高压大容量变频器

高压大容量变频器（精选8篇）

高压大容量变频器 第1篇

1 高压变频器工作原理

应用于发电厂的高压变频器主要是串联叠加性变频器, 它采用了单相多台的逆变器串联, 持续为变频变压提供高压交流电。根据电机学理论基础, 电机转速公式n= (1一s) 60f/p=n。 (1一s) , “n”代表电动机实际运行转速;“n。”对应电动机运行同步转速;P则是电机运行产生的极对数;“f”代表电机总体运行频率;“s”表示电动机转差频率。通过这个公式分析得出, 电机同步转速“n。”和电机运行实际频率“ (n。=60fp) ”为正比, 但因为转差频率“s”在通常情况下数值较小, 电机实际产生转速“n”约等于电机运行同步转速“n。”, 所以通过对供电频率“f”的调节, 便可以干预电机实际运行转数。电机转差频率“s”与负载存在直接关联, 即负载值越大则转差频率越高, 因此电机实际转速依旧会随着负载值增强而产生下滑。

公式:U=4.44f1N1Φm, “U”值不变, 磁通“Φm”跟随频率“f”变化而出现波动, “f”和“Φm”呈反比, 磁通下降始终伴随着频率的增高, 电机做大允许输出力矩出现下滑, 因此电机性能出现剩余, 为了让电机磁能恒定稳定在理想范围, 针对频率的调节要配合电压调节, 实现电压“U”与“f”正比例。假设过载能力始终不变, 频率“f”和电压“U”跟力矩“T”的关系公式为:T=±m1p U2/4Πf1C[±r1+ (x1cx2) ], 该公式中“T”对应的是电机最高转矩, p对应电机极对数, m1代表电机绕组产生的相数, U表示电机的电压和电源, “f1”对应电机电源功率, “r1”代表线圈直流电阻在电机中的数值。“x1、x2”分别对应定子漏抗与激磁电抗, 最后“C”代表的是电机比例系数。根据该公式得出结果, 频率转数与转差不会出现大的波动, 电机理想转数在同步转数下进行调速, 所以变频器对于功率因数、调速等方面影响较高, 可能会发生自动控制闭环的情况。

发电厂风机与泵类之间的负载功率和运行转速关系公式是:P=Kn3, 表示风机与泵这种类型的负载情况。电机转速与输出功率的三次方成正比, 也就是说让电机减少转速的同时, 风机会消耗的电能会根据三次方比例呈现下滑, 机组处于低负荷状态时, 风机需求小, 采取变频器调节后会打开挡板, 阻挡和清除了节流阻力, 节能效果十分显著。

2 高压变频器的性能特点

近些年来, 随着电网负荷峰谷差持续加剧, 调峰指令频繁, 启停次数超过标准。通常高压电机在启动后, 电流额定值是电流6到8倍, 频繁启停让电机所经受的冲击转矩很大程度降低了电动机使用寿命, 高压电机的损毁概率随之增高。高压变频器可以有效应对这一问题, 控制电机的调速范围, 能够在零转速与限定转速范围内实现平滑调节, 在大电机设备让完成小电流启动方式。与此同时, 启动方法和时间还能够按照工况来随时调整, 频率的变更则会在电机低频率时让压频比系数对应电压输出;低速状态下的电机, 不仅电压低, 发热也会得到良好改善, 避免了电机绝缘老化的情况, 在优化电机运行环境的同时, 提高了电机使用寿命。从技术角度来看, 因为节约了升降压转换, 所以装置损耗也会大幅度降低, 增强了装置整体运行效果。

3 高压大容量变频器在发电厂的节能应用

我国目前的电力能源结构比例, 火电发电量占总体80%, 水发电量占比总体比例的19%, 核电仅占不足1%, 因此在多数火力发电企业当中, 电机组和相关辅助设备的稳定运行与节能显得非常关键。在火力发电厂所使用的动力设备之中, 多数为风机水泵, 综合现状来看, 调峰力度正在与日俱增, 火电厂设备负荷范围与变化频率正在增加, 所以对于风机水泵流量的调节十分关键。但事实上, 因为风机水泵调节方法大多数是控制节流阀, 此类调节方法长期造成资源浪费, 通过对变频调速技术的应用, 资源浪费现象有了明显改观, 辅机设备节能效果尤为出众。火电厂对大功率辅机依赖很高, 而大功率辅机造成的耗电是非常巨大的, 并且时常伴随着电机烧毁的风险。利用变频技术, 在实现节能降耗过程中, 对高压电机进行软启动, 优化电机工作环境。

兰州西固热电厂的冷却塔水量供给依靠循环水泵进行通风, 其选用轴流式水泵来控制和调节流量, 但效果并不明显, 启停水泵十分频繁, 对于电厂生产造成了不便, 与此同时, 循环水与煤这些资源也出现很大的浪费。兰州西固热电厂尝试利用变频器系统改变现状, 通过对变频控制的调节, 有效降低循环水大量流失的情况, 循环水的循环倍率得到显著加强, 真空度均数和煤耗也随之减少, 确保了机组运行节能。厂方的统计数据显示, 应用变频器后, 循环水、电力、煤耗等几项总计节约了714万元作用, 三个月后便完成了收回变频器投资成本。

另一个实例, 北京某发电公司进行机组调峰时, 机组负荷长期处于75%左右, 吸风机设备的入口采取挡板调节, 在负荷满点时, 挡板开度呈60%, 机组调峰开度仅为40%前后, 能量损耗巨大, 风机运行效率不理想。该厂引入变频调节后, 由变频器运行平稳, 调节功能易于设置, 节能效果明显, 经中国电力科学院所开展的现场试验, 机组满负荷状态下运行节能率高于45%, 在70%左右的负荷率时可节能率55%, 一年电费节约超过100万, 节能效果非常可观。

4结束语

高压辅机的平稳运行以及电机组保持良好工作状态, 这对于发电企业来说非常关键, 假设这些关键生产设备由于负荷或启停问题而出现故障, 极有可能引发机组烧毁或变锅炉熄火等严重事故, 发电厂必将因此蒙受损失。因此, 本文建议发电厂引入大容量高压变频器, 它能够确保电机组设备运行的可靠性, 随时可以进行转速调节与控制。此外, 发电厂还要注意散热、温差、系统干扰等问题, 通过应用高压变频器, 发电企业可以收获显著的节能效益, 为发电事业营造良好的工作环境。

摘要：论文了高压变频技术的原理, 以及电厂关键用电设备的改造, 利用实例来论证变频器在发电厂中所发挥的节能作用, 分析了高压变频技术为电厂所带来的节能效果和增强电厂经济效益等作用。

关键词：高压变频器,发电厂,节能改造

参考文献

[1]许海滨, 张立军, 吴涛.国产高压变频器在煤矿主扇机中的应用[J].中国高新技术企业, 2008.

[2]王海波, 罗韦华.大功率高压变频器在主扇机中的应用[J].煤, 2008 (06) .

[3]陈义中.高压变频器在火力发电厂送风机上的应用[J].电机技术2010 (02) .

