有源電力濾波器在大功率變頻器供電電網(wǎng)中的應用

0 引言
近年來(lái)，由于變頻調速和節能的需要，變頻器已經(jīng)廣泛應用于電力、機械、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，結果是在輸入輸出電路產(chǎn)生電流高次諧波，干擾供電系統、負載及其它鄰近電氣設備。隨著(zhù)大功率變頻器的大量使用，其產(chǎn)生的諧波污染問(wèn)題也日益嚴重。
1 變頻器諧波的產(chǎn)生機理及危害
要探討變頻器的諧波產(chǎn)生機理，首先要了解變頻器的工作原理，從結構上，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(guò)整流器變成直流，然后再經(jīng)過(guò)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(méi)有中間的直流環(huán)節。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和移相角。

目前應用較多的還是間接變頻器。間接變頻器有3 種不同的結構方式：
（1）用可控整流器變壓，用逆變器變頻，調壓和調頻分別是在兩個(gè)環(huán)節上進(jìn)行，兩者要在控制電路上協(xié)調配合；
（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)節用斬波器，用脈寬調壓；
（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(xiàn)性二極管組成的三相橋式整流橋及其二極管參數的離散會(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數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 調制的交直流變頻方式，線(xiàn)電壓是正弦脈寬、幅值相等的窄矩形波，其等效后是連續的矩形波，而三相的相電壓是階梯波，因此，電壓是非線(xiàn)性的，電流接近正
弦但也含有豐富的諧波。輸出表達式為

式中：uo為變頻器輸出電壓；
ud為變頻器直流側電壓；
琢為調制度（0臆琢臆1）；
棕r 為調制信號角頻率；
漬為正弦調制波的初相角；
棕r為載波信號角頻率；
n 為變頻器輸出諧波次數。
式（1）中第一項為輸出波形中的基波分量，即調制時(shí)所要求的正弦波；第二項是輸出波形中的諧波分量。
變頻器的電源系統和電力設備輸出的高壓母線(xiàn)相連接，在這條線(xiàn)路上同時(shí)還存在著(zhù)電容器、發(fā)電機、變壓器、電動(dòng)機等負載，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和并聯(lián)的負載上，對相關(guān)電氣設備造成不同程度的影響。
2 諧波的治理
變頻器給人們帶來(lái)極大的方便、高效率和巨大的經(jīng)濟效益的同時(shí)，對電網(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(zhù)以計算機為代表的大量敏感設備的普及應用，人們對公用電網(wǎng)的供電質(zhì)量要求越來(lái)越高。目前諧波與電磁干擾、功率因數降低已并列為電力系統的三大公害。
因而消除變頻器產(chǎn)生的高次諧波對改善供電質(zhì)量和確保電力系統安全、穩定、經(jīng)濟運行有著(zhù)非常積極的意義。
要對變頻器產(chǎn)生的諧波電流進(jìn)行補償或抑制，通常有兩種方案：
（1）裝設補償裝置；
（2）對接入電網(wǎng)的變頻器進(jìn)行改造以符合相關(guān)規定。
對已有的變頻器進(jìn)行改造，成本較高，而采用補償裝置進(jìn)行補償則更為合理。裝設諧波補償裝置的傳統方法就是采用LC
調協(xié)濾波器。這種方法既可補償諧波，又可補償無(wú)功功率，而且結構簡(jiǎn)單，一直被廣泛使用。但是，也存在明顯的缺點(diǎn)，就是補償特性受電網(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)影響，容易和系統發(fā)生并聯(lián)諧振，導致諧波放大，使LC濾波器過(guò)載甚至燒毀。此外，它只能補
償固定頻率的諧波，補償效果也不理想。有源電力濾波器是一種用于快速動(dòng)態(tài)抑制諧波、補償無(wú)功的新型電力電子裝置，它能對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無(wú)功進(jìn)行補償，其應用可克服無(wú)源濾波器等傳統的諧波抑制和無(wú)功功率補償方法的缺點(diǎn)，獲得比無(wú)源濾波器更好的補償特性，是一種理想的補償諧波裝置。有源電力濾波器的系統結構如圖2 所示，主要有指令電流運算電路、電流跟蹤控制電路、驅動(dòng)電路和主電路四個(gè)部分組成。

畸變率高于62豫，5 次電流電流達到48.4A；變壓器低壓出線(xiàn)畸變也達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