基于双反星形整流器负载的TAPF补偿方案研究

刘芳+魏家昊+林智凯

摘 要： 针对目前电解电镀等工业应用中快速变化的强非线性负载产生大量谐波和无功的问题，以混合型有源电力滤波器TAPF的谐波与无功补偿技术为背景，基于双反星形整流器负载将传统的阻抗型补偿装置TSC和并联型APF相结合构成TAPF补偿系统。由TSC 进行大容量无功补偿，APF进行谐波电流补偿，以使系统具有优良的谐波与无功补偿特性及自适应性，提高了电网电能质量。仿真结果表明，该TAPF补偿方案对工业中应用双反星形整流器负载所引起的一系列与谐波和无功有关的电能质量问题进行了很好的解决。

关键词： TAPF； 谐波与无功补偿； 双反星形整流器； 工业应用

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）14?0137?04

0 引 言

在电解电镀等工业应用中，经常需要低电压大电流（例如几十伏，几千至几万安）的直流电源。在这种情况下，可采用带平衡电抗器的双反星形可控整流电路，与诸如桥式电路等其他类型电路相比，其最大的优点为当电路中晶闸管数目相同时，双反星形电路可输出更大以至成倍的电流，即输出电流一定时，需要的晶闸管数目少。这就简化了相应的控制电路，节约了工业经济成本，所以广泛应用于工业生产中。但是双反星形整流器在并网运行时，其具有的强非线性的特点，相当于谐波污染源，给电网注入了大量的谐波及无功，造成了电网电压波动，功率因数下降等一系列严重影响电能质量及电力系统稳定性的问题。

对此，工业应用中必须采取有效的措施抑制此种负载产生的大量谐波和无功电流。本文采取将并联型APF和TSC相结合的TAPF补偿方案，对电解电镀等工业应用中常用的双反星形整流器负载产生的谐波和无功进行补偿。文章对双反星形整流器作了介绍，着重分析了TAPF补偿装置的结构，并对其补偿原理及控制策略进行了分析。通过Matlab仿真将TAPF系统与未补偿系统以及传统仅用APF补偿的系统进行了对比分析，验证了该方案的有效性和可行性。

1 双反星形整流器

工业中常用的双反星形整流器结构拓扑如图1所示。整流变压器的二次侧每相有2个匝数相同、极性相反的绕组，分别接成2组三相半波电路，即a，b，c一组，a′，b′，c′一组。a 与a′绕在同一相铁心上，图中“·”表示同名端。同样b与b′，c与c′都绕在同一相铁心上，故得名双反星形电路。为了实现2组半波整流电路能够同时导通使每组各承担一半负载，可接入电感值为Lp的平衡电抗器。因此，与诸如桥式电路等其他电路相比，当电路中晶闸管数目相同时，双反星形电路的输出电流更大，常用于电解电镀等工业应用中来达到节约经济成本的目的。

图1 双反星形整流器结构拓扑

2 TAPF补偿系统的结构与原理

2.1 TAPF系统的结构分析

图2为TAPF补偿系统的结构拓扑图。电解电镀等工业应用中的双反星形整流器负载作为谐波污染源产生大量的谐波和无功电流注入电网，采用混合补偿的TAPF方案，实时检测双反星形整流器负载产生的谐波和无功，APF补偿系统中的谐波电流，并且通过分组投切适当容量的电容器对系统进行无功补偿，通过设置多组不同容量的电容器进行投切，可以实现更大容量的无功补偿。TAPF补偿系统中的APF和TSC在运行时可根据负载容量的情况进行合理的容量搭配。

图2 TAPF补偿系统的结构拓扑图

APF补偿环节由主电路、指令电流运算电路、电流跟踪控电路、驱动电路这4个基本电路组成[1]。其工作过程为：首先由指令电流运算电路检测出双反星形整流器在工作时输出电流中所包含的谐波和无功成分，得出要补偿的电流指令信号作为电流跟踪控制电路的输入，然后由电流跟踪控制电路输出控制信号，该信号经驱动电路放大去控制主电路中可控器件的门极打开或关断，使主电路输出补偿电流。此补偿电流与双反星形整流器负载产生的谐波与无功电流幅值相等，相位差180°，这样就能抑制与补偿电网电流中大量的谐波与无功成分。

谐波含量及无功成分通常用总谐波畸变率（Total Harmonics Distortion，THD）以及功率因数（Power Factor，PF）衡量，其表达式分别为：

[THD=I22+I23+...+I2nI1] （1）

[PF=UI1cos?1UIrms=I1cos?1I21+I22+...+I2n] （2）

由式（1） 和式（2）可得电网功率因数与总谐波畸变率的关系为：

[PF=cos?11+THD2] （3）

由式（3）可以看出THD值越小，即电网谐波含量越低，其功率因数就越高。

APF主电路是三相电压型PWM变流器，采用可控电力电子器件作为变流器的开关。有一个小容量的高通滤波器与APF并联，该高通滤波器用于滤除APF所产生的补偿电流中开关频率附近的谐波，从而达到消除系统中高次谐波的目的，提高系统电压质量。其中滤波电容的表达式为：

[Cmin=1ω1U1i=knIω（ni）ni] （4）

式中：ω1为电网电压的基波角频率；U1为无畸变电网电压电压值；Ni为高通滤波器滤除的电流的次数；Iω（ni）为滤除高次谐波的无功电流。

为减小投资成本，滤波电容C的容量应尽可能小。通过确定截止频率f0即可算出高通滤波器中电阻R值：

[R=12πf0C] （5）

滤波电感的表达式为：

[L=mR2C] （6）

式中m为滤波器调谐曲线的形状系数，为了保证该高通滤波器品质因数较高，滤波性能优良，可取m=2。TSC补偿环节由主电路、无功检测电路、参数运算电路、投切控制电路、触发电路这5个基本电路组成。TSC的主电路中电容器为三角形联接方式，每相由一个进行无功功率补偿的电容器，一对反并联的控制电容器投入或切除的晶闸管和一个抑制冲击电流的小电感组成。通过控制主电路中可控电力电子器件的门极来实现电容器组的并网投切，从而实现无功补偿。三角形连接的电容器组的容量为：

