有源滤波器在12脉波整流器中的应用

1 前言 电力电子装置和非线性负载的普遍使用，使谐波电流和无功电流大量注入电网，严重威胁电网和电气设备的安全运行与正常使用，对谐波无功进行滤波和补偿已成为电力电子技术、电力系统、电气自动化、理论电工等领域中的重要研究课题。 在大功率整流器领域，当功率等级大于200KVA时，通常采用多相整流技术，如采用12脉波、18脉波、24脉波、36脉波等整流技术，这些技术具有输出直流电压纹波小，输入电流谐波含量小，输入功率因数高的优点，因此得到了普遍应用[1]。12相脉波整流技术广泛应用在如大功率UPS，大功率直流装置、大功率装置扩容、飞机电源系统、电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源等领域。然而12脉波整流器是由两个6脉波整流器并联而成，两者之间相位差是30度，由两组独立的次级绕组供电，在运行过程中会引起电网各点波形的畸变，干扰其他用户负载的正常运行，严重时会引起整流器性能的下降[2]，且随着新谐波标准IEC61000—3—4的出现，对谐波的要求提高了，12脉波整流器的l1次、13次谐波较高的缺点将影响它的应用。另外，12脉冲整流器存在低负载率时效果很差；系统效率损失较大；价格较高；可靠性低；安全性差；与发电机匹配差等问题。 有源电力滤波器是一种动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置，它能对频率和大小都变化的谐波和无功进行补偿，可以弥补无源滤波器的缺点，获得比无源滤波器更好的补偿特性，是一种理想的补偿谐波装置。 针对以上问题，本文提出将有源滤波器应用在大功率12相脉波整流器中。 2 12脉波整流器的原理 整流装置功率越大，它对电网的干扰也就越大，当一个电源周期中整流输出电压脉波数越多，则输出电压中的谐波阶次越高，脉波幅值越小，整流特性越好，同时整流装置的交流电流中的谐波频率越高，谐波电流值也越小。所以在工程实践中人们为了消除5，7次谐波，通常采用两套整流器通过不同相位的叠加，这就是现在广泛使用的12脉波整流器。 图1 12脉波整流器电路图 如图1是12脉波整流器电路图，在一个基本6脉冲整流器（超前）的基础上利用单绕组输入／双绕组输出的变压器产生滞后30度的移相电压，再送入另一整流器（滞后整流器，如图1 ），使得两个整流器产生的直流电流并联。 网侧输入端电流如下式 上式中为角频率， 为直流电流。由上式可知12相脉波整流技术可以彻底消除5，7次谐波对电网的影响。 表1 国际标准IEC61000-3-4谐波标准[3] 第k次谐波 谐波含量 无滤波器 LC滤波器 12脉冲 有源滤波器 H3 21.6% - - - - H5 10.7% 32% 2.9% 2.8% 2.5% H7 7.2% 3.5% 1.9% 1.5% 1.5% H9 3.8% - - 6% - H11 3.1% 7% 3.8% 9.1% 2% H13 2.0% 2.7% 1.9% 4.7% 0.5% H17 1.2% 2.5% 1.7% 1% 1.1% H19 1.1% 2.1% 1.3% 0.7% 0.9% THDI 25% 35% 6% 10% 4% 如表1所示，Hk表示第k次谐波，%H1表示IEC61000-3-4要求的谐波含量，THDI表示总电流谐波失真度。12脉冲整流器的总电流谐波失真度(THDI)为10%，满足该标准，但是单次谐波H11、H13均超过标准数值的两倍以上，甚至比原6脉冲整流器的H11、H13还要大。在一些特殊场合，其结果甚至还不如6脉波整流器与LC滤波器结合的效果。 另外，采用12脉波整流器将降低系统效率的2%-3%，而普通LC滤波器仅降低1%左右。 由于上述问题，12脉冲整流器将逐渐趋于淘汰，而应用新技术的有源滤波器产品必将成为未来市场发展的趋势。 3 APF原理及其优点 有源滤波器工作原理[4]是：用电流互感器采集网侧线路上的电流，经A/D采样，将所得的电流信号进行谐波分离算法的处理，得到谐波参考信号，作为PWM的调制信号，与三角波相比，从而得到开关信号，用此开关信号去控制IGBT单相桥，根据PWM技术的原理，将上下桥臂的开关信号反接，就可得到与线上谐波信号大小相等、方向相反的谐波电流，将线上的谐波电流抵消掉，这是前馈控制部分。