极低频电源有源前端研究

汪 宇，龙 根，邓 珊

（中国船舶重工集团公司第七二二研究所，湖北 武汉 430079）

0 引 言

极低频（Extremely Low Frequency，ELF）无线电的频率范围在30 Hz以下，对岩层和海水的穿透能力强，可应用于深层地下资源探测和地震预测 。近期，我国依托重大科技基础设施建设项目“极低频探地（WEM）工程”，建立了首座民用大功率极低频发射台，开展地下资源探测和地震预报等方面的探索性研究和工程试验研究[1]。

大功率极低频电源是人工生成极低频无线电信号的核心设备，电源功率达数百千瓦。文献[2]开展了集成门极换流晶闸管（Integrated Gate Commutated Thyristors，IGCT）在极低频电源中的应用研究。文献[3]研究了基于级联型变换电路的载波移相调制（CPSPWM）方法，在直流电压恒定的理想条件下进行了极低频电源输出谐波特性理论分析，并在小功率条件下进行了试验验证。文献[4]进行了WEM发射系统电源特性研究，分析了电源系统的特征次谐波和非特征次谐波，并对特征次谐波进行了有源滤波研究。

为改善现有极低频电源电磁兼容性，本文提出用有源前端代替基于晶闸管的三相可控整流电路应用于极低频电源，并探析有源前端控制策略，优选单位功率因数控制策略进行了仿真研究。

1 现有极低频电源

大功率极低频电源采用基于晶闸管的三相可控整流电路、直流滤波电路及单相桥式逆变电路构成基本的电源单元。为加强对整流电路输出纹波电压的平抑，某极低频系统电源单元中采用双LC滤波电路，如图1所示。

图1 电源单元电路图

相比普通整流电路，极低频电源输入电流的谐波除基波和特征次谐波外，在基波和特征次谐波附近还含有低频边带谐波。低频边带谐波以低频的2倍频间隔分布在基波和特征次谐波附近，并不落在电网工作频率的整数倍频率上，而以间谐波的形式出现。除了增加供电系统的谐波损耗以外，还将引起发射台灯光闪变，甚至可能与发电机轴系自然频率共振，造成电力系统次同步振荡。

2 极低频电源有源前端及其控制策略

一种含有源前端的极低频电源单元拓扑如图2所示，采用三相PWM整流电路代替基于晶闸管的三相可控整流电路。极低频电源系统由多个极低频电源单元组成，多个极低频电源单元在逆变输出端进行串并联组合，可实现大功率极低频信号的输出。

图2 含有源前端的极低频电源单元拓扑

极低频电源单相输出结构决定其逆变端的2倍频功率波动不可避免。由单相PWM整流电路构成的有源前端功率控制灵活，因此有一种控制策略为：有源前端采用单位功率因数控制，2倍频功率波动将引起直流侧电压波动，由直流侧电容Cd消纳。

3 极低频电源有源前端仿真研究

在PSIM环境下搭建新型极低频电源单元仿真模型，新型极低频电源单元工作在17 Hz时的典型波形如图3所示。有源前端实现单位功率因数控制，有源前端输入电流三相对称，接近正弦，如图3（a）所示。新型极低频电源单元电磁兼容性优于现有极低频电源，输入电流频谱如图3（b）所示，整流电路的特征次谐波和低频边带谐波都得到了有效抑制，基本可消除极低频电源对配电网和相邻用电负荷的影响。根据直流侧电压实际值进行极低频信号调制，得到逆变输出端的极低频信号如图3（c）所示。

图3 新型极低频电源单元典型波形

4 结 论

本文提出将有源前端代替基于晶闸管的三相可控整流电路应用于极低频电源，并探析有源前端控制策略，采用单位功率因数控制策略进行了仿真研究。仿真结果表明，采用有源前端可改善极低频电源电磁兼容性，有效抑制现有整流电路的特征次谐波和低频边带谐波，可基本消除极低频电源对配电网和相邻用电负荷的影响。