高压变频器启动注意事项 第2篇

2.如果变频器始终没有提供 “高压合闸允许”信号，请确认变频器控制电源是否合上，柜门是否关好，旁通柜隔离开关是否正确到位，变频器本身是否处于故障状态，以及和变频器相关的系统信号是否正确;

3.每次分断6kV高压开关后,必须至少在160秒后方可再次送电;

4.旁通柜隔离开关处在变频位置时，用户6kV高压开关合闸只相当于给变频器送电，电机并不启动，需要启动电机，还必须给变频器发运行命令指令;

5.启动变频器以前，风机挡板或水泵出口阀门最好处于关闭位置。并确认电机没有因为挡板或出口阀门不严和其他原因而反转，否则容易引起变频器启动时过流停机;

6.变频器需要启动时，如果风机或水泵刚停机不久，应确认风机或水泵已经完全停转，否则容易引起变频器启动时单元过电压，

7.DCS只有在变频器处于远程控制状态并同时得到变频器的“请求运行”信号后，才能给变频器发启动指令，正常启动变频器;

8.变频器启动后，自动将电机加速达到DCS的给定速度。如果当时DCS的给定速度小于最低速度设定值，变频器将按最低速度运转。

9.DCS给变频器发启动命令后，如果当时DCS的给定速度和变频器最低速度设定值均为0，则电机仍然不会转动，这时DCS必须设置一个合理的转速设定值。

10.电机通过变频器启动，对电机、高压开关开关、电网和负载系统的冲击都很小，只要满足以上条件，启动次数及时间间隔没有限制。

高压大容量变频器 第3篇

由北京时代金能电气科技有限公司研发的可直接应用于高压电动机的系列高压大容量交流直接变频器, 日前在京通过了专家鉴定。专家认为, 该产品新颖的工作原理及电路结构为世界首创, 克服了当前常规高压变频器的诸多缺点, 是通用高压变频器技术领域的一个重大突破。专家认为, 该公司研发的交流直接变频技术应用于高压电动机, 其最优化运行将实现节能30%～60%。从理论上测算, 如果我国所有电动机都装上交流直接变频器, 每年可节省相当于30个三峡水电站的发电能量。

据悉, 该技术此前已获得中国和美国发明专利, 并通过《专利合作条约》 (PCT) 国际专利审查。 (新华网)

高压大容量变频器 第4篇

关键词：门极可关断晶闸管(GTO)变频器,多重化,脉宽调制(PWM),分析

0 引言

随着电力电子学的飞跃发展,交流电机调速传动已广泛应用于要求快速响应、低转矩脉动的轧机主传动以及泵、风机等广阔的交流传动领域[1]。在中小容量交流电机传动中,以金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、双极晶体管和绝缘栅双极晶体管(IGBT)这类自关断元件构成的变频器装置为主,在大容量交流电机传动中,晶闸管变频器和交-交变频器装置曾占据着主导地位[1]。然而晶闸管变频器存在着电机转矩脉动,交-交变频器存在着需要改善电源高次谐波和功率因数等问题。在这种形势下,大容量门极可关断晶闸管(GTO)变频器应运而生,它通过GTO串联,在相间接入电抗器,实现变频器多重化,再配合电动机多相化技术,展示了实现十几兆伏安级大容量化的前景。对应用于轧机主传动的快速响应、大容量GTO变频器系统进行技术分析。系统控制中确立了能良好地保持各单元变频器间的电流平衡,而且可以大幅度降低电动机电流中的高次谐波成分的多重化PWM控制方法,电源侧整流器也由GTO元件构成,实现可控化,因而能够实现相对电源的高功率因数,低谐波运行,获得了优于交-交变频器系统的速度控制性能。

1 GTO变频器系统的电路结构分析

图1所示为快速响应、大容量GTO变频器系统。接电源侧的整流器的构成与逆变器完全相同。两组单元逆变器通过中间接电抗器并联,实现多重化,以增大装置的容量,通过感应电动机由三相向六相或九相扩展,传动系统的容量可扩大2～3倍。变频器的多重化和电动机多相化不仅能产生大容量化效果,而且能大幅度降低电动机发生的转矩脉动[1]。

整流器也是由GTO构成的,能够控制电源电流与电源电压同相位或任意的相位,也就是可任意调节电源功率因数,包括功率因数为1。逆变器同样可通过多重化,能大幅度降低电源电流中的高次谐波成分,使电源电流波形近似于正弦波。整流器部分为了提高控制直流电压Ed保持一定的响应,采用了负反馈构成电流控制系统,在控制有功电流(q轴电流)和无功电流(d轴电流)的基础上,附加直接控制电源电流的三相交流电流控制回路。若d轴电流的指令值i*dc=0,则电源功率因数等于1;i*dc>0,则为滞后功率因数;i*dc<0,则为超前功率因数。

在逆变器部分,为了在宽范围内高精度且快速响应地控制感应电动机的速度,采用了交-交变频器系统上应用的矢量控制技术,对于从速度和磁通控制回路来的电流指令,为使电动机电流(交流量)跟踪无相位延迟,在控制d-q轴电流的同时,进行d轴电流(励磁电流)和q轴电流(转矩电流)的解耦控制。为了尽量减小主回路常数的影响,还设置了直接控制电动机电流的三相交流电流控制回路。

图1示出的逆变器的单元,其单元逆变器的主回路构成如图2所示。为了实现大容量和回路的高压化,每个桥臂由2个耐高压的GTO串联构成,在触发控制中,根据GTO开关特性的分散性,对门脉冲信号进行时间调整,使串联GTO关断和导通时间充分一致,很好地保持电压分配的平衡。通过两逆变器的直流侧共接,降低纹波,减小滤波电容器容量。设置相间电抗器,相当于附加了两变换器间的电流平衡,减小了励磁电源电流。

2 多重化脉宽调制PWM控制方法的分析

为了实现变频器装置大容量化,图1中在二组GTO单元逆变器的输出端接相间电抗器,将两个逆变器并联,实现多重化。多重化方式能够降低逆变器输出电流即电动机电流中高次谐波成分,即使在GTO开关频率低时,也能有效地降低高次谐波,而且在多重化变频器系统中,能良好地保持各单元逆变器间的电流平衡。这里PWM控制也起着重要的作用,尤其对于实现各单元间电流平衡控制,起着更为重要的作用,图3中只画出了U相的PWM控制方块图,其它V、W相的控制方块图与U相的构成完全相同。

首先判断电压指令Vu*的极性,输出信号Sul。当Vu*≥0,则调制波eu=Vu*-Ec,当Vu*<0,则eu=Vu*+Ec(Ec为载波振幅)。将这个调制波eu与载波ec进行比较,得Su2。另一方面,判断各单元逆变器的电流差Δiu的极性,将这个Δiu和载波ec输入闩锁电路,产生闩锁信号Su3。在电流平衡控制逻辑回路中,由Su1、Su2、Su3来控制输出各GTO(G1～G4)的触发。电流平衡控制的基本规则如表1所示。

当Su1=Su2=1时,触发G1和G3,这时,输出电压Vu=E/2;当Su1=Su2=0时,触发G2和G4,输出电压Vu=-E/2;Su1=0,Su2=1或Su1=1,Su2=0,使各相应GTO触发而输出电压Vu=0,这些情况各自存在二种触发方式,选择使电流差Δiu近似于零触发方式,例如,当Su1=0,Su2=1时,而且Δiu的极性为正时,选择使Δiu减小方向的电压加在相间电抗器的触发方式。即给G2、G3触发信号。由以上分析可知,相间电抗器上通常被施加了使电流差Δiu为0方向的电压,因而能够良好地保持电流平衡。