再将有源滤波器接入点后的线上电流的谐波分量反馈回来，作为调节器的输入，调整前馈控制的误差。随着电力电子技术的发展，有源滤波器主电路大多采用PWM变流器，功率器件采用IGBT，根据驱动指令是不同桥臂上的管子开通或关断，从而产生与谐波大小相等方向相反的电流注入网络，使电网电能质量得到改善。 有源滤波器具有以下优点：（1）不仅能抑制各次谐波，还可以抑制闪变，补偿无功，有一机多能的特点，在性价比上较合理；（2）滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；（3）实现调节与控制自动化，替代传统的机械调控与操作手段。可见，有源滤波装置具有巨大的技术与性能优势，随着电力电子工业的发展，器件的性价比将不断提高，有源滤波补偿装置必然会得到越来越广泛的使用。 但是大容量的有源滤波器造价高，功耗大，在实际应用中受到限制。要获得较好的滤波特性，又要降低价格就要降低装置的容量，而有源电力滤波器的容量取决于与装置连接的交流回路电压有效值与补偿电流有效值的乘积。并联型有源电力滤波器与谐波源负载所接的交流电压相同，因此装置的容量主要由补偿电流决定，系统只补偿谐波时，有源电力滤波器的补偿电流与负载电流的谐波分量大小相等而方向相反，两者的有效值是一样的，这种情况下，装置的容量取决于负载电流中谐波的大小。 4 APF与12相脉波整流器的结合 在工业现场，12脉波整流器仍然大量使用[5][6]，而且主要集中在大功率装置场合。完全取代12脉波整流器是很不现实的，我们可以利用其抑制5、7次谐波的优点，同时利用有源滤波器可以提高整体补偿效果等特点，将两者结合起来。大容量的有源滤波器由于造价高、功耗大，在实际应用中受到限制。为了获得较好的滤波特性，又尽可能降低造价，人们开始研究无源与有源混合应用的方法，提出了并联有源滤波器与无源滤波器共用的方案；带串联L－C电路的有源滤波器方案；以及两个有源滤波器与一组无源滤波器的电力线调节器等方案。 本文利用12脉波整流器可以有效抑制5、7次谐波的特点，提出在12脉波整流电路中并联有源滤波器与无源滤波器的混合滤波器。 综合电力滤波系统主电路结构如图2所示。该电力滤波器的特点是：利用12相整流器滤去5、7次等低次电流谐波，使有源滤波器不直接承受电网电压和负载的基波电流， 仅起隔离负载电流和电网电压高次谐波的作用， 因而有源滤波器的容量可以设计得较小，而且利用无源滤波器滤掉电网中11次、13次谐波，大大减低了系统的体积和成本。并联的有源滤波器对高次谐波产生阻抗而对基波无影响，可以改善系统的滤波效果， 防止电网之间发生谐振，同时也避免了并联有源滤波器的谐波电流注入滤波器形成谐波短路的现象，提高了有源滤波器的有限容量的利用率。 5 结论 APF作为消除电力公害、改善供电质量的有力工具，在美国、日本等工业发达国家已经得到了日益广泛的应用。特别在日本，APF已经达到普及应用阶段。本文将APF应用于现在非常热门的12相脉波整流器中，选择有源滤波器与无源滤波混合主电路从而使APF更有效的应用在大功率场合，降低了谐波对电网的干扰，能获得较好的输出直流波形；并减少了对通讯和控制回路的干扰以及对PLC等精密电子器件的误动作和损坏。同时由于利用了12脉波本身的优点降低了APF的容量 ，从而达到科学合理用电,抑制电网污染,提高电源质量等效果。 参考文献： （1）刘焱海，张东来。一种12脉冲整流器用的新型自耦变压器分析。电力电子技术。2006,40(3):80-82 (2)刘凤君。UPS 12脉波整流器与有源滤波器在UPS中的应用。不间断电源。2006，2；15-21。 （3）韩林，UPS中的12脉冲整流器。UPS应用。2005.50期:51-53. (4) 王兆安,杨君,刘进军编著.谐波抑制和无功功率补偿,机械工业出版社,2004.2: P257-259 (5)孙德宝 , 陈昌宇,西门子6RA70全数字直流调速装置的2种扩容方法，电气传动,2003（03），51-55 (6)王洪志，邵志红。西门子6RA70系列12相整流装置在直流调速系统中的应用，宽厚板，2005,11(2),19-21