有源電力濾波器與高壓變頻器結(jié)合應(yīng)用研究

王西前

（上海追日電氣有限公司，上海 200331）

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，高壓大功率變頻調(diào)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(yīng)用領(lǐng)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(shè)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(diào)速技術(shù)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?qū)Υ笮『皖l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(yīng)用在380V電壓等級的用電設(shè)備上，對于高壓等級的用電設(shè)備應(yīng)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(jié)合應(yīng)用在用電設(shè)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(jié)構(gòu)及原理

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(shù)已經(jīng)成熟，但是實際應(yīng)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(guān)部門也要求以變壓器升壓的形式和有源濾波器結(jié)合，治理高壓諧波。

圖1 有源濾波器主電路及控制框圖

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(jié)構(gòu)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、3.3kV、6kV、6.6kV、10kV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(yīng)用實例作分析。圖2為高壓變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

3 實驗結(jié)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(cè)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。

圖3 高壓變頻器和有源濾波器拓撲結(jié)構(gòu)圖

圖4 高壓變頻器和有源濾波器拓撲結(jié)構(gòu)圖

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(yīng)相應(yīng)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(jié)合起來應(yīng)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(yīng)用。

圖5 高壓變頻器一個單元輸入側(cè)電流波形圖

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(jié)論

實驗結(jié)果表明，將有源濾波器和高壓變頻器結(jié)合起來應(yīng)用，能夠很好地控制電網(wǎng)側(cè)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(jié)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。

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