有源濾波與動態(tài)無功綜合補(bǔ)償控制裝置設(shè)計

王 昊,賈克音,趙宇海,張大明,王太金

(國網(wǎng)四平供電公司,吉林 四平 136000)

近年來,針對大量變流型負(fù)荷的廣泛應(yīng)用造成了電網(wǎng)諧波污染,對用戶設(shè)備的安全運行構(gòu)成威脅的局面,研發(fā)了有源電力濾波器(APF)。作為一種抑制諧波污染的主動式補(bǔ)償裝置,能有效治理電力系統(tǒng)諧波,改善電能質(zhì)量。然而受大功率可關(guān)斷器件,如巨型晶體管(GTR)、可關(guān)斷晶閘管(GTO)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)發(fā)展水平的限制,APF不能滿足高電壓、大容量的非線性負(fù)荷交流系統(tǒng)側(cè)諧波抑制的要求。為了滿足大容量非線性負(fù)荷的濾波要求,從 20世紀(jì) 90年代有人提出了各種 APF與無源濾波器(PF)進(jìn)行混合濾波的設(shè)想,即有源濾波與動態(tài)無功功率綜合補(bǔ)償裝置[1-2]。

有源濾波與動態(tài)無功功率綜合補(bǔ)償裝置兼顧了兩者的優(yōu)點,初期投資小,性價比高,能滿足高壓大容量系統(tǒng)實用化的要求,是目前工程中具有廣闊應(yīng)用前景的發(fā)展模式[3-4];然而,仍存在著在綜合補(bǔ)償濾波效果與系統(tǒng)穩(wěn)定性之間的矛盾,即如何協(xié)調(diào)控制,提高系統(tǒng)運行性能和穩(wěn)定性的技術(shù)難題有待解決[5-6]。其主要問題為當(dāng)電力系統(tǒng)中存在電容補(bǔ)償裝置時,APF本身作為一個諧波源,在投入運行后,APF與電容補(bǔ)償裝置存在著諧波通道,而且從理論上,凡是使用電容補(bǔ)償時,在某一特定頻率的均存在于電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振的可能性[7],因此,APF與無功補(bǔ)償裝置并聯(lián)使用時,不同于 APF單獨使用的工作模式,需對 APF的一次側(cè)電流互感器的安裝及電容補(bǔ)償裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚韀8]。

本文設(shè)計一種有源濾波與動態(tài)無功功率綜合補(bǔ)償裝置,該裝置將有源電力濾波器與晶閘管投切電容器(TSC)結(jié)合進(jìn)行混合濾波與補(bǔ)償,能有效抑制各次諧波和閃變,補(bǔ)償無功,將自動跟蹤補(bǔ)償變化的諧波和無功,提高功率因數(shù),改善配電網(wǎng)電能質(zhì)量,以解決綜合補(bǔ)償濾波效果與系統(tǒng)穩(wěn)定性之間的矛盾。

1 裝置主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

1．1 裝置主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本裝置采用的方案是：有源濾波與動態(tài)無功功率綜合補(bǔ)償裝置是一種新型的靜止動態(tài)補(bǔ)償裝置,包括有源電力濾波器,動態(tài)無功功率補(bǔ)償器和一套三DSP與 FPGA組合控制板。圖1所示為實施方案結(jié)構(gòu)示意圖。其中有源電力濾波器由電壓源逆變器、直流側(cè)電容器和交流輸出濾波器構(gòu)成,動態(tài)無功功率補(bǔ)償器由晶閘管反并聯(lián)開關(guān)和電容器組構(gòu)成。功率因數(shù)控制器(PFC)為EPCOS公司產(chǎn)品。無功功率補(bǔ)償單元為晶閘管控制投切電容器組(TSC),由一組反并聯(lián)晶閘管開關(guān)串聯(lián)補(bǔ)償電容器,并串接消諧電抗器,通過晶閘管的觸發(fā)控制,進(jìn)行電容器組投切,以補(bǔ)償大部分的無功功率。

圖1 裝置系統(tǒng)方案示意圖

有源電力濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為三單相電壓源逆變器結(jié)構(gòu),逆變器的直流側(cè)由大容量電容器提供穩(wěn)定的直流電壓源,交流輸出通過最低充電電平(LCL)濾波支路并聯(lián)在400 V低壓配電網(wǎng)上。它是電力電子技術(shù)在配電系統(tǒng)中的應(yīng)用,稱為 Custom Power技術(shù)或稱 DFACTS(配電系統(tǒng)柔性交流輸電)技術(shù)[9]。該技術(shù)的核心器件 IGBT比GTO具有更高的開關(guān)頻率,因此 DFACTS裝置具有更快的響應(yīng)。

