张晓鹏

(河南省电力公司电力科学研究院，河南 郑州 450000)

1.引言

在进行重离子加速器有关离子实验过程中，重离子加速器励磁电源将起着极其重要的作用;这主要是因为励磁电源对其输出电能有着相当高的要求，诸如电压电流输出纹波、稳定度等，所以很多励磁电源是应用电力电子装置实现的;由于大量应用了非线性负载及这些电力电子装置，致使电网中被大量无功电流和谐波所注入，以至降低了系统效率和带来了变得更差的系统因数，这就在电网当中不可避免地产生了较为严重的谐波污染而对其他用户带来了干扰和影响。实践表明，在进行谐波污染治理时，在重离子加速器励磁电源上加装一台120KVA有源电力滤波器，对于治理谐波污染将起到良好的效果。以下就从重离子加速器励磁电源的基本工作情况开始进行分析，然后着重阐述有源电力滤波器的主电路工作结构、控制方法及其动态响应等方面内容，旨在为治理谐波污染、还电网一个干净环境献计献策。

2.关于重离子加速器电源基本工作情况的分析

重离子在进行加速所需励磁电能，就是由该励磁电源所供给;这个电源实际上是一个相控整流电源，其控制是采用晶闸管，并把三相全控制移相桥控制这个电路应用于该整流装置，这个装置以1300A/235V的输出直流为其设计容量。因为受限制于整流方式，致使在装置的电网侧出现比较严重的不容忽视的谐波污染问题。例如，当装置的额定负荷输出发生变化时，将是电网电流畸变因数也跟着变化，从而出现一系列次谐波，具体如下表所示:

额定负荷输出的百分数电网电流畸变因数的百分数谐波主要表现为次谐波75% → 29.7% →次谐波谐波为5次、7次、11次、13次、17次、19次等特征

由此可见，电流中所产生的谐波将对电网中的电压产生较大影响，致使电网电压出现相当大的畸变;众多实践表明，若出现这种情况，有关电网电压所出现的畸变因数，通常可到达8.94%左右。所以，当负荷含有如此之大、如此之多的谐波分量，对其进行相应的补偿和必要的谐波抑制，就显得尤为重要和迫切。

3.关于在重离子加速器励磁电源上所加装的120KVA有源电力滤波器主电路工作结构及其控制方法的阐述

3.1 关于有源电力滤波器容量问题的解决方案及多重化主电路的优势。具有补偿特性和良好的动态响应速度，这是有源电力滤波器所具有的两大特点;通常情况下，有源电力滤波器必须具备一定的容量，这主要是基于重离子加速器相控励磁电源具有比较大输出功率而考虑的。为此，为把有源电力滤波器有关容量这个问题切实解决好，通常可以选取这种方法来进行解决:第一种方法，为把有关容量和开关这个速度得到有效满足，在进行串联和并联时，其所用器件可以选择那些具有比较快开关速度、又具有比较小容量的器件;第二种方法，把多台容量不大、并且相互独立互不联系的有源电力滤波器并联起来并投入使用;第三种方法，把多电平级联方案应用于主电路、或者以电路的多重化来促使电源滤波器大容量的实现等全新的主电路拓扑。在这三种方法当中，最为有效最为合理的方法当数第三种方法——应用多重化主电路，在当前，这种方法已经引起世界各国研究工作者的兴趣和高度重视。相比较于串并联应用小容量开关器件这种解决方法，多重化主电路除了能让容量要求得到满足以外，还可以做到只用一套来对电路进行控制，这显然可以获得更高的经济效益;此外，实现主电路多重化，还可以达到另一个良好的效果，那就是在具体进行控制时，，可以采取有效措施来把整个装置等效开关频率大幅度提高起来，从而所得到的补偿特性相当良好。

3.2 关于多重化主电路的研制及控制方法。结合以上阐述，在我国有学者以四重化主电路设计并制作了有源电力滤波器，把四组PWM变流器通过并联方式连接而构成主电路，并把30KVA这个数值确定为每个PMA变流器的容量，这样就可以确保有源电力滤波器整个装置的补偿容量达到所需的要求——120KVA;在进行电路控制过程中，把基于瞬时无功功率理论这种计算方法用来进行谐波补偿电流指令的计算，这样所获得的动态相应性能极其良好。为能获得良好的补偿效果，对于这四组PWM变流器来讲，在它们获得控制电路通过计算分配给它们的补偿电流指令时，就开始做电流跟踪控制，在这整个过程中，确保在每一时刻统一协调每组变流器开关，促使在开通时刻，每组变流器彼此在相位上能相差一定的角度，这样操作就可大大提高整个装置等效开关的频率。其控制系统计算电路原理框图及时钟脉冲分配示意图，具体如下图所示:

Ⅰ 计算电路原理框图

II 时钟脉冲分配示意图

由上图可知，以控制电路统一分配电流跟踪控制的时钟脉冲并在各跟踪控制模块上加上一定的时序，可对这四组PWM交流器的补偿控制起到协调作用;也就是让第一组PWM交流器的基准时钟提早于第二组基准时钟折合电角度900，再让第二组PWM交流器的基准时钟提早于第三组基准时钟折合电角度900，以下依次类推。

4.关于有源电力滤波器的动态响应的分析

总体来看，影响有源电力滤波器的动态响应速度主要包括两方面:第一，对谐波补偿指令电流进行计算所用的时间;第二，谐波补偿电流产生的时间。基于主电路控制的方法，若跟踪控制是应用PWM电流及具有较合适的主电路参数，则PWM进行控制时的开关频率将决定所产生谐波补偿电流的延迟时间，由于在PWM控制周期下的延迟时间相当小，因而在实际当中可以忽略不计。跟这个相对应，形成谐波补偿电流所需时间长短将决定着APF动态响应的主要延迟，有关进行谐波电流检测所采用的方法将对这方面产生比较大的影响。例如，若应用FFT这种检测方法，从开始对负载电流进行检测到谐波电流结果的获得看，至少也要经过一个工频周期的时间。

5.结论

通过一系列的实验，结果表明，在重离子加速器励磁电源当中加装120KVA有源电力滤波器，可有效进行谐波补偿，对重离子加速器供电电源中的谐波有着明显的抑制作用，极大地改善了流入电网当中的电流波形，有效降低了电源电流的畸变率，对于治理电网当中的谐波污染这个问题有着很好的效果。

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