淺析有源濾波器在礦區配電網中的應用研究與選型

簡婷

开云体育手机下载教程 上海嘉定 201801

摘要：針對目前有源濾波器應用於(yu) 礦區諧波治理時電網頻率適應能力較低的問題，針對定采樣點數字控製係統提出了一種具有頻率自適應能力的諧振控製策略。該策略不僅(jin) 可以實現對電網頻率波動的自適應，提高濾波器補償(chang) 效果，而且不需要在線對控製器參數進行更新，算法簡單。*後通過實驗驗證了所提方法的可行性和有效性。

關(guan) 鍵詞：礦區諧波治理；有源濾波器；頻率波動；自適應

0引言

隨著電力電子技術的快速發展，以晶閘管為(wei) 代表的相控整流裝置在礦業(ye) 生產(chan) 中得到越來越廣泛的應用。然而，相控整流器在運行時會(hui) 在電網中產(chan) 生大量諧波，尤其是礦區電網通常位於(yu) 相對偏遠的地區，電網等效阻抗較大，諧波電流的注入會(hui) 導致機端電壓的進一步畸變，嚴(yan) 重影響到礦區電網的質量，威脅到敏感用電負荷的安全運行，給整個(ge) 礦區的生產(chan) 帶來安全隱患。

采用安裝無源濾波器的方法一定程度上可實現濾波的作用，但是其濾波效果會(hui) 受到電網等值阻抗等參數的影響，此外，在參數選擇不合適時可能引發諧振，導致濾波器燒毀。與(yu) 無源濾波器相比，以IGBT為(wei) 開關(guan) 元件的有源濾波器（APF）具有多種優(you) 點，比如補償(chang) 效果不受電路參數影響、可選次諧波濾除等，近年來在礦區電網中的應用越來越廣泛。

為(wei) 了提高有源濾波器對諧波指令的跟蹤精度，目前通常采用基於(yu) 內(nei) 模原理的諧振控製器。諧振控製器具有對諧振頻率處交流信號無靜差跟蹤的能力，然而，實際中電網的頻率並非固定不變，而是在50Hz（對我國電網來講）附近波動，通常波動範圍為(wei) ±0.5Hz。實際中電網頻率的波動將導致諧振控製器的頻率與(yu) 實際諧波頻率不一致，降低控製器的跟蹤能力，進而影響到有源濾波器的諧波補償(chang) 效果。為(wei) 此，本文針對定采樣點APF控製係統，提出了一種具有電網頻率自適應能力的諧振控製器數字算法。由於(yu) 充分利用了定采樣點控製係統的特點，在實現頻率自適應的同時，保證了諧振控製算法中參數的常數化，即無需在電網頻率變化時對控製參數進行調整，不僅(jin) 算法簡單，而且增強了APF對電網頻率的魯棒性。*後通過實驗驗證了改進控製策略的可行性和有效性。

1APF控製係統的數學模型與(yu) 比例係數設計

三相APF的主電路及自然坐標係下的電流控製原理如圖1所示。三相MPR控製器的輸出首先與(yu) 對應相的電網電壓疊加在一起構成電網電壓前饋，再和三角載波進行比較生產(chan) 各開關(guan) 管的PWM信號。

假設三相係統對稱，此時可將三相係統等效為(wei) 3個(ge) 獨立的單相係統進行建模，以A相為(wei) 例，此時根據圖1可得自然坐標係下APF的輸出電流控製框圖。

圖1APF係統中電流諧振控製原理

uga、ugb、ugc，三相電源電壓Lf、Rf，並網濾波電感及其等值電阻iga、igb、igc，APF的三相輸出電流Udc、直流側(ce) 電壓MPR、多諧振控製器iga、ref、igb、ref、igc、ref，APF的三相輸出電流給定，其中包含了控製直流側(ce) 電壓平均值恒定所需的有功電流分量和諧波電流指令。

圖2自然坐標係下APF輸出電流控製框圖GMPR（s）

GMPR（s）：多諧振控製器的傳(chuan) 遞函數，Gd（s）：數字控製和PWM調製引入的延時傳(chuan) 遞函數，通常取1.5個(ge) 開關(guan) 周期GL（s）被控對象傳(chuan) 遞函數，即APF輸出濾波電感

式中Ts———采樣周期。

本文APF在1個(ge) 基波周期的采樣點數為(wei) 200，對應的采樣周期Ts=0.0001s。

多諧振控製器的主要作用是在相應諧振頻率下提供較大增益，使得係統的穩態誤差較小，為(wei) 了保證係統在暫態過程中的響應速度，實際中應將多諧振控製器與(yu) 比例控製器並聯使用。由於(yu) 係統的響應速度，即係統的開環穿越頻率基本不受多諧振控製器的影響，其主要受比例係數的影響，因此在設計係統開環穿越頻率時可以不考慮多諧振控製器，僅(jin) 僅(jin) 考慮比例控製器的作用，根據圖2可得此時係統的開環傳(chuan) 遞函數為(wei) ：