[Qc=3U2Ic×10-3=3U2?U2ω1C×10-3 =6πf1CU22×10-3] （7）

式中：U2为装设地点电网线电压，单位：V；IC为电容器组的线电流，单位：A；C为每相电容器组的电容量，单位：F。

2.2 TAPF控制策略的设计

TAPF方案的补偿性能跟APF环节的指令电流运算电路息息相关，指令电流运算电路能实时、准确地检测出电网电流中变化的谐波和无功成分才能为实现优良的补偿性能奠定基础。在实际工业应用中，三相电网电压不对称且会发生畸变，为精确检测出双反星形整流器产生的谐波和无功电流，本文采用基于d?q变换的瞬时检测电流的方法[2?4]。此外还要求电流跟踪控制电路具有对电网电流的实时跟踪能力，对比现代和智能控制策略，从应用范围与难易程度来看，经典控制策略——滞环比较法和三角波比较法应用广泛、简单可靠[5?6]。本文采用滤波效果好且较简单的滞环比较控制策略，通过确定合适的滞环环宽来对APF主电路产生的补偿电流进行跟踪控制。TAPF补偿方案中TSC的投切控制策略主要有：功率因数控制、无功功率控制、电压控制和复合式控制方式[7?9]。本文采用无功功率控制法来控制电容器组并网投切，方法简单可靠，易于实现。

3 仿真及结果分析

建立TAPF系统的Matlab仿真模型，如图3所示。

图3 TAPF系统总体仿真模型

系统的总体仿真模型由4部分构成：三相正序交流电源模块、双反星形整流器模块、APF模块、TSC模块。其中双反星形整流器模块作为电路的谐波源和无功源，它产生谐波并消耗无功功率。本文在三相220 V供电系统下，根据公式的计算以及综合实际情况，仿真参数取APF交流侧平波电抗器的值为450 μH，直流侧电压Udc=750 V，APF输出高通滤波器截止频率取3.6 kHz，电容器C=22 μF，R=2 Ω，L=178 μH。TSC每组电容器的补偿容量为4.5 kvar，电容器组的C=49.15 μF。装设地点电网线电压[U2=1803]V，仿真算法选取 ode23tb。由于系统采用的双反星形整流器是三相对称负荷，所以A、B、C 三相的波形相同，只是相位不同，为了研究的方便，这里只给出A相的仿真结果。

3.1 未补偿系统的仿真结果

基于双反星形整流器负载未补偿系统的仿真结果如图4所示。

图4 未补偿时负载电流波形及其THD分析

未进行谐波抑制和无功补偿时，双反星形整流器产生的负载电流经powergui的FFT分析，可知其THD值达到45.90%，谐波电流含量较大，功率因数较低。

3.2 APF单独补偿系统的仿真

APF单独补偿之后的仿真结果如图5所示。从图5（a）中可以看出电网电流已基本呈正弦形状。由图5（b）可知电网电流的THD值已达到3.19%，与未加APF之前THD=45.90%相比，谐波含量大大减少，说明APF确实有效地抑制了系统的谐波。但是，仔细观察图5可以发现APF单独作用时电网电流ias和电网电压uas之间存在的一定的相位差，说明此时系统存在无功功率的消耗。为了降低工业成本，减小APF的容量，其单独投入APF的仿真中并未过多补偿系统无功，此时系统仍然存在大量无功功率的消耗。由图5（c）看出A相无功功率Qa幅值比有功功率Pa幅值还大，说明此时的功率因数很低，从图5（d）中可以更直观地看出APF单独作用时系统功率因数较低。

综上分析可知，APF单独作用时可以有效地抑制电路的谐波损耗，但是，此时电路的无功损耗仍然较大，故需采取TAPF综合补偿方案对其进行补偿。

3.3 TAPF补偿系统仿真结果的分析

采用APF和TSC同时投入的TAPF综合补偿方案的仿真结果如图6所示。

图5 APF单独补偿的仿真结果

由图6的仿真结果可知，TAPF的投入，基本上使电网电流相位与电网电压同步，补偿了电路的无功损耗，如图6（a）所示。

TSC投入之后，从图6（c）～图6（d）可看出无功功率Qa基本上已经趋于0 var，功率因数基本上趋于1，达到了无功补偿的目的。众所周知，投入TSC之后将会给电网带来部分的谐波，观察图6（b）所示该电路的电网电流THD值，可以发现其为4.80%，与APF单独补偿时的THD值3.19%相比有所提高，但是与未补偿系统的THD值45.90%相比，谐波含量已经大大减小，处于可以接受的范围之内。

综上分析可知，采取由并联型APF和TSC相结合的TAPF综合补偿方案，可以有效地滤除工业应用中双星形整流器负载产生的各次谐波，并对其进行有效的动态无功补偿。

图6 采用TAPF综合补偿方案的仿真结果

4 结 语

本文以电解电镀工业中的双反星形整流器作为负载，采用并联型APF和TSC组成的TAPF综合补偿方案对其补偿。从补偿效果分析，可知TAPF补偿系统具有APF良好的谐波补偿性能和TSC易于补偿大容量无功的特点。综合了有源与无源补偿的长处，既提高电网功率因数，改善电网电能质量，又有效地降低仅用APF补偿时所需要的高经济成本，对于工业应用具有十分广阔的前景。

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