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  • 頭條有源電力濾波器與高壓變頻器相結合,可減小對電網(wǎng)的諧波污染
    2021-04-02 作者:王西前  |  來源:《電氣技術》  |  點擊率:
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    導語根據(jù)目前很多大中型企業(yè)使用的高壓變頻器存在的問題,如電網(wǎng)的諧波污染、電網(wǎng)功率因數(shù)低,而提出的將有源電力濾波應用在高壓變頻器上。將有源電力濾波器和高壓變頻器結合起來應用,能很好地實現(xiàn)節(jié)能減排,還能減小用電設備對電網(wǎng)的諧波污染和提高自身的功率因數(shù)。

    隨著現(xiàn)代電力電子技術和微電子技術的迅猛發(fā)展,高壓大功率變頻調速裝置不斷成熟起來,原來一直難于解決的高壓問題,近年來通過器件串聯(lián)或單元串聯(lián)得到了很好地解決,其應用領域和范圍也越來越廣泛,這使得高效、合理地利用能源(尤其是電能)成為可能。電機是國民經(jīng)濟中主要的耗電大戶,高壓大功率電機則更為突出,而這些設備大部分都有節(jié)能的潛力,大力發(fā)展高壓大功率變頻調速技術具有深遠的意義。

    有源電力濾波器(APF)是一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置,它能夠對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行補償。目前有源濾波器主要應用在380V電壓等級的用電設備上,對于高壓等級的用電設備應用很少。

    下面主要針對高壓變頻器不可控整流、半控整流功率因數(shù)低、諧波大、效率低等問題,提出將有源濾波器和高壓變頻器結合應用在用電設備上,從而實現(xiàn)高效、節(jié)能、環(huán)保。

    1 有源濾波器的拓撲結構及原理

    有源電力濾波器與高壓變頻器相結合,可減小對電網(wǎng)的諧波污染

    圖1 有源濾波器主電路及控制框圖

    有源濾波器同無源濾波器比較,諧波治理效果更好,可以同時濾除多次及高次諧波,且不會引起諧振。目前的有源濾波器均以低壓為主,高壓有源濾波器技術已經(jīng)成熟,但是實際應用安全系數(shù)很低,國際普遍做法是以變壓器升壓,來保證其可靠性,國家相關部門也要求以變壓器升壓的形式和有源濾波器結合,治理高壓諧波。

    有源電力濾波器通過電流互感器檢測負載電流,并通過內(nèi)部DSP計算,提取出負載電流中的諧波成分,然后通過PWM信號發(fā)送給內(nèi)部IGBT,控制逆變器產(chǎn)生一個和負載諧波電流大小相等,方向相反的諧波電流注入到電網(wǎng)中,從而達到濾波的目的。

    2 高壓變頻器的拓撲結構及原理

    高壓變頻器是指輸入電源電壓在3kV以上的大功率變頻器,主要電壓等級有3kV、3.3 kV、6 kV、6.6 kV、10 kV等。

    高壓變頻器有高—低—高、低—高、高—高之分:

    • 高—低—高方式高壓變頻器是將高壓電源用變壓器降壓后,用低壓變頻器進行控制,再用升壓變壓器將電壓升到電機使用的電壓。一般高—低—高方式都用在小功率的高壓電機做變頻節(jié)能用。
    • 低—高方式高壓變頻器是用低壓變頻器控制后,直接用升壓變壓器升到電機使用電壓。該方式也是用在小功率高壓電機變頻節(jié)能用。
    • 高—高方式高壓變頻器是直接用變頻器多個模塊級聯(lián)組成,直接使用高壓電源,直接輸出高壓供電機使用。高—高方式主要用在大功率高壓電機做變頻節(jié)能用。

    目前大多數(shù)高壓變頻器廠家都是采用級聯(lián)式方式,本文也是以級聯(lián)式高壓變頻器為應用實例作分析。下圖2為高壓變頻器系統(tǒng)結構圖。

    有源電力濾波器與高壓變頻器相結合,可減小對電網(wǎng)的諧波污染

    圖2 高壓變頻器系統(tǒng)結構圖

    有源電力濾波器與高壓變頻器相結合,可減小對電網(wǎng)的諧波污染

    圖3 高壓變頻器和有源濾波器拓撲結構圖(以移相變壓器二次側只在一個單元上加載有源濾波器為例說明)

    有源電力濾波器與高壓變頻器相結合,可減小對電網(wǎng)的諧波污染

    圖4 高壓變頻器和有源濾波器拓撲結構圖(以在移相變壓器一次側加載有源濾波器為例說明)

    3 實驗結果

    客戶現(xiàn)場為一臺高壓變頻器(額定電流為88A,額定電壓6kV)帶動一臺電動機(額定電流為64A,額定電壓6kV),高壓變頻器每相為6個單元串聯(lián)組成。本文以圖3所示的只加載移相變壓器二次側一個單元為例,來說明采用上海追日電氣有限公司的ZAPF有源電力濾波器對高壓變頻器諧波濾除情況,圖5為一個單元的輸入前端的電流波形,諧波含量很大,達到71.3%,圖6為通過變壓器把有源濾波器加載到該單元后電流波形變化,電流諧波明顯減小,達到4.046%,達到國家標準要求,通過波形對比可以看出,有源濾波器能很好地將諧波濾除,能很好地控制諧波對電網(wǎng)的污染。

    這只是18個單元中其中一個的諧波電流治理實例,如果18個單元全部采用加載有源濾波器,經(jīng)濟成本及占地空間都很大??梢圆捎猛ㄟ^變壓器加載到移相變壓器前端6kV電壓等級上,通過換算有源濾波器容量應相應的增加,這樣可以減少經(jīng)濟成本和占地空間。

    通過一個實驗實例可以說明,將有源電力濾波器和高壓變頻器結合起來應用能很好地實現(xiàn)凈化電網(wǎng)、提高效率、節(jié)能減排,可以大力推廣到市場上應用。

    有源電力濾波器與高壓變頻器相結合,可減小對電網(wǎng)的諧波污染

    圖5 高壓變頻器一個單元輸入側電流波形圖

    有源電力濾波器與高壓變頻器相結合,可減小對電網(wǎng)的諧波污染

     

    有源電力濾波器與高壓變頻器相結合,可減小對電網(wǎng)的諧波污染

    圖6 有源濾波器加載到高壓變頻器一個單元前后的電流波形圖及諧波數(shù)據(jù)分析對比

    4 結論

    實驗結果表明,將有源濾波器和高壓變頻器結合起來應用,能夠很好地控制電網(wǎng)側電流,使其諧波含量減少,功率因數(shù)接近為1,大大減少了對電網(wǎng)的污染。這種方法有效地將節(jié)能減排、能源環(huán)保結合在一起。實驗也表明該系統(tǒng)能穩(wěn)定、可靠地工作,具有較好的實用價值。

    (編自《電氣技術》,原文標題為“有源電力濾波器與高壓變頻器結合應用研究”,作者為王西前。)