基于雙反星形整流器負載的TAPF補償方案研究

劉芳+魏家昊+林智凱

摘 要： 針對目前電解電鍍等工業(yè)應用中快速變化的強非線性負載產生大量諧波和無功的問題，以混合型有源電力濾波器TAPF的諧波與無功補償技術為背景，基于雙反星形整流器負載將傳統(tǒng)的阻抗型補償裝置TSC和并聯型APF相結合構成TAPF補償系統(tǒng)。由TSC 進行大容量無功補償，APF進行諧波電流補償，以使系統(tǒng)具有優(yōu)良的諧波與無功補償特性及自適應性，提高了電網電能質量。仿真結果表明，該TAPF補償方案對工業(yè)中應用雙反星形整流器負載所引起的一系列與諧波和無功有關的電能質量問題進行了很好的解決。

關鍵詞： TAPF； 諧波與無功補償； 雙反星形整流器； 工業(yè)應用

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）14?0137?04

0 引 言

在電解電鍍等工業(yè)應用中，經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)點為當電路中晶閘管數目相同時，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，需要的晶閘管數目少。這就簡化了相應的控制電路，節(jié)約了工業(yè)經濟成本，所以廣泛應用于工業(yè)生產中。但是雙反星形整流器在并網運行時，其具有的強非線性的特點，相當于諧波污染源，給電網注入了大量的諧波及無功，造成了電網電壓波動，功率因數下降等一系列嚴重影響電能質量及電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的問題。

對此，工業(yè)應用中必須采取有效的措施抑制此種負載產生的大量諧波和無功電流。本文采取將并聯型APF和TSC相結合的TAPF補償方案，對電解電鍍等工業(yè)應用中常用的雙反星形整流器負載產生的諧波和無功進行補償。文章對雙反星形整流器作了介紹，著重分析了TAPF補償裝置的結構，并對其補償原理及控制策略進行了分析。通過Matlab仿真將TAPF系統(tǒng)與未補償系統(tǒng)以及傳統(tǒng)僅用APF補償的系統(tǒng)進行了對比分析，驗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構拓撲如圖1所示。整流變壓器的二次側每相有2個匝數相同、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。為了實現2組半波整流電路能夠同時導通使每組各承擔一半負載，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，當電路中晶閘管數目相同時，雙反星形電路的輸出電流更大，常用于電解電鍍等工業(yè)應用中來達到節(jié)約經濟成本的目的。

圖1 雙反星形整流器結構拓撲

2 TAPF補償系統(tǒng)的結構與原理

2.1 TAPF系統(tǒng)的結構分析

圖2為TAPF補償系統(tǒng)的結構拓撲圖。電解電鍍等工業(yè)應用中的雙反星形整流器負載作為諧波污染源產生大量的諧波和無功電流注入電網，采用混合補償的TAPF方案，實時檢測雙反星形整流器負載產生的諧波和無功，APF補償系統(tǒng)中的諧波電流，并且通過分組投切適當容量的電容器對系統(tǒng)進行無功補償，通過設置多組不同容量的電容器進行投切，可以實現更大容量的無功補償。TAPF補償系統(tǒng)中的APF和TSC在運行時可根據負載容量的情況進行合理的容量搭配。

圖2 TAPF補償系統(tǒng)的結構拓撲圖

APF補償環(huán)節(jié)由主電路、指令電流運算電路、電流跟蹤控電路、驅動電路這4個基本電路組成[1]。其工作過程為：首先由指令電流運算電路檢測出雙反星形整流器在工作時輸出電流中所包含的諧波和無功成分，得出要補償的電流指令信號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，該信號經驅動電路放大去控制主電路中可控器件的門極打開或關斷，使主電路輸出補償電流。此補償電流與雙反星形整流器負載產生的諧波與無功電流幅值相等，相位差180°，這樣就能抑制與補償電網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（Power Factor，PF）衡量，其表達式分別為：

[THD=I22+I23+...+I2nI1] （1）

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

由式（1） 和式（2）可得電網功率因數與總諧波畸變率的關系為：

[PF=cos?11+THD2] （3）

由式（3）可以看出THD值越小，即電網諧波含量越低，其功率因數就越高。

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。有一個小容量的高通濾波器與APF并聯，該高通濾波器用于濾除APF所產生的補償電流中開關頻率附近的諧波，從而達到消除系統(tǒng)中高次諧波的目的，提高系統(tǒng)電壓質量。其中濾波電容的表達式為：

[Cmin=1ω1U1i=knIω（ni）ni] （4）

式中：ω1為電網電壓的基波角頻率；U1為無畸變電網電壓電壓值；Ni為高通濾波器濾除的電流的次數；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）