式中Kp——比例係數。

對於(yu) 數字控製的電力電子變流器，綜合考慮係統的穩定裕度和動態響應速度，通常將係統的開環穿越頻率設置為(wei) 采樣頻率的1/10。文中APF係統的主要參數：

根據以上參數，結合式（1）、式（2）和式（3）可知，將係統的開環穿越頻率設置在1kHz時，應取比例係數Kp=3.1，此時係統的開環bode圖如圖3所示。

圖3僅(jin) 比例控製器下APF開環控製係統的bode圖

2傳(chuan) 統和改進選振控製器的離散域描述及其電網頻率魯棒性分析

(1)傳(chuan) 統PR控製器的離散域描述及其電網頻率魯棒性分析

單一的諧振控製器能夠在其諧振頻率下提供較大的增益可大幅提高控製係統對諧振頻率下交流信號的跟蹤能力。其在，s域下可表示為(wei) ：

將式（5）代入到式（4）可得傳(chuan) 統諧振控製器的離散域描述

式(6)和式(7)表明,傳(chuan) 統的諧振控製器離散城算法中包含了采樣周期T、以及諧振頻率,對於(yu) 定采樣頻率APF控製係統來講,由於(yu) T是不變的,PR控製器的諧振頻率隻與(yu) 有關(guan) 。如果在控製中采用恒定的,當實際中電網頻率出現波動時,兩(liang) 者將出現偏差，從(cong) 而降低諧振控製器的跟蹤性能。以諧振頻率為(wei) 7次諧波為(wei) 例,傳(chuan) 統PR的幅頻特性如圖4所示。可見當電網頻率為(wei) 理想的50Hz時控製器在350Hz處具有非常大的增益,說明此時PR控製器對7次諧波的跟蹤能力較強,但是當電網頻率在+0.5Hz範圍內(nei) 波動時,將導致7次諧波的頻率在+3.5Hz範圍內(nei) 波動。由圖4中諧振頻率附近的放大圖可知。隨著電網頻率的波動,PR控製器的增益將發生劇烈變化,比如在346.5Hz及353.5Hz處的增益下降至接近0。說明此時APF係統對7次諧波的跟蹤能力大幅下降。可見傳(chuan) 統的PR控製器對電網頻率的魯棒性較低,電網頻率微小的波動可能導致APF補償(chang) 效果大幅下降。

（2）改進PR控製器的離散域描述及其電網頻率魯棒性分析

目前並網變流器的數字控製係統主要有定采樣頻率控製係統和定采樣點數控製係統2種。對於(yu) 定采樣點數控製係統來講，即使電網頻率發生波動，通過鎖相環的調節作用也可保證1個(ge) 工頻周期的采樣點數不變。為(wei) 了充分利用固定基波周期采樣點數控製係統的特點，此處引入改進型PR控製器，其離散域描述為(wei) ：

本文中APF的控製周期為(wei) 10kHz，1個(ge) 工頻周期的采樣點數n=200。式（8）表明，在定采樣點數控製係統中，改進後PR控製器數字化算法中的所有參數均為(wei) 常數，即當電網頻率存在波動時，不必根據變化後的電網頻率對PR控製器的諧振頻率進行頻繁的調節，大大簡化了控製係統的結構，實現了PR控製器諧振頻率與(yu) 電網頻率的自適應。

以7次諧波為(wei) 例，電網頻率在±0.5Hz範圍內(nei) 波動時PR控製器幅頻特性的變化如圖5所示，可見當電網頻率為(wei) 50Hz，即7次諧波頻率為(wei) 350Hz時PR控製器的諧振頻率為(wei) 350Hz；當電網頻率為(wei) 49.5Hz，即7次諧波頻率為(wei) 346.5Hz時PR控製器的諧振頻率自動減小至346.5Hz；當電網頻率為(wei) 50.5Hz，即7次諧波頻率為(wei) 353.5Hz時PR控製器的諧振頻率則自動增大至353.5Hz。可見電網頻率的波動不會(hui) 影響到PR控製器在7次諧波處的增益，即不會(hui) 影響APF係統對7次諧波的跟蹤能力，說明改進的PR控製器對電網頻率的魯棒性較強，電網頻率的波動不會(hui) 影響APF係統的諧波補償(chang) 效果。

