基于軟啟動(dòng)控制的三相四線制有源電力濾波器

車志霞,張朋飛

(1.衡水電氣化鐵路學(xué)校，河北 衡水 053000；2.石家莊鐵道大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；3.中鐵建電氣化局集團(tuán)北方工程有限公司，山西 太原 030053)

在我國(guó)低壓配電系統(tǒng)中廣泛使用的供電方式是三相四線制[1]，在此供電方式下的主要電氣設(shè)備均含電力電子器件，正是這些設(shè)備的使用，造成了電網(wǎng)諧波電流的產(chǎn)生。雖然這些設(shè)備單臺(tái)功率小，產(chǎn)生諧波含量少，但是由于使用數(shù)量龐大，使得三相四線系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波問題，對(duì)設(shè)備安全和用戶正常用電造成威脅。同時(shí)這些設(shè)備應(yīng)用在三相四線制系統(tǒng)，當(dāng)三相負(fù)載不平衡時(shí)很容易使得中線電流過大，甚至燒毀中線，對(duì)系統(tǒng)安全造成嚴(yán)重威脅[2]。

因此，三相四線制系統(tǒng)中的諧波抑制、中線電流消除及三相電流平衡將成為三相四線制系統(tǒng)亟待解決的問題[3]。筆者以三相四橋臂有源電力濾波器為主要研究對(duì)象，用于治理三相四線制低壓配電系統(tǒng)的諧波問題。

1 有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 有源電力濾波器的工作原理

is=iL+ic=iLf+iLh-iLh=iLf

(1)

1.2 三相四橋臂有源電力濾波器數(shù)學(xué)模型

三相四橋臂APF結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中T1～T8為8個(gè)IGBT和反向二極管組成的功率開關(guān)器件，L為主電路輸出側(cè)電感，電容C為直流側(cè)儲(chǔ)能原件。電壓Ua、Ub、Uc、Un為APF主電路四個(gè)橋臂的中點(diǎn)相對(duì)于端點(diǎn)N的電位差，Udc為直流側(cè)電容兩端的電壓，Usa、Usb、Usc分別為電網(wǎng)中的電源電壓，ifa、ifb、ifc為APF主電路輸出的補(bǔ)償電流，ifn是中線電流。

因此，根據(jù)基爾霍夫電壓和電流定律可以得到其在abc坐標(biāo)系下的方程式(2)：

(2)

將abc坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換到dq0坐標(biāo)系時(shí)需要進(jìn)行Park變化[6-7]，其矩陣變換式為(3)。從而，可以得到四橋臂APF在dq0坐標(biāo)系下的表達(dá)式為(4)：

(3)

(4)

將式(4)在dq0坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型用框圖的形式表示，如圖3所示。

由圖3知，三相四橋臂主電路的PWM變換器由兩部分構(gòu)成[8-9]。一部分是由d、q相互耦合的兩個(gè)通道構(gòu)成，即在d軸通道中存在q通道的參數(shù)關(guān)系，當(dāng)任一軸參數(shù)變化時(shí)均會(huì)引起另一軸的參數(shù)變化；另一部分是由完全獨(dú)立且與d、q軸無耦合關(guān)系的0軸通道組成。因此若實(shí)現(xiàn)各軸單獨(dú)控制，則需進(jìn)行解耦控制，通過使用被控對(duì)象if的反饋值和電源電壓Us的前饋來達(dá)到各軸之間完全解耦的目的。圖4為電流交叉解耦的控制框圖。

明確了電流交叉解耦的控制方式后，需要確定諧波電流檢測(cè)算法，本文使用優(yōu)化的瞬時(shí)無功理論的檢測(cè)算法，而在檢測(cè)控制環(huán)節(jié)會(huì)用到電壓環(huán)控制輸出的變量。因此本節(jié)主要研究電壓環(huán)控制對(duì)于三相四線制APF諧波補(bǔ)償?shù)目刂菩Ч?/p>

2 電壓環(huán)控制

當(dāng)明確了系統(tǒng)諧波電流檢測(cè)以及電流環(huán)控制方式的基礎(chǔ)上，需要確定電壓環(huán)的控制。當(dāng)電壓外環(huán)使用傳統(tǒng)PI控制方式時(shí)，其控制原理框圖如圖5