濾波電感的表達式為：

[L=mR2C] （6）

式中m為濾波器調諧曲線的形狀系數，為了保證該高通濾波器品質因數較高，濾波性能優(yōu)良，可取m=2。TSC補償環(huán)節(jié)由主電路、無功檢測電路、參數運算電路、投切控制電路、觸發(fā)電路這5個基本電路組成。TSC的主電路中電容器為三角形聯接方式，每相由一個進行無功功率補償的電容器，一對反并聯的控制電容器投入或切除的晶閘管和一個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現電容器組的并網投切，從而實現無功補償。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為裝設地點電網線電壓，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控制策略的設計

TAPF方案的補償性能跟APF環(huán)節(jié)的指令電流運算電路息息相關，指令電流運算電路能實時、準確地檢測出電網電流中變化的諧波和無功成分才能為實現優(yōu)良的補償性能奠定基礎。在實際工業(yè)應用中，三相電網電壓不對稱且會發(fā)生畸變，為精確檢測出雙反星形整流器產生的諧波和無功電流，本文采用基于d?q變換的瞬時檢測電流的方法[2?4]。此外還要求電流跟蹤控制電路具有對電網電流的實時跟蹤能力，對比現代和智能控制策略，從應用范圍與難易程度來看，經典控制策略——滯環(huán)比較法和三角波比較法應用廣泛、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APF主電路產生的補償電流進行跟蹤控制。TAPF補償方案中TSC的投切控制策略主要有：功率因數控制、無功功率控制、電壓控制和復合式控制方式[7?9]。本文采用無功功率控制法來控制電容器組并網投切，方法簡單可靠，易于實現。

3 仿真及結果分析

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，根據公式的計算以及綜合實際情況，仿真參數取APF交流側平波電抗器的值為450 μH，直流側電壓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每組電容器的補償容量為4.5 kvar，電容器組的C=49.15 μF。裝設地點電網線電壓[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稱負荷，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相的仿真結果。

3.1 未補償系統(tǒng)的仿真結果

基于雙反星形整流器負載未補償系統(tǒng)的仿真結果如圖4所示。

圖4 未補償時負載電流波形及其THD分析

未進行諧波抑制和無功補償時，雙反星形整流器產生的負載電流經powergui的FFT分析，可知其THD值達到45.90%，諧波電流含量較大，功率因數較低。

3.2 APF單獨補償系統(tǒng)的仿真

APF單獨補償之后的仿真結果如圖5所示。從圖5（a）中可以看出電網電流已基本呈正弦形狀。由圖5（b）可知電網電流的THD值已達到3.19%，與未加APF之前THD=45.90%相比，諧波含量大大減少，說明APF確實有效地抑制了系統(tǒng)的諧波。但是，仔細觀察圖5可以發(fā)現APF單獨作用時電網電流ias和電網電壓uas之間存在的一定的相位差，說明此時系統(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，其單獨投入APF的仿真中并未過多補償系統(tǒng)無功，此時系統(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，說明此時的功率因數很低，從圖5（d）中可以更直觀地看出APF單獨作用時系統(tǒng)功率因數較低。

綜上分析可知，APF單獨作用時可以有效地抑制電路的諧波損耗，但是，此時電路的無功損耗仍然較大，故需采取TAPF綜合補償方案對其進行補償。

3.3 TAPF補償系統(tǒng)仿真結果的分析

采用APF和TSC同時投入的TAPF綜合補償方案的仿真結果如圖6所示。

圖5 APF單獨補償的仿真結果

由圖6的仿真結果可知，TAPF的投入，基本上使電網電流相位與電網電壓同步，補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基本上已經趨于0 var，功率因數基本上趨于1，達到了無功補償的目的。眾所周知，投入TSC之后將會給電網帶來部分的諧波，觀察圖6（b）所示該電路的電網電流THD值，可以發(fā)現其為4.80%，與APF單獨補償時的THD值3.19%相比有所提高，但是與未補償系統(tǒng)的THD值45.90%相比，諧波含量已經大大減小，處于可以接受的范圍之內。

綜上分析可知，采取由并聯型APF和TSC相結合的TAPF綜合補償方案，可以有效地濾除工業(yè)應用中雙星形整流器負載產生的各次諧波，并對其進行有效的動態(tài)無功補償。

圖6 采用TAPF綜合補償方案的仿真結果

4 結 語

本文以電解電鍍工業(yè)中的雙反星形整流器作為負載，采用并聯型APF和TSC組成的TAPF綜合補償方案對其補償。從補償效果分析，可知TAPF補償系統(tǒng)具有APF良好的諧波補償性能和TSC易于補償大容量無功的特點。綜合了有源與無源補償的長處，既提高電網功率因數，改善電網電能質量，又有效地降低僅用APF補償時所需要的高經濟成本，對于工業(yè)應用具有十分廣闊的前景。

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