3 结语

多重化PWM控制不仅增大了装置容量,而且输出电压为阶梯波形,大幅度降低了高次谐波[2]。多重化装置能将输出电流的纹波成分降低到单一装置的1/4左右,多重化(二重化)后,开关频率提高为单一装置时的开关频率的约4倍。系统运行结果表明,能平滑进行正、反转的快速加减速运行,可得到转矩分量电流达到峰值的时间为3.5 ms,截止角频率为900 rad/s的快速响应,速度的阶跃响应也能得到达到峰值时间为36 ms,截止角频率为87 rad/s的良好结果。与交-交变频器系统相比具有同等以上的指标,同时实现了电源电流的正弦化和电源的高功率因数运行,该系统在轧机主传动等各个领域中有着广阔的应用前景。

参考文献

[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].第3版.北京:冶金工业出版社,2004.

变频器容量选择的探讨 第5篇

交流电机变频调速技术是近几年来发展起来的一项新技术。随着电力电子学、微电子学、计算机技术和控制理论的迅速发展, 交流传动系统在宽调速、高精度、快速响应和四象限运行等性能方面也达到了与直流调速相媲美的效果。以变频器为核心的变频调速因其优异的调速性能而被认为是最有发展前途的调速方式。目前变频器已迈进了高性能、多功能、小型化和廉价化阶段。为了便于合理地使用变频器, 对变频器的容量选择作简略探讨。

2 变频器容量的选择

变频器容量的选择是一个重要且复杂的问题, 要考虑变频器容量与电动机容量的匹配问题, 容量偏小会影响电动机有效力矩的输出, 影响系统的正常运行, 甚至损坏设备, 而容量偏大则电流的谐波分量增大, 也增加了设备投资。

2.1 变频器容量选择的三步骤

2.1.1 了解负载恒定和变化规律, 计算出负载电流的大小或作出负载电流图I=f (t) ;

2.1.2 预选变频器容量;

2.1.3 校验预选变频器, 必要时进行过载能力和起动能力的校验。若都通过, 则预选的变频器容量便选定了;否则从2开始重新进行, 直到通过为止。在满足生产机械要求的前提下, 变频器容量越小越经济。

2.2 基于不同电动机负载电流的变频器容量的选择

2.2.1 变频器容量的三种表示方法

a.额定电流;

b.适配电动机的额定功率;

c.额定视在功率。

2.2.2 变频器的过载能力

不管是哪一种表示方法, 归根到底还是对变频器额定电流的选择, 应结合实际情况根据电动机有可能向变频器吸收的电流来决定, 通常变频器的过载能力有两种:a.1.2倍的额定电流可持续1min;b.1.5倍的额定电流可持续1min;而且变频器的允许电流和过载时间是反时限的关系。如1.2 (1.5) 倍的额定电流可持续1min;而1.8 (2.0) 倍的额定电流可持续0.5min。这就意味着:无论任何时候向电动机提供在允许过载电流的持续时间都必须在限定的范围内;过载能力这个指标对电动机来说, 只有在起动 (加速) 过程中才有意义, 在运行过程中实际上等同于不允许过载。

3 如何根据电动机负载电流来选择变频器的容量

3.1 一台变频器只供一台电动机使用 (即一拖一)

在计算出负载电流后, 还应考虑三个方面的因素:一是用变频器供电时, 电动机电流的脉动相对工频供电时需大些;二是电动机的起动要求, 即是由低频、低压启动, 还是额定电压、额定频率下直接起动;三是变频器使用说明书中的相关数据是生产厂家用标准电机测试出来的, 因此要注意按常规设计生产的电机在性能上可能有一定差异, 在计算变频器容量时需留适当的余量。

3.1.1 恒定负载连续运行时变频器容量的计算

由低频、低压起动, 变频器用来完成变频调速时, 要求变频器的额定电流稍大于电动机的额定电流即可:

IFN≥1.1IMZ

式中:IFN变频器额定电流;

IMZ电动机额定电流。

额定电压、额定频率直接起动时, 对三相电动机而言, 由电动机的额定数据可知, 起动电流是额定电流的5~7倍, 因而得用下式来计算变频器的额定电流IFN。

IFN≥IMst/k Fg

式中:IMst电动机在额定电压、额定频率时的起动电流;

k Fg变频器的过载倍数。

3.1.2 周期性变化负载连续运行时变频器容量的计算

在很多情况下电动机的负载具有周期性变化的特点。显然, 在此情况下, 按最小负载选择变频器的容量将出现过载, 而按最大负载选择又不经济。由此推知, 变频器容量可在最大负载与最小负载之间适当选择, 以便变频器得到充分利用而又不到过载。

首先作出电动机负载电流图n=￠ (t) 及I=f (t) , 然后求出平均负载电流Iav, 再预选变频器的容量, 关于Iav的计算采用如下公式:

考虑到过渡过程中, 电动机从变频器吸收的电流要比稳定运行时大, 而上述Iav没有反映过渡过程中的情况。因此, 变频器的容量按IFN≥ (1.1~1.2) Iav修正后预选 (式中Ii为第i段运行状态下的平均电流, t为第i段运行状态下对应的时间) , 同时若过渡过程在整个工作过程中占较大比重, 则系数 (1.1~1.2) 选偏大的值

3.1.3 非周期性变化负载连续运行时变器容量计算

这种情况一般难以作出电流负载图, 可按电动机在输出最大转矩时的电流计算变频器的额定电流, 可用下式确定:IFN≥IM (max) /k Fg

式中IM (max) 为电动机在输出最大转矩时的电流。

3.2 一台变频器同时供多台电动机使用 (即一拖多)

除了要考虑一拖一的几件情形外, 还可以根据以下情况区别对待。

3.2.1 各台电动机均由低频低压起动, 在正常运行后不要求其中某台因故障停机的电动机重新直接起动, 这时变频器容量为:

式中:∑IMN为其余各台电动机的额定电流之和;IM (max) 为最大电动机的启动电流。

3.2.2 部分电动机直接起动, 另一部分电动机由低频、低压起动。除了供电动机运行的总电流不超过变频器的额定输出电流之外, 还要考虑所有直接起动电动机的起动电流, 即IFN≥ (∑IMst'+∑IMN') /k Fg

式中:∑IMst'为所有直接输出起动电动机在额定电压、额定功率下的起动电流总和;

∑IMN'为全部电动机额定电流的总和。

上述是变频器容量选择的一般原则和步骤。在生产实际中, 还需要针对具体生产机械的特殊要求, 灵活处理, 很多情况下, 也可根据经验或供应商提供的建议, 采用一些比较实用的方法。

4 变频器起动加速能力的校验

在电动机起动 (加速) 过程中电动机不仅要负担稳速运行的负载转矩, 还要负担加速转矩, 如果生产机械对起动 (加速) 时间无特殊要求, 可适当延长起动 (加速) 时间来避让峰值电流。若生产机械对起动 (加速) 时间有一定要求, 就要慎重考虑。

综上所述, 变频器的允许电流与过载时间呈反时限关系。如果电动机起动 (加速) 时, 其电流小于变频器的过载能力, 则预选容量通过, 如果电动机起动 (加速) 时, 电流已达到变频器的过载能力, 而要求的加速时间又与变频器过载能力规定的时限发生冲突, 这时变频器的容量应在预选容量的基础上增容。

结束语

结合实际中可能遇到的几种情况, 总结了在不同电动机负载电流下变频器容量的选择方法, 从而为变频器容量的合理选择提供了一些有益的参考。

参考文献

[1]吴忠智.变频器应用手册[J].2002.

