極低頻電源有源前端研究

汪 宇，龍 根，鄧 珊

（中國船舶重工集團公司第七二二研究所，湖北 武漢 430079）

0 引 言

極低頻（Extremely Low Frequency，ELF）無線電的頻率范圍在30 Hz以下，對巖層和海水的穿透能力強，可應(yīng)用于深層地下資源探測和地震預(yù)測 。近期，我國依托重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目“極低頻探地（WEM）工程”，建立了首座民用大功率極低頻發(fā)射臺，開展地下資源探測和地震預(yù)報等方面的探索性研究和工程試驗研究[1]。

大功率極低頻電源是人工生成極低頻無線電信號的核心設(shè)備，電源功率達數(shù)百千瓦。文獻[2]開展了集成門極換流晶閘管（Integrated Gate Commutated Thyristors，IGCT）在極低頻電源中的應(yīng)用研究。文獻[3]研究了基于級聯(lián)型變換電路的載波移相調(diào)制（CPSPWM）方法，在直流電壓恒定的理想條件下進行了極低頻電源輸出諧波特性理論分析，并在小功率條件下進行了試驗驗證。文獻[4]進行了WEM發(fā)射系統(tǒng)電源特性研究，分析了電源系統(tǒng)的特征次諧波和非特征次諧波，并對特征次諧波進行了有源濾波研究。

為改善現(xiàn)有極低頻電源電磁兼容性，本文提出用有源前端代替基于晶閘管的三相可控整流電路應(yīng)用于極低頻電源，并探析有源前端控制策略，優(yōu)選單位功率因數(shù)控制策略進行了仿真研究。

1 現(xiàn)有極低頻電源

大功率極低頻電源采用基于晶閘管的三相可控整流電路、直流濾波電路及單相橋式逆變電路構(gòu)成基本的電源單元。為加強對整流電路輸出紋波電壓的平抑，某極低頻系統(tǒng)電源單元中采用雙LC濾波電路，如圖1所示。

圖1 電源單元電路圖

相比普通整流電路，極低頻電源輸入電流的諧波除基波和特征次諧波外，在基波和特征次諧波附近還含有低頻邊帶諧波。低頻邊帶諧波以低頻的2倍頻間隔分布在基波和特征次諧波附近，并不落在電網(wǎng)工作頻率的整數(shù)倍頻率上，而以間諧波的形式出現(xiàn)。除了增加供電系統(tǒng)的諧波損耗以外，還將引起發(fā)射臺燈光閃變，甚至可能與發(fā)電機軸系自然頻率共振，造成電力系統(tǒng)次同步振蕩。

2 極低頻電源有源前端及其控制策略

一種含有源前端的極低頻電源單元拓撲如圖2所示，采用三相PWM整流電路代替基于晶閘管的三相可控整流電路。極低頻電源系統(tǒng)由多個極低頻電源單元組成，多個極低頻電源單元在逆變輸出端進行串并聯(lián)組合，可實現(xiàn)大功率極低頻信號的輸出。

圖2 含有源前端的極低頻電源單元拓撲

極低頻電源單相輸出結(jié)構(gòu)決定其逆變端的2倍頻功率波動不可避免。由單相PWM整流電路構(gòu)成的有源前端功率控制靈活，因此有一種控制策略為：有源前端采用單位功率因數(shù)控制，2倍頻功率波動將引起直流側(cè)電壓波動，由直流側(cè)電容Cd消納。

3 極低頻電源有源前端仿真研究

在PSIM環(huán)境下搭建新型極低頻電源單元仿真模型，新型極低頻電源單元工作在17 Hz時的典型波形如圖3所示。有源前端實現(xiàn)單位功率因數(shù)控制，有源前端輸入電流三相對稱，接近正弦，如圖3（a）所示。新型極低頻電源單元電磁兼容性優(yōu)于現(xiàn)有極低頻電源，輸入電流頻譜如圖3（b）所示，整流電路的特征次諧波和低頻邊帶諧波都得到了有效抑制，基本可消除極低頻電源對配電網(wǎng)和相鄰用電負荷的影響。根據(jù)直流側(cè)電壓實際值進行極低頻信號調(diào)制，得到逆變輸出端的極低頻信號如圖3（c）所示。

圖3 新型極低頻電源單元典型波形

4 結(jié) 論

本文提出將有源前端代替基于晶閘管的三相可控整流電路應(yīng)用于極低頻電源，并探析有源前端控制策略，采用單位功率因數(shù)控制策略進行了仿真研究。仿真結(jié)果表明，采用有源前端可改善極低頻電源電磁兼容性，有效抑制現(xiàn)有整流電路的特征次諧波和低頻邊帶諧波，可基本消除極低頻電源對配電網(wǎng)和相鄰用電負荷的影響。