的電源系統(tǒng)和電力設(shè)備輸出的高壓母線相連接，在這條線路上同時(shí)還存在著電容器、發(fā)電機(jī)、變壓器、電動(dòng)機(jī)等負(fù)載，變頻器產(chǎn)生的高次諧波電流將按各自的阻抗分流到電源系統(tǒng)和并聯(lián)的負(fù)載上，對(duì)相關(guān)電氣設(shè)備造成不同程度的影響。
2 諧波的治理
變頻器給人們帶來極大的方便、高效率和巨大的經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，對(duì)電網(wǎng)注入了大量的諧波，使供電質(zhì)量不斷惡化。另一方面，隨著以計(jì)算機(jī)為代表的大量敏感設(shè)備的普及應(yīng)用，人們對(duì)公用電網(wǎng)的供電質(zhì)量要求越來越高。目前諧波與電磁干擾、功率因數(shù)降低已并列為電力系統(tǒng)的三大公害。
因而消除變頻器產(chǎn)生的高次諧波對(duì)改善供電質(zhì)量和確保電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著非常積極的意義。
要對(duì)變頻器產(chǎn)生的諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償或抑制，通常有兩種方案：
（1）裝設(shè)補(bǔ)償裝置；
（2）對(duì)接入電網(wǎng)的變頻器進(jìn)行改造以符合相關(guān)規(guī)定。
對(duì)已有的變頻器進(jìn)行改造，成本較高，而采用補(bǔ)償裝置進(jìn)行補(bǔ)償則更為合理。裝設(shè)諧波補(bǔ)償裝置的傳統(tǒng)方法就是采用LC
調(diào)協(xié)濾波器。這種方法既可補(bǔ)償諧波，又可補(bǔ)償無功功率，而且結(jié)構(gòu)簡單，一直被廣泛使用。但是，也存在明顯的缺點(diǎn)，就是補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)影響，容易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大，使LC濾波器過載甚至燒毀。此外，它只能補(bǔ)
償固定頻率的諧波，補(bǔ)償效果也不理想。有源電力濾波器是一種用于快速動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置，它能對(duì)大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進(jìn)行補(bǔ)償，其應(yīng)用可克服無源濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無功功率補(bǔ)償方法的缺點(diǎn)，獲得比無源濾波器更好的補(bǔ)償特性，是一種理想的補(bǔ)償諧波裝置。有源電力濾波器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，主要有指令電流運(yùn)算電路、電流跟蹤控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和主電路四個(gè)部分組成。

畸變率高于62豫，5 次電流電流達(dá)到48.4A；變壓器低壓出線畸變也達(dá)15%，非常有必要進(jìn)行諧波治理。
在上述測試的兩個(gè)諧波測