大容量高压交流电动机软起动分析 第6篇

随着国家经济的高速发展, 各工业企业生产规模迅速扩大, 企业用电设备数量、容量及单台电机最大容量也随之不断增大, 用电状况十分复杂对电网有较高要求。大容量电动机主要指额定工作电压为6k V或10k V的电机, 容量从几千到几万千瓦不等, 为保证大电机起动时自身及电网安全, 各种大容量电气软起动装置应运而生, 如频敏变阻器、水电阻、热变电阻、晶闸管、电磁调压、变频器等, 在工程实践中得到了广泛应用。

1 大容量电动机直接起动的弊端

大容量高压电动机直接起动时电流大, 无功需求高, 对电网的冲击明显, 在供电电网容量受限时, 往往造成大电机自身的起动困难, 并可能导致其它已运行电气设备等因供电母线压降较大造成跳闸停机甚至烧毁的严重后果。对大电机自身而言, 直接起动电流可达4-7倍的额定电流, 造成电动机绕组温度过高, 电机绝缘老化加速, 并且过大的起动转矩对被带动的机械造成较大的机械冲击, 缩短其使用寿命。

在此情形下, 各类电气软起动装置应运而生, 但由于用户千差万别, 故各类电气软起动装置均有不同的应用市场。

2 高压软起动装置主要类型

高压软起动装置如概述中所述分为多种, 下面予以介绍。

2.1 频敏变阻器

频敏变阻器应用于绕线式电机, 串接于电机转子回路中, 当电机起动时, 频敏变阻器的阻抗随着转子电流的频率变化而成正比变化, 刚起动时, 转子电流频率最大, 电动机可获得较大起动转矩, 起动后, 随着转子电流频率的下降, 频敏变阻器阻抗逐步减小, 近似地得到恒转矩特性, 实现了电机的无极调速, 起动完毕后, 频敏变阻器经短接退出。

频敏变阻器的优点:

1) 能平滑、无级、自动地起、制动;

2) 结构简单, 坚固耐用, 维修方便;

3) 价格低廉。

频敏变阻器的缺点:

适用范围小, 调节精度不高。

2.2 水电阻起动动装置

水电阻起动利用伺服电机改变浸泡在导电液体 (一般由Na2CO3和水配制) 中电极板之间的电气距离, 使水电阻由大到小平滑无级变化, 电极板串接于电机起动回路中, 电机在起动过程中端电压随极板间距减小逐渐上升至直至全压, 实现电机软起动。

水电阻起动的优点是:

1) 在软起动过程中不产生高次谐波;

2) 价格低廉。

水电阻起动的缺点是:

1) 高压电动反电势建立的速率和水电阻变化的速率很难吻合, 从而造成了起动电流的斜率很大。

2) 环境温度对起动性能的影响大。水电阻导电的实质是靠离子的移动, 电阻大小由导电离子的多少决定, 水电阻由Na2CO3和水配制而成, 其溶剂溶解度受外界温度的影响, 温度越高溶解度越高, 水电阻率越小, 温度越低溶解度越低, 水电阻率越高, 因而水电阻夏天起动电流大 (有时高达5倍额定电流) , 而冬天起动困难, 严重时需要重新配液方可解决, 加上水的蒸发和补充及其它导电离子进入液阻箱, 均会引起液体电阻的改变。

3) 对环境要求高, 水电阻软起动装置不适合于置放在易结冰的现场。

4) 液阻箱容积大, 其根源在于阻性限流, 减少容积引起温升加大, 一次性起动后电解液通常会有10℃-30℃的温升, 使软起动的重复性差。

5) 控制功能低下, 起动时间、停止时间、初始电压、限压范围等主要控制参数均不能方便地调节, 移动极板需要有一套伺服机构, 它的移动速度较慢, 难以实现起动方式的多样化。保护功能不全, 无自检、过载保护、电流不平衡、断相等保护。

6) 维护困难。须经常维护, 须经常加液体以保持液位。在高压回路里加水作业有很大危险性。电极板长期浸泡于电解液中, 表面会有一定的锈蚀, 需要作表面处理。

7) 安全性差。这是该装置最大的隐患, 一旦维护不及时, 至液位过低, 起动时有引起装置爆炸的危险, 爆炸后引起高压接地, 给人员、设备带来灾难性的后果。在起动时有噪声及电动力致使之震动, 特别是在极板运行中易造成导电水飞溅, 安全性差。在高压起动回路中, 用传动电机及传动机构控制极板运行, 一旦控制失灵, 后果比较严重。

2.3 热变电阻起动动装置

热变电阻起动利用液体的负温度特性来改变其电阻, 所谓负温度特性, 即温度越高, 阻值越小, 温度越低, 阻值越大。在起动过程中, 将热变电阻器 (含液箱、热敏电解液、电极、导流机构等构成) 串接于大容量电机的定子绕组中, 起动电流流过热变电阻器加热液体, 温度升高, 阻值减小。起动过程中, 回路总阻抗接近不变, 从而使得电机起动过程电流较小、稳定且功率因数高。当电机起动完毕后, 导流机构快速导出高温液体, 使有效电阻区域内液体温度降至常温附近, 以利于下一次起动。

热变电阻软起动优点:

1) 电极无需动, 因而减免了移动电极的伺服机构, 减免了伺服机构可能带来的不安全;

2) 起动电流较小, 一般不大于2.5Ie, 有显著的软起动特性;

3) 起动时功率因数高, 一般可维持在0.8以上, 母线压降低, 对电网稳定运行有益;

4) 同时起动时起动转矩由小逐步增高, 使得机械设备起动平稳, 无冲击及噪音;

5) 价格低廉。

热变电阻软起动缺点:

1) 热变电阻为保温, 必须把水箱封闭, 且采用两层水箱, 层与层之间注入变压器油隔离, 液体在有限空间内加热, 极易发生爆;

2) 热变电阻的整个起动过程是不可控制的, 谈不上闭环控制;

3) 相比于液阻, 环境温度对起动性能的影响更加严重;

4) 具有一切液态软起动装置的共性, 如发热量大、体积大, 不能作到免维护;

5) 对环境尤其是温度变化的耐受能力较差, 难于保证不同环境温度下软起动性能的一致性;软起动功能单一, 使适用范围受到一定的限制;不能实现软停止, 不能实现带电流突跳的软起动。

