張曉鵬

(河南省電力公司電力科學(xué)研究院，河南 鄭州 450000)

1.引言

在進(jìn)行重離子加速器有關(guān)離子實(shí)驗(yàn)過程中，重離子加速器勵(lì)磁電源將起著極其重要的作用;這主要是因?yàn)閯?lì)磁電源對其輸出電能有著相當(dāng)高的要求，諸如電壓電流輸出紋波、穩(wěn)定度等，所以很多勵(lì)磁電源是應(yīng)用電力電子裝置實(shí)現(xiàn)的;由于大量應(yīng)用了非線性負(fù)載及這些電力電子裝置，致使電網(wǎng)中被大量無功電流和諧波所注入，以至降低了系統(tǒng)效率和帶來了變得更差的系統(tǒng)因數(shù)，這就在電網(wǎng)當(dāng)中不可避免地產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的諧波污染而對其他用戶帶來了干擾和影響。實(shí)踐表明，在進(jìn)行諧波污染治理時(shí)，在重離子加速器勵(lì)磁電源上加裝一臺(tái)120KVA有源電力濾波器，對于治理諧波污染將起到良好的效果。以下就從重離子加速器勵(lì)磁電源的基本工作情況開始進(jìn)行分析，然后著重闡述有源電力濾波器的主電路工作結(jié)構(gòu)、控制方法及其動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面內(nèi)容，旨在為治理諧波污染、還電網(wǎng)一個(gè)干凈環(huán)境獻(xiàn)計(jì)獻(xiàn)策。

2.關(guān)于重離子加速器電源基本工作情況的分析

重離子在進(jìn)行加速所需勵(lì)磁電能，就是由該勵(lì)磁電源所供給;這個(gè)電源實(shí)際上是一個(gè)相控整流電源，其控制是采用晶閘管，并把三相全控制移相橋控制這個(gè)電路應(yīng)用于該整流裝置，這個(gè)裝置以1300A/235V的輸出直流為其設(shè)計(jì)容量。因?yàn)槭芟拗朴谡鞣绞?，致使在裝置的電網(wǎng)側(cè)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的不容忽視的諧波污染問題。例如，當(dāng)裝置的額定負(fù)荷輸出發(fā)生變化時(shí)，將是電網(wǎng)電流畸變因數(shù)也跟著變化，從而出現(xiàn)一系列次諧波，具體如下表所示:

額定負(fù)荷輸出的百分?jǐn)?shù)電網(wǎng)電流畸變因數(shù)的百分?jǐn)?shù)諧波主要表現(xiàn)為次諧波75% → 29.7% →次諧波諧波為5次、7次、11次、13次、17次、19次等特征

由此可見，電流中所產(chǎn)生的諧波將對電網(wǎng)中的電壓產(chǎn)生較大影響，致使電網(wǎng)電壓出現(xiàn)相當(dāng)大的畸變;眾多實(shí)踐表明，若出現(xiàn)這種情況，有關(guān)電網(wǎng)電壓所出現(xiàn)的畸變因數(shù)，通?？傻竭_(dá)8.94%左右。所以，當(dāng)負(fù)荷含有如此之大、如此之多的諧波分量，對其進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償和必要的諧波抑制，就顯得尤為重要和迫切。

3.關(guān)于在重離子加速器勵(lì)磁電源上所加裝的120KVA有源電力濾波器主電路工作結(jié)構(gòu)及其控制方法的闡述

3.1 關(guān)于有源電力濾波器容量問題的解決方案及多重化主電路的優(yōu)勢。具有補(bǔ)償特性和良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，這是有源電力濾波器所具有的兩大特點(diǎn);通常情況下，有源電力濾波器必須具備一定的容量，這主要是基于重離子加速器相控勵(lì)磁電源具有比較大輸出功率而考慮的。為此，為把有源電力濾波器有關(guān)容量這個(gè)問題切實(shí)解決好，通?？梢赃x取這種方法來進(jìn)行解決:第一種方法，為把有關(guān)容量和開關(guān)這個(gè)速度得到有效滿足，在進(jìn)行串聯(lián)和并聯(lián)時(shí)，其所用器件可以選擇那些具有比較快開關(guān)速度、又具有比較小容量的器件;第二種方法，把多臺(tái)容量不大、并且相互獨(dú)立互不聯(lián)系的有源電力濾波器并聯(lián)起來并投入使用;第三種方法，把多電平級(jí)聯(lián)方案應(yīng)用于主電路、或者以電路的多重化來促使電源濾波器大容量的實(shí)現(xiàn)等全新的主電路拓?fù)?。在這三種方法當(dāng)中，最為有效最為合理的方法當(dāng)數(shù)第三種方法——應(yīng)用多重化主電路，在當(dāng)前，這種方法已經(jīng)引起世界各國研究工作者的興趣和高度重視。相比較于串并聯(lián)應(yīng)用小容量開關(guān)器件這種解決方法，多重化主電路除了能讓容量要求得到滿足以外，還可以做到只用一套來對電路進(jìn)行控制，這顯然可以獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益;此外，實(shí)現(xiàn)主電路多重化，還可以達(dá)到另一個(gè)良好的效果，那就是在具體進(jìn)行控制時(shí)，，可以采取有效措施來把整個(gè)裝置等效開關(guān)頻率大幅度提高起來，從而所得到的補(bǔ)償特性相當(dāng)良好。