1．2 APF+TSC并行運行工作原理

APF+T SC系統(tǒng)并行工作原理為：首先,裝置通過 EPCOS的功率因數(shù)檢測系統(tǒng)的功率因數(shù)及需要補(bǔ)償無功功率,通過投切若干組的TSC,補(bǔ)償與所需無功功率大小最為相近的無功,此時將系統(tǒng)的功率因數(shù)提高,有源濾波器通過諧波電流檢測算法檢測系統(tǒng)中諧波及無功電流,將系統(tǒng)中各次的諧波及剩余所需要補(bǔ)償?shù)臒o功電流計算出,最后,通過功率脈沖觸發(fā)單元驅(qū)動IGBT,對系統(tǒng)的諧波及剩余的無功進(jìn)行補(bǔ)償,從而實現(xiàn)較為精確的諧波抑制及無功功率補(bǔ)償。

2 控制電路系統(tǒng)及控制策略設(shè)計

2．1 控制電路系統(tǒng)設(shè)計

APF+TSC綜合補(bǔ)償裝置采用控制電路系統(tǒng),該控制電路系統(tǒng)包括如下 3部分。

a．底層控制主板。底層主控制板主要由電源模塊、采樣輸入模塊、FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)[10]數(shù)據(jù)存儲處理模塊、光纖通訊模塊、交流接觸器及繼電器控制模塊及 PWM輸出模塊組成。

其中電源模塊用以提供控制板工作所需電壓;采樣輸入模塊通過兩塊 AD7656采樣芯片分別對 6路電壓(三相系統(tǒng)電壓、APF三相直流側(cè)電容電壓)、6路電流(三相系統(tǒng)電流、三相 APF發(fā)出電流)進(jìn)行采樣;FPGA數(shù)據(jù)存儲處理模塊用以對采樣的信號進(jìn)行運算處理;光纖通訊模塊用以實現(xiàn)主控制板與裝置顯示屏的高速通訊以及提供外部通訊接口;交流接觸器與繼電器控制模塊用以實現(xiàn)裝置T SC投切繼電器控制、APF軟啟動控制、APF交流接觸器控制;PWM(脈沖寬度調(diào)制)輸出模塊用以輸出 PWM控制信號。

b．頂層控制主板。頂層控制主板由主、從TMS320F2812DSP[11]、雙向通訊 FPGA組成。

其中主控 M-DSP主要用以實現(xiàn)系統(tǒng)的保護(hù)控制、算法的運算、與液晶觸摸屏的交互通訊、PWM指令的生成;從機(jī) S-DSP負(fù)責(zé)負(fù)載電流的無功、諧波電流的檢測運算;雙向通訊 FPGA用以實現(xiàn)頂層雙機(jī)雙向通訊及與底層 FPGA的數(shù)據(jù)交換(采樣信號、PWM信號)。

c．驅(qū)動電路板。驅(qū)動電路板共有6路輸入信號：每個逆變器上4路H橋的PWM信號、故障反饋信號F-Faulat及故障復(fù)位信號 Fault-Reset。這6路信號經(jīng)由 FPGA送給 IGBT的驅(qū)動去觸發(fā) IGBT產(chǎn)生動作。當(dāng)驅(qū)動板上檢測到故障信號 F-Fault時,驅(qū)動板自己本身對 PWM信號封鎖,禁止 PWM至 IGBT的驅(qū)動,接收到驅(qū)動板發(fā)出的故障反饋信號后,底層主控制板上FPGA產(chǎn)生相應(yīng)動作關(guān)閉交流接觸器分閘保護(hù)。等下一次運行時,主機(jī)數(shù)字信號處理(DSP)產(chǎn)生一個故障復(fù)位信號的高脈沖對故障信號進(jìn)行復(fù)位,使得 PWM繼續(xù)可以發(fā)出。

2．2 APF+TSC綜合補(bǔ)償控制策略

本系統(tǒng)中,T SC采用開環(huán)控制方式對無功進(jìn)行大容量的分級補(bǔ)償;APF采用雙閉環(huán)控制方式對負(fù)載和 TSC的無功級差進(jìn)行補(bǔ)償,并且改善系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。

APF+ TSC綜合補(bǔ)償控制策略原理如圖 2所示,其中,QF為補(bǔ)償?shù)臒o功功率;QL為負(fù)載的無功功率;當(dāng)負(fù)載中的無功功率發(fā)生變化時,由 T SC自動地進(jìn)行分級無功功率補(bǔ)償;TSC各級之間剩余的無功功率由 APF進(jìn)行補(bǔ)償;此外,當(dāng)負(fù)載中含有諧波電流時,由 APF對其進(jìn)行濾波,從而實現(xiàn)在負(fù)載含有諧波電流情況下無功功率的快速連續(xù)補(bǔ)償。