2.4 晶闸管软起动

晶闸管软起动装置是利用反并联晶闸管及电子控制电路串接于三相电源与待起动电机之间, 利用晶闸管的电子开关特性, 通过软起动装置中的单片机控制晶闸管触发脉冲、触发角的大小来改变晶闸管导通程度从而改变其输出电压, 进而改变起动电机的定子机端电压。当晶闸管导通角从00开始上升时, 电机开始起动, 随着导通角的增大, 晶闸管输出电压也随之增大, 电机转速进一步升高, 直至晶闸管全导通, 使电机电压接近额定电压, 电机起动完毕后, 软起动装置被旁路, 电机改由工频运行方式。

晶闸管软起动装置优点:

1) 起动电流、电压可控;

2) 起动过程无级调速, 并适应频繁起动。

晶闸管软起动装置缺点:

1) 不能根据现场根据综合条件调整起动参数, 达不到全面优化的起动效果;

2) 起动电压到起动完成时, 电压与全压有差距, 切换到全压时有冲击;

3) 一般只能接入电动机前端;

4) 串并联大量的晶闸管, 故障点多, 维护、检修复杂;

5) 价格较为昂贵。

2.5 电磁调压软起动

电磁调压软起动装置是采用一个可变电抗器件做为执行元件接入大电机定子回路, 用相对电压较低的晶闸管 (或其他电力电子器件) , 通过电磁转换的原理, 调节电抗值, 改变电动机的机端电压, 从而达到控制电动机的起动过程, 达到软起动的目的。

电磁调压软起动装置特点:

1) 通过低压控制高压可调压变压, 其性能稳定可靠, 耐冲击性能强、噪音小;

2) 晶闸管在变压器二次回路, 晶闸管无过压风险, 无须光纤触发, 性能稳定可靠, 故障点少;

3) 由于变压器的隔离, 对电网谐波干扰大大减小, 电网侧只有2%左右, (小于国家标准4%) , 有效克服超大容量的电动机起动时的电磁干扰。

4) 与传统的电抗器、自耦变压器比较, 起动转矩大, 起动过程平稳可控, 无二次切换冲击;

5) 起动电压可调, 可以根据负载的特征, 设置较低的起动初始电压, 从而电动机的起动电流更低, 对电机和机械设备冲击小;

6) 当电网容量偏低时, 还可并联起动补偿电容, 将起动电流控制到1.5倍额定电流, 进一步减少对电网的冲击, 降低网压降;

7) 接线方式灵活, 可接于大电机机端侧或中性点侧。

2.6 变频器软起动

变频器软起动方式是指大电机起动过程中既改变变频器输出端电源频率, 又改变电源电压的一种起动方式, 起动曲线平滑, 适用于各种起动条件, 是目前最先进的一种软起动方式, 但其价格昂贵, 并产生高次谐波污染电网, 在起动次数较少且电机负载率且工作稳定条件下, 选用变频器是不经济的, 因而本文不予推荐。

3 采用电磁调压软起动的工程实例

3.1 工程概述

国内某钢铁公司建造两座1250m3高炉, 配置两台10k V 19000k W汽动-电动风机 (以下简称BPRT风机) 及一台10k V 19000k W AV63备用电动鼓风机, 外部供电为两路35k V电源。在高炉区设35/10k V变电所一座, 配置2×50MVA主变, 35k V及10k V均采用单母线分段接线方式, 两台19000k W BPRT风机电机分别由35k V变电所两段10k V母线供电, 19000k W AV63备用电动鼓风机经切换, 可由10k V任一段母线供电以替换该母线段上退出运行的BPRT风机, 同时禁止任意两台风机在同一段10k V母线同时工作。

由于风机电机容量很大, 直接起动时电流大, 母线压降不满足国标要求, 经技术、经济比较, 设计采用电磁调压软起动方式对上述三台大电机进行软起动, 软起动装置内电磁调压部分起动柜为双套 (一用一备) , 三台风机电机起动模式为软起二拖三, 为保证风机起动时因功率因数较低 (Cos=0.3左右) 电磁调压软起动装置配置有专用起动电容器, 在风机起动完毕后切除退出。

经工程实践, 该套电磁调压软起动装置起动效果良好, 达到预期效果。

3.2 电气主接线 (见图1)

3.3 BPRT风机 (19000k W, 1485r.p.m) 起动时电气参数表

3.3.1 系统参数

3.3.2电动机参数

3.3.3 负载参数

3.3.4 电动机起动参数

4 结论

高压软起动装置多种多样, 应根据工程实际状况, 考虑电网、工艺设备要求、现场土建条件、业主资金条件等各方面因素进行综合评估, 在保证安全、可靠、经济的前提下选用最为合理的方案以保证工程的顺利实施。

摘要：随着国家经济的高速发展, 各工业企业生产规模迅速扩大, 企业用电设备数量、容量及单台电机最大容量也随之不断增大, 用电状况十分复杂, 对电网有较高要求。高压大电机直接起动, 有诸多弊端, 因而各种高压电气软起动装置应运而生。本文有两个主要目的, 一是对各种现行高压软起动装置进行介绍, 另一是结合工程实例, 对电磁调压软起动装置的应用进行实例展示。

关键词：大容量电机,直接起动,电气软起动装置,电磁调压软起动装置

参考文献

[1]卓乐友.电力工程电气设计手册[M].北京:水利电力出版社, 1991.

[2]陈延镖.钢铁企业电力设计手册[M].北京:冶金工业出版社, 1996.

高压大容量变频器 第7篇

目前大量电力电子器件已应用于煤矿系统, 由此带来的谐波及无功问题也愈发严重, 煤矿系统中的谐波污染的问题亟待解决。煤矿系统中谐波污染主要来自于变频器、整流器及各种变流设备的大量使用。在谐波污染越来越严重的大前提下, 对谐波的治理已成为各专家学者研究的热点问题。传统的谐波治理方法为无源滤波器, 但是该方法具有补偿对象单一、不能动态补偿等缺点, 且容易引发不需要的谐振。有源电力滤波器作为一种谐波及无功补偿装置, 具有较高的补偿范围, 可以动态补偿谐波及无功, 已经被广大学者列为研究对象, 并取得丰硕的研究成果。但是, 有源电力滤波器的研究大多为低压市电系统的研究。对于煤矿行业, 其高压大容量的特点不得不作为实际考虑情况并进行研究。

本文针对煤矿系统高压大容量的特点, 在传统有源电力滤波器基本原理的基础上, 提出了一种混合级联多电平拓扑结构, 可以提高输出功率等级和开关频率, 提高补偿效果。

1 并联有源电力滤波器

1.1 并联有源电力滤波器的基本原理

如图1所示, APF系统主要分为电网、谐波源和APF装置3个部分。有源电力滤波器通过对非线性负载 (谐波源) 进行实时的谐波检测, 并以与谐波电流相反的电流信号为指令电流对APF装置进行控制, 使其发出与负载谐波相反的电流, 抵消掉电网中的谐波电流, 以达到谐波治理的目的。

1.2 基于瞬时无功功率理论的ip-iq谐波检测算法

为了获得与A相电网电压同相位的正余弦信号, 可通过采用锁相环 (PLL) 和正余弦发生器来产生。将三相谐波负载电流ia、ib、ic通过3/2变换化为瞬时有功电流ip和瞬时无功电流iq, 再将其通过低通滤波器滤波, 可得瞬时有功和无功电流相应的直流分量。再经过2/3变换即可得到各相基波电流。用负载电流减去基波电流即可得到谐波电流。其谐波检测的原理如图2所示, PLL为可使得正余弦信号更好跟踪电网A相电压相位的锁相环。