3.2 關(guān)于多重化主電路的研制及控制方法。結(jié)合以上闡述，在我國有學(xué)者以四重化主電路設(shè)計(jì)并制作了有源電力濾波器，把四組PWM變流器通過并聯(lián)方式連接而構(gòu)成主電路，并把30KVA這個(gè)數(shù)值確定為每個(gè)PMA變流器的容量，這樣就可以確保有源電力濾波器整個(gè)裝置的補(bǔ)償容量達(dá)到所需的要求——120KVA;在進(jìn)行電路控制過程中，把基于瞬時(shí)無功功率理論這種計(jì)算方法用來進(jìn)行諧波補(bǔ)償電流指令的計(jì)算，這樣所獲得的動(dòng)態(tài)相應(yīng)性能極其良好。為能獲得良好的補(bǔ)償效果，對于這四組PWM變流器來講，在它們獲得控制電路通過計(jì)算分配給它們的補(bǔ)償電流指令時(shí)，就開始做電流跟蹤控制，在這整個(gè)過程中，確保在每一時(shí)刻統(tǒng)一協(xié)調(diào)每組變流器開關(guān)，促使在開通時(shí)刻，每組變流器彼此在相位上能相差一定的角度，這樣操作就可大大提高整個(gè)裝置等效開關(guān)的頻率。其控制系統(tǒng)計(jì)算電路原理框圖及時(shí)鐘脈沖分配示意圖，具體如下圖所示:

Ⅰ 計(jì)算電路原理框圖

II 時(shí)鐘脈沖分配示意圖

由上圖可知，以控制電路統(tǒng)一分配電流跟蹤控制的時(shí)鐘脈沖并在各跟蹤控制模塊上加上一定的時(shí)序，可對這四組PWM交流器的補(bǔ)償控制起到協(xié)調(diào)作用;也就是讓第一組PWM交流器的基準(zhǔn)時(shí)鐘提早于第二組基準(zhǔn)時(shí)鐘折合電角度900，再讓第二組PWM交流器的基準(zhǔn)時(shí)鐘提早于第三組基準(zhǔn)時(shí)鐘折合電角度900，以下依次類推。

4.關(guān)于有源電力濾波器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的分析

總體來看，影響有源電力濾波器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度主要包括兩方面:第一，對諧波補(bǔ)償指令電流進(jìn)行計(jì)算所用的時(shí)間;第二，諧波補(bǔ)償電流產(chǎn)生的時(shí)間。基于主電路控制的方法，若跟蹤控制是應(yīng)用PWM電流及具有較合適的主電路參數(shù)，則PWM進(jìn)行控制時(shí)的開關(guān)頻率將決定所產(chǎn)生諧波補(bǔ)償電流的延遲時(shí)間，由于在PWM控制周期下的延遲時(shí)間相當(dāng)小，因而在實(shí)際當(dāng)中可以忽略不計(jì)。跟這個(gè)相對應(yīng)，形成諧波補(bǔ)償電流所需時(shí)間長短將決定著APF動(dòng)態(tài)響應(yīng)的主要延遲，有關(guān)進(jìn)行諧波電流檢測所采用的方法將對這方面產(chǎn)生比較大的影響。例如，若應(yīng)用FFT這種檢測方法，從開始對負(fù)載電流進(jìn)行檢測到諧波電流結(jié)果的獲得看，至少也要經(jīng)過一個(gè)工頻周期的時(shí)間。

5.結(jié)論

通過一系列的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，在重離子加速器勵(lì)磁電源當(dāng)中加裝120KVA有源電力濾波器，可有效進(jìn)行諧波補(bǔ)償，對重離子加速器供電電源中的諧波有著明顯的抑制作用，極大地改善了流入電網(wǎng)當(dāng)中的電流波形，有效降低了電源電流的畸變率，對于治理電網(wǎng)當(dāng)中的諧波污染這個(gè)問題有著很好的效果。

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