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有源濾波器在中頻電爐中的節能分析

2021-03-15

中頻電爐通過整流電路將電網的基頻變成直流,然后通過逆變電路將直流逆變成所需頻率電流。對于傳統的六脈整流電爐主要產生6k±1次諧波,即主要有5、7、11、13等次諧波。中頻電爐產生的諧波電流對電網有多方面的危害:六脈整流中頻電爐主要產生5、7、11、13次諧波,若電網中存在諧振點與此相同的電感、電容時就會發生諧振,從而導致器件損壞;由于諧波也占據能量,所以導致原本網側輸出的基波能量降低,原本輸送基波的母線會因輸送的電流頻率升高引起集膚效應,導致線體發熱,甚至引發安全事故;與母線相連的變壓器、電機等也會由于諧波導致的鐵耗、銅耗的增加,甚至會引起中性點位移,影響正常運行[1];諧波對各種電能測量器件、儀表、通信設備等也會產生較大的干擾,導致測量結果、接收信號產生較大誤差。實際中,在沒有諧波治理裝置下中頻電爐對電網造成的諧波畸變率高達28%,嚴重超出了國家標準[2],因此對中頻電爐進行諧波抑制的研究和設計是保證網側電能質量的重要任務。1中頻電爐諧波抑制的研究現狀針對中頻電爐諧波的產生,傳統的諧波抑制裝置是裝設LC調諧濾波器。根據LC的串并聯諧振原理,對固定頻率的諧波進行消除。一般情況下,單調諧濾波器只能用于濾除某個固定次諧波,若要濾除多次諧波,則需相應地用幾個單調諧濾波器并聯。同時,LC調諧濾波器存在易于系統發生諧振、工作地點固定、體積大等缺點,難以滿足目前諧波治理的要求。因此,為解決傳統婺源濾波器的局限性,提出了有源電力濾波技術。圖1為針對六脈整流中頻電爐諧波治理的LC調諧濾波器原理圖。圖1 LC調諧濾波原理圖2有源電力濾波器有源電力濾波器是一種用于動態諧波抑制、在合適的控制方式產生幅值、相位和頻率均可變的補償電流新型電力電子裝置。有源電力濾波器能夠實現動態補償,速度快、可控制,其介入不受系統阻抗的影響,可抑制串并聯諧振,這正克服了LC調諧濾波器只能對固定次諧波補償、濾波特性受系統參數影響的缺點,基于以上優點,有源電力濾波器在電力系統中被廣泛使用。2.1有源電力濾波器的種類有源電力濾波器的主電路通常采用單個PWM逆變器結構,按其直流側儲能元件不同進行分類:儲能元件選擇電容的是電壓型有源電力濾波器,如圖2所示,儲能元件選擇電感的是電流型有源電力濾波器[5]。電壓型APF由于具有內阻損耗小、效率高、初期投資少、可任意并聯擴容、易于單機小型化等優點,更適用于諧波補償裝置。圖2電壓型有源電力濾波器主電路的原理圖根據拓撲結構的不同,可分為并聯型、串聯型以及串、并聯混合型。并聯型有源濾波器的PWM變流器并聯在電網上,相當于受控電流源,產生與負載諧波電流大小相同但方向相反的補償電流。串聯型有源濾波于受控電壓源。通過控制補償電壓改變負載端的電壓,兩者相結合的是混合型有源電力濾波器[5]。并聯型有源濾波器的電源基波電壓全部加在變流器上,因而裝置容量較大,且能連續調節無功功率,并在補償諧波的同時動態補償無功功率,目前較為常用。2.2有源電力濾波器工作原理有源濾波器主要由兩大部分組成:指令電流運算電路和補償電流的產生電路。其中補償電流發生電路包括電流跟蹤控制電路,驅動電路和逆變主電路。指令電流運算電路用于檢測出出網側的諧波電流,然后通過A/D轉換器將所要補償的電流分量轉換成數字信號;電流跟蹤控制電路、驅動電路和逆變電路組合成了補償電流產生電路,接收指令并按照指令逆變出相應的電流[6]。圖3為用于中頻電爐諧波抑制的有源電力濾波器系統框圖。

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