其中

1.3 电流跟踪算法

为得到快速的电流跟踪性能, 本文采用重复控制加PI的固定开关频率PWM电流控制策略。应用重复控制提高其稳态性能, 并串入PI调节器以保证动态性能 (图3) 。

2 混合级联多电平拓扑结构并联有源电力滤波器

由于煤矿系统为高电压大容量系统, 传统的APF将会对电力电子器件的耐压值有过高的要求, 联系实际情况, 本文提出混合级联多电平拓扑结构的APF。为方便分析, 以A相为例, 其拓扑结构如图4所示。

混合级联多电平APF系统主电路拓扑结构包括PWM变换器构成的电流源部分和与之串联的3个级联H桥逆变器构成的电压源部分。其中电压源部分的3个H桥共用一个直流侧电容, 有利于减少系统成本和简化控制, 采用每个H桥的输出经变压器变比为1∶1k, 1∶3k, 1∶9k的3个变压器后串联的方法, 其中k为变压器变比系数, 电网电压与3个级联H桥逆变器输出电压的基波分量相抵消, 因此在电网电压为高电压时, 电流源部分也可以工作在低压状态, 容量较小, 直流侧母线具有较低的电压。

则根据基尔霍夫定律和电路关系可得下列各式, 其中Em为电网电压幅值。

系统等效电路模型如图5所示。

3 仿真系统实现

为验证所提拓扑结构的正确性与优越性, 并结合煤矿供电系统实际情况, 在MATLAB仿真环境中搭建了三相电压为6 k V的系统, 滤波器容量为1MVA。系统主要包括三相三相制电网、谐波源、谐波和无功检测模块、级联H桥逆变器、电流源PWM变换器和电流跟踪控制模块。具体仿真参数如下:谐波源为不控整流桥带阻感负载, 其中电感值为150 m H, 电阻值为50Ω, 开关频率为15 k Hz, 并网电感为15 m H, 电流源部分PWM变换器的直流侧电压为610 V。

由图6、图7知, 在补偿之前电流畸变严重, 补偿过后电网电流基本为正弦电流。由图8知, 该系统具有较好的动态性能, 在突加和突减负载时, 系统均能快速补偿谐波。

4 实验结果

由于实验条件的局限性, 并不能模拟6 k V的实验系统来验证结果, 为对该拓扑的正确性进行验证, 对高电压条件下的APF进行进一步的研究。根据实际情况, 此次实验拟搭建380 V/10 k W的实验平台。以TI公司的DSP芯片TMS320F2812作为主控芯片, 并与FPGA芯片相结合, 各种算法通过编程实现。通过电能质量分析仪观测和分析实验效果。

由图9、图10可知, 经过有源电力滤波器的谐波补偿, THD从补偿前的29.80%降为补偿后的3.62%, 具有很好的补偿性能。

5 结语

有源电力滤波器在谐波的治理上具有优越的性能, 但是, 由于受限于器件耐压值的硬性问题, 在高电压大容量的煤矿供电系统中, 传统的有源电力滤波器不能受用。本文提出的混合级联多电平的拓扑结构, 很好地解决了器件耐压值低以及电网电压高的矛盾。

由仿真及实验结果看出:由重复控制加PI调节器的电流控制算法配合混合级联多电平拓扑结构的APF系统在高压大容量的煤矿供电系统的谐波治理中具有优良的性能。

摘要：针对煤矿系统中严重的谐波及无功治理问题, 提出了适用于高电压大容量场合的有源电力滤波器。介绍了并联有源电力滤波器的基本原理, 采用混合级联的方式, 解决了有源电力滤波器中电力电子器件耐压值不够等缺点。采用重复控制加PI控制的电流跟踪策略, 基本实现有源电力滤波器对指令电流的无差跟踪。在MATLAB中仿真验证了该拓扑及控制策略的可行性, 在低压实验中验证了该方案的可行性。

高压大容量变频器 第8篇

随着电力电子技术的迅猛发展,电力系统的谐波污染越来越严重。谐波抑制成为近年来人们普遍关注的问题。有源电力滤波器(active power filter,APF)作为一种新型电力电子装置,被认为是最有效和最有前途的谐波治理技术,但由于其成本高昂而影响了推广和应用。为此,人们提出将无源电力滤波器(passive power filter,PPF)和APF结合在一起的混合型滤波器,以降低有源滤波器的容量,从而降低成本,有利于有源滤波技术的推广应用[1,2,3,4,5]。

文献[6,7]提出一种基于基波磁通补偿(fundamental magnetic flux compensation,FMFC)原理的串联混合型有源电力滤波器(series hybrid active power filter,SHAPF),它将变压器一次侧绕组串联在电网与谐波源之间,检测电源电流的基波分量,并通过脉宽调制(PWM)逆变器产生反相基波电流注入串联变压器的二次绕组。满足FMFC条件时,串联变压器铁芯中的基波主磁通被补偿为0,串联变压器对基波电流呈低阻抗,对谐波电流呈高阻抗,从而迫使谐波流入无源滤波器,实现电网与谐波的隔离。通过合理选择逆变器输出电感值和串联变压器变比[8],可获得更加良好的滤波效果。

但是,目前关于基于FMFC原理的SHAPF的研究仍不充分。迄今为止,在实验室中的研究电压低(400 V)、容量小、负载稳定。实验工况与工业实际相距甚远,指导意义不强。本文结合广东某厂实际电力负载情况,将基于FMFC原理的SHAPF应用于10 kV电力系统中,取得了良好的滤波效果,且SHAPF对负载用电影响极小。该工程样机的实验结果为基于FMFC原理的SHAPF应用于电压更高、容量更大电力系统的谐波治理打下了良好的基础。

1 主电路结构与原理

1.1 主电路结构

广东某厂的电气主接线图如图1所示。系统进线电压Us为10 kV。主变压器额定容量为1 MVA,额定变比为10 kV/0.4 kV,连接组号为Dyn11。电力负载的情况较为复杂。主要的谐波源为三相晶闸管整流桥。除此之外,该主变压器还带有一些电炉、生产线和风机等,图1中将其全部以线性负载代替。

实际的无源滤波器为并联在400 V侧的5次单调谐无源滤波支路,共2组。电抗器电感值L5=292 μH,电容器电容值C5=346 μF。电容器每相两并,接成三角形。无源滤波器可根据系统的功率因数自动投切,也可手动投切。投切开关在图1中未画出。

有源滤波器串联接在高压10 kV侧。每相逆变器的直流母线电压UdA,UdB,UdC互相独立。L1为逆变器输出电感;K为控制有源滤波器投入与切除的开关,当K断开时,逆变器生成的基波电流注入串联变压器的二次绕组,APF投入工作;Ut为串联变压器上的电压降;Vs为负载端电压。