圖5改進PR控製器的電網頻率魯棒性分析

3實驗驗證

為(wei) 了進一步驗證上述理論分析的正確性,搭建了額定電流為(wei) 100A的APF實驗平台,係統開關(guan) 頻率為(wei) 10kHz,即係統在1個(ge) 周波內(nei) 的采樣點數為(wei) 200由於(yu) 實驗條件限製,實驗中無法對電網頻率進行修改,鑒於(yu) 正常工況下電網頻率並不是嚴(yan) 格的50Hz.因此采用對比的方法驗證改進諧振控製策略的有效性。將傳(chuan) 統PR控製諧振頻率設定為(wei) 固定的50Hz時的實驗結果如圖6所示,由圖6可見補償(chang) 後的網側(ce) 電流雖得到一定程度的改善,但是仍含有較大的諧波,通過將示波器數據導出至MATLAB後分析表明,此時網側(ce) 電流的THD為(wei) 8.3%。作為(wei) 對比,相同工況下采用改進PR控製後的實驗結果如圖7所示,由圖7可見補償(chang) 後的網側(ce) 電流質量得到明顯提高,說明具有頻率自適應能力的諧振控製算法對給定指令的跟蹤能力較強,此時網側(ce) 電流的THD為(wei) 3.7%。

上述仿真和實驗結果驗證了改進PR控製算法的有效性。

4 安科瑞APF有源濾波器產(chan) 品選型

4.1產(chan) 品特點

(1)DSP+FPGA控製方式，響應時間短，全數字控製算法，運行穩定；

(2)一機多能，既可補諧波，又可兼補無功，可對2～51次諧波進行全補償(chang) 或特定次諧波進行補償(chang) ；

(3)具有完善的橋臂過流保護、直流過壓保護、裝置過溫保護功能；

(4)模塊化設計，體(ti) 積小，安裝便利，方便擴容；

(5)采用7英寸大屏幕彩色觸摸屏以實現參數設置和控製，使用方便，易於(yu) 操作和維護；

(6)輸出端加裝濾波裝置，降低高頻紋波對電力係統的影響；

(7)多機並聯，達到較高的電流輸出等級；

4.2型號說明

ANAPF有源濾波器

5安科瑞智能電容器產(chan) 品選型

5.1產(chan) 品概述

AZC/AZCL係列智能電容器是應用於(yu) 0.4kV、50Hz低壓配電中用於(yu) 節省能源、降低線損、提高功率因數和電能質量的新一代無功補償(chang) 設備。它由智能測控單元，晶閘管複合開關(guan) 電路，線路保護單元，兩(liang) 台共補或一台分補低壓電力電容器構成。可替代常規由熔絲(si) 、複合開關(guan) 或機械式接觸器、熱繼電器、低壓電力電容器、指示燈等散件在櫃內(nei) 和櫃麵由導線連接而組成的自動無功補償(chang) 裝置。具有體(ti) 積更小，功耗更低，維護方便，使用壽命長，可靠性高的特點，適應現代電網對無功補償(chang) 的更高要求。

AZC/AZCL係列智能電容器采用定式LCD液晶顯示器，可顯示三相母線電壓、三相母線電流、三相功率因數、頻率、電容器路數及投切狀態、有功功率、無功功率、諧波電壓總畸變率、電容器溫度等。通過內(nei) 部晶閘管複合開關(guan) 電路，自動尋找適宜投入（切除）點，實現過零投切，具有過壓保護、缺相保護、過諧保護、過溫保護等保護功能。

5.2型號說明

安科瑞無功補償(chang) 裝置智能電容方案

6結語

本文首先建立了三相APF的數學模型,並對傳(chuan) 統PR控製器的電網頻率魯棒性進行了分析,針對傳(chuan) 統PR控製器電網頻率魯棒性較低的問題和固定基波周期采樣點數控製係統的特點引入了改進的PR控製器離散化算法,該算法不僅(jin) 實現了PR控製算法中參數的常數化，避免了電網頻率變化時對控製算法的頻繁調節，而且對電網頻率的變化具有自適應性，使得PR控製器的諧振頻率能夠自動追蹤電網頻率的變化，從(cong) 而減小電網頻率波動對APF補償(chang) 性能的影響。大幅提高諧振控製器對電網頻率的魯棒性，改善礦“區電網的質量，實驗結果驗證了改進PR控製算法的有效性。

參考文獻

[1]唐筠.基於(yu) SVPWM算法的三電平有源電力濾波器的電壓空間矢量調製策略[J].煤礦機械,2017,38(8):14-127.

[2]侯梁,李博森,井敬.自適應有源濾波器在礦區配電網中的應用研究[J].煤礦機械,2020,41(01):145-148.DOI:10.13436/j.mkjx.202001049.

[3]安科瑞企業(ye) 微電網設計與(yu) 應用手冊(ce) 2022.05版.

作者簡介

簡婷，女,現任職於(yu) 开云体育手机下载教程。