圖2 APF+TSC綜合補(bǔ)償控制策略原理

3 仿真驗證

根據(jù)上述設(shè)計,選用仿真軟件 MAT LAB/Simulink進(jìn)行仿真驗證。仿真框圖如圖 3所示。圖中 ,USuvw、ILuvw、 ITuvw、 IAuvw、Udc分別為電網(wǎng)電壓、負(fù)載電流、TSC發(fā)出電流、APF發(fā)出電流、APF直流側(cè)電容電壓的采樣值;STSC、SAPF分別為 TSC和 APF的控制信號。圖4為裝置投運前U相系統(tǒng)電壓 /電流波形及系統(tǒng)電流 FFT分析圖,由圖可以看出,補(bǔ)償前系統(tǒng)含有大量無功,且電流出現(xiàn)嚴(yán)重畸變,畸變率(T HD)達(dá)到了 29．33%。

圖3 Matlab仿真框圖

為了補(bǔ)償無功電流,投入無功補(bǔ)償裝置 TSC,圖5為投入 TSC后系統(tǒng)電壓、電流波形及系統(tǒng)電流FFT分析圖。由圖中可以明顯看出,T SC補(bǔ)償裝置投入后,電流波形接近正弦波,系統(tǒng)電流電壓相位幾乎保持一致,功率因數(shù)接近1,且電流畸變率降到16．40%,但電流仍然畸變嚴(yán)重。

為了進(jìn)一步優(yōu)化電流波形,將T SC與APF同時投放運行。首先,需要進(jìn)行APF直流側(cè)的穩(wěn)定控制,圖6所示為直流側(cè)穩(wěn)定仿真波形,設(shè)定指令直流側(cè)電壓為 700 V,經(jīng)仿真驗證,直流側(cè)穩(wěn)定效果良好。圖7為 TSC+APF同時投放運行系統(tǒng)電壓電流波形圖及系統(tǒng)電流 FFT分析。由圖可以看出,同時投入APF與 TSC后濾波效果更明顯,系統(tǒng)側(cè)畸變率3．50%,更接近正弦波,同時使系統(tǒng)側(cè)電壓和電流的相位差更小,幾乎同相位,提高了功率因數(shù),電流質(zhì)量明顯提高。

圖4 裝置投放前系統(tǒng)電壓、電流波形及系統(tǒng)電流FFT分析

圖5 僅投放TSC時系統(tǒng)電壓、電流波形及FFT分析

圖6 直流側(cè)穩(wěn)定仿真波形

圖7 TSC+APF同時投放時系統(tǒng)電壓、電流波形及FFT分析

4 實驗分析

對該綜合補(bǔ)償控制裝置進(jìn)行實驗驗證,將其應(yīng)用于某電動汽車充電站。圖8a是綜合裝置投運前 U相系統(tǒng)電壓 /電流波形,從圖中看出,投運前電流畸變嚴(yán)重,主要含有 5、7次等主導(dǎo)諧波,基波功率因數(shù)較低,只有 0．71左右,并且電流有效值達(dá)到了 441 A,U相無功功率達(dá)到 90．64 kvar;圖8b是僅投入無功補(bǔ)償裝置 TSC時系統(tǒng)電壓 /電流波形,從圖中看出,TSC投運之后,U相主導(dǎo)諧波電流仍較大,不過基波功率因數(shù)提高到 0．92,U相無功功率降為 38 kvar;圖 8c是 APF與 T SC均投入以后系統(tǒng)電壓 /電流波形,從圖中看出,該綜合裝置投運之后,U相主導(dǎo)諧波電流大大衰減,補(bǔ)償后網(wǎng)側(cè)電流正弦化,同時基波功率因數(shù)提高到0．95,U相無功功率降為23．72 kvar,這表明該綜合補(bǔ)償裝置既能對補(bǔ)償無功,又能達(dá)到消除諧波的目的,補(bǔ)償效果顯著。

圖8 U相系統(tǒng)電壓 /電流波形

5 結(jié)論

本文基于傳統(tǒng)有源濾波裝置的容量和成本的矛盾設(shè)計一種有源濾波及無功功率綜合補(bǔ)償控制裝置,將其應(yīng)用于電動汽車充電站現(xiàn)場,運行效果良好。然而,仍存在著在綜合補(bǔ)償濾波效果與系統(tǒng)穩(wěn)定性之間的矛盾 ,因此,如何協(xié)調(diào)控制 APF與 TSC,提高系統(tǒng)運行性能和穩(wěn)定性的技術(shù)難題還有待解決。

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