1.2 滤波原理

SHAPF的核心是基于FMFC原理的变压器。图2(a)为考虑变比后的单相变压器T形等效电路。图中:k=N1∶N2为变压器的变比,表征实际变压器的绕组折算;L1σ和L2σ分别为变压器一、二次线圈的漏电感;Lm为励磁支路电感;i1和i2分别为变压器一、二次绕组中的电流,i*2为经过绕组折算后的二次绕组电流;C为逆变器直流母线电容。

忽略实际变压器中的电阻分量,逆变器输出电流跟踪串联变压器一次侧电流中的基波,逆变器工作为受控基波电流源,满足基波磁通补偿条件,即

N1i1+N2i2=0 (1)

那么,从串联变压器一次侧端口看进去,串联变压器对基波呈现为很小的一次侧漏电感(L1σ)。

理想状况下,i2中无谐波,因而从串联变压器一次侧端口看进去,串联变压器对谐波呈现为很大的励磁电感(L1σ+Lm)。

变压器初级线圈串接于系统进线,则图1的单相等效电路如图2(b)所示。图中:Zs为系统内阻抗;nXL和XC/n分别为无源滤波器中电抗器和电容器的阻抗,二者之和为无源滤波器阻抗ZPPF;串联变压器相当于在系统侧串接了额外的谐波阻抗Zt;In为n次谐波源电流;IPPFn为流入无源滤波器的n次谐波电流。投入APF后,流入系统的n次谐波电流Isn为:

${\rm I}{}_{\text{s}n}=\frac{{\rm Z}{}_{\text{Ρ}\text{Ρ}\text{F}}}{{\rm Z}{}_{\text{s}}+{\rm Z}{}_{\text{Ρ}\text{Ρ}\text{F}}+{\rm Z}{}_{\text{t}}}{\rm I}{}_n(2)$

相比Zs和ZPPF,Zt可设计得非常大。因此,串联变压器能够极大地增加系统的谐波阻抗,迫使谐波流入无源滤波支路,从而改善滤波效果。显然,若Zt趋向于无穷大,则Isn将会趋向于0。在这种方式中,有源滤波器由于不承受交流电源的基波电压,容量很小。因此,该有源滤波技术很适用于高压大容量谐波抑制场合。

文献[9,10]进一步提出串联变压器采用二次侧多绕组结构,其好处是可由多个逆变器来共同补偿一次侧的基波电流,从而减小单个逆变器的容量,实现了用小容量的逆变器构成大容量SHAPF,降低了成本。考虑到变压器二次绕组较多时难以保证每个二次绕组参数的一致性,因此本项目的串联变压器采用二次侧双绕组结构,每个二次绕组分别接一个单相H桥逆变器,如图1所示。

2 总体设计

2.1 串联变压器的参数设计

将工厂10 kV进线等效为无穷大系统,则工厂主变压器的内阻抗等于系统阻抗Zs。根据主变压器的铭牌参数,可求出10 kV系统的系统额定电流Ie=57.7 A,经过三角形/星形等效变换后10 kV系统内阻抗Zs=4.5 Ω,内阻抗的等值电感Ls=14.3 mH。以APF投入以后系统对基波的阻抗基本不变,对谐波的阻抗增大10倍为目标,则有:

Ls+L1σ+Lm≥10(Ls+L1σ) (3)

化简式(3),可得:

Lm≥9(Ls+L1σ) (4)

根据式(3)和式(4),实际设计的串联变压器励磁电感Lm=158 mH,串联变压器短路电感为4 mH。一、二次绕组各占一半,L1σ=L2σ=2 mH。系统对基波的内电感为系统主变压器短路电感与串联变压器短路电感之和,即Ls+L1σ=16.3 mH,增大极为有限。

而对于谐波,系统等效内电感是主变压器的短路电感、串联变压器一次侧漏感与励磁电感的三者之和,即Ls+L1σ+Lm=174.3 mH,约等于12Ls。

容量是串联变压器的另一重要参数。考虑到基波检测误差和逆变器的滞后效应,实际中串联变压器铁芯中一般有2%～4%的基波磁通没有得到补偿,变压器对基波呈现的电感为(1-α)Lm,其中α为基波磁通补偿系数。同时,串联变压器的一次绕组流过系统的全部电流,这与基于磁通补偿的可控电抗器[11]的工况类似。可得单相串联变压器的基波容量为:

St=I2eω1(1-α)Lm (5)

式中:ω1为系统基波角频率。

假设实际基波磁通补偿系数为α=0.96,将Lm=158 mH代入式(5),可得单相串联变压器的基波容量为6.69 kVA。由于APF投入以后,系统电流的畸变率一般低于5%,流过串联变压器的谐波电流很小,串联变压器的谐波容量相对于基波容量而言可以忽略。工程中留有一定的裕量,实际取St=10 kVA。

为尽量减少串联变压器励磁支路上的谐波电压对逆变器的影响,串联变压器变比取为10∶1∶1。

根据以上设计,串联变压器的实际参数为:励磁电感Lm=158 mH;变比为10∶1∶1;容量St=10 kVA;铁芯截面积Az=66.88 cm2;一次绕组匝数N1=320。

APF在实际运行中,如遇故障,应将串联变压器二次侧短路并封锁逆变器的驱动信号。在最不利的情况下,只封锁了逆变器的驱动信号而没有将串联变压器的二次侧短路,串联变压器二次侧端口电压会通过逆变器的反并联二极管给直流母线充电。为保证装置的可靠性,在这种情况下母线电压也不应超过逆变器绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的耐压。

在上述情况下,变压器二次侧绕组开路,所有的系统电流都将流过变压器的励磁支路,变压器铁芯进入磁饱和。铁芯饱和时电路磁路数值计算十分复杂,目前尚无简便有效的计算方法,仅依赖于仿真[12,13]。且目前对变压器铁芯饱和问题的研究主要集中在高压直流输电领域中的直流偏磁问题,而对于交流大励磁电流饱和效应的研究较少。关于考虑饱和效应以后串联变压器端口电压对APF安全性的影响在后续文章中将给予详细的仿真论证,在此仅以2种极端情况,给出变压器端口电压的范围。

在正弦交流励磁电流很大的情况下,铁芯中的磁通将呈现为平顶波,含有大量谐波磁通。根据武汉钢铁(集团)公司提供的变压器硅钢片的技术资料,铁芯的最大磁通密度Bm不会超过2.5 T。取Bm=2.5 T,并忽略其中的谐波磁通,则根据电磁场理论,串联变压器二次侧端口基波电压的有效值下限为:

$U{}_{\min }=\frac{4.44f{\rm N}{}_1\Phi {}_{\text{m}}}{k}=\frac{4.44f{\rm N}{}_{1}B{}_{\text{m}}A{}_{\text{z}}}{k}=118.8\text{V}(6)$

式中:f为电网基波频率;Φm为铁芯中的磁通。

完全不考虑铁芯饱和效应,串联变压器对外呈现为Lm=158 mH的电感,则可求出串联变压器二次侧端口基波电压的有效值上限为:

$U{}_{\max }=\frac{{\rm I}{}_{\text{e}}\omega {}_{1}L{}_{\text{m}}}{k}=289.8\text{V}(7)$

式(6)和式(7)表明,在逆变器驱动信号被封锁,串联变压器的二次侧绕组未被短路的情况下,变压器二次侧端口电压不大,逆变器的安全能够保证。

2.2 逆变器设计以及基波电流检测

由于串联变压器采用二次侧双绕组结构,变比为10∶1∶1。因此,单个逆变器输出电流为系统电流的5倍。功率器件选用英飞凌FF300R12ME3型半桥IGBT模块。逆变器开关频率为8 kHz,采用单级倍频的工作方式,等效开关频率为16 kHz。

与传统的并联型APF不同,基于FMFC原理的SHAPF只需检测系统中的基波电流分量。相对于谐波,基波电流信号大、频率低、更稳定,检测电路和控制程序中各种误差对基波的影响更小,从而降低了对检测和控制电路精度的要求。

实际采用的基波电流检测方法如图3所示,文献[14]对其原理作了详细的说明。图中:i1为变压器一次侧电流,包括基波和各次谐波;$\sqrt{2}\sin \omega t$和$\sqrt{2}\cos \omega t$分别为正交的50 Hz正弦和余弦信号,通过信号检测及低通滤波器(LPF)后,得到i1中的基波分量i1(1)。再根据串联变压器的变比和二次绕组数,乘以补偿系数γ,即得到逆变器的输出电流指令iref。有源柜体实物照片见附录A图A1至图A3。

3 实验结果

3.1 不同工况下APF滤波效果

3.1.1 工况Ⅰ:负载较大

工况Ⅰ的实验结果如图4所示。i1′为未投入任何滤波器时10 kV系统电流,其有效值为30.50 A,总谐波畸变率(total harmonic distortion,THD)为11.67%。i2′为投入PPF后的10 kV系统电流,其有效值为30.05 A,THD为11.46%。可见PPF的滤波效果极为有限。在其余工况下,为重点讨论APF的滤波效果,不再给出未投入任何滤波器时的系统电流波形。i3′和i4′分别为APF与PPF一起投入后,10 kV系统电流和逆变器的输出电流。10 kV系统电流i3′的有效值为30.30 A,THD为2.85%;逆变器输出电流i4′的有效值为151.35 A,THD为1.57%。

工况Ⅰ主要谐波含量如表1所示。表1中电流编号的含义与图4相同。

3.1.2 工况Ⅱ:负载较小

工况Ⅱ的实验结果如图5所示。i1″为投入PPF后的10 kV系统电流,其有效值为22.56 A,THD为8.55%。i2″和i3″分别为APF与PPF一起投入后,10 kV系统电流和逆变器的输出电流。10 kV系统电流i2″的有效值为22.66 A,THD为2.48%;逆变器输出电流i3″的有效值为117.71 A,THD为1.44%。在图5中逆变器输出电流i3″被缩小5倍显示。

工况Ⅱ滤波前后主要谐波含量如表2所示。

以上2种典型工况下的实验结果表明,基于FMFC原理的SHAPF能够很好地治理谐波。

3.2 负载端电压

由于串联变压器对谐波呈现为很大的励磁电感,因此谐波流过串联变压器时,会在其端口上激起谐波电压Ut,如图1所示。Ut会影响负载端电压Vs。APF投入以后,Vs会变坏到什么程度也是决定基于FMFC原理的SHAPF应用前景的重要因素。

图6(a)为串联变压器二次线圈的端电压波形。该波形说明串联变压器的基波磁通被完全补偿。图6(b)为APF投入以后,低压400 V系统的线电压波形。负载端的电压波形几乎没有畸变。图6表明串联变压器的谐波电压对负载用电影响很小。

3.3 不投无源滤波器的工况(工况Ⅲ)

为了进一步验证SHAPF装置的滤波效果和SHAPF对负载端电压波形的影响,还进行了一组极端情况下的试验,即在不投入PPF的情况下,投入APF,检测此时的滤波效果和负载端电压的情况。

实验结果如图7所示。i1为投入PPF后的10 kV系统电流,其有效值为20.35 A,THD为10.65%。i2和i3分别为APF与PPF一起投入后,10 kV系统电流和逆变器的输出电流,系统电流i2的有效值为21.61 A,THD为3.83%;逆变器输出电流i3的有效值为111.71 A,THD为2.11%。在图7中逆变器输出电流i3同样被缩小5倍显示。

工况Ⅲ滤波前后主要谐波含量如表3所示。

图8给出了不投入PPF的情况下,投入APF后400 V系统的负载端线电压Vs的波形。与图6相比,Vs电压波形的畸变率要严重一些。这说明在工况Ⅲ中,投入APF以后,虽然流入系统的谐波电流减少了,但由于没有无源滤波器为谐波提供低阻抗通路,因而这部分谐波流入线性负载,造成400 V侧的负载端电压波形畸变。这种情况虽然能够滤除谐波,有利于电网其他用户,但不利于电力用户本身的用电质量。在今后的实际应用中,关于APF和PPF的配合问题要加以注意。

4 结语

本文详细介绍了基于FMFC的SHAPF的基本工作原理,结合广东某厂的实际工况,阐述了基于FMFC的SHAPF的主电路参数设计方法,将基于FMFC原理的SHAPF应用于10 kV,1 MVA的实际电力负荷,取得了良好的滤波效果。实践表明,基于FMFC原理的SHAPF具有以下鲜明的优势。

1)样机中带逆变器的串联变压器对基波呈现的等效电感为2 mH,对基波电流基本无影响;对谐波呈现为160 mH的大电感,迫使谐波流入无源滤波器,滤波效果良好。即使没有无源滤波器,串联变压器对谐波而言仍然相当于在系统侧串联了160 mH的大电感,也有明显的滤波效果。

2)由于串联变压器将系统高压与逆变器完全隔离,因此这种基于FMFC原理的SHAPF完全适用于10 kV及以上的中、高压电力系统。

3)FMFC原理只需要检测基波。实际负载中,基波电流信号大、频率低、幅值变化较小。相对于谐波而言,基波的检测更为容易。

4)逆变器只跟踪一次侧基波电流,因而不需要在宽频带上研究逆变器的幅值误差和相位误差,对逆变器的要求较低。逆变器输出环节采用一阶电感滤波,不存在谐振失稳问题。

5)采用变压器二次侧多绕组结构,可以有效地降低单个逆变器容量,利用多个小容量逆变器实现SHAPF的大容量化。本文研制的样机没有功率器件的串联、并联或者级联,装置可靠性强。

6)基于FMFC原理的SHAPF,其有源部分与无源滤波支路没有直接的电气连接,能够在不改动无源滤波器的情况下,对谐波负荷进行有源改造。

本文中有源滤波器工程样机的研制和实验数据的测量记录工作得到了伊戈尔电气股份有限公司的大力支持,在此表示衷心感谢。

附录见本刊网络版(http://aeps.sgepri.sgcc.com.cn/aeps/ch/index.aspx)。

摘要：提出了将基于基波磁通补偿(FMFC)原理的串联混合型有源电力滤波器(SHAPF)应用于中高压系统。介绍了有源电力滤波器的滤波原理、串联变压器的设计,以及逆变器的设计和控制。样机实验结果表明:该有源滤波装置的滤波效果良好、可靠性高,同时该SHAPF的谐波压降对负载供电的影响很小;只投入有源滤波器,而没有投入无源滤波器时,仍然有较好的滤波效果。该技术可应用于电压更高、容量更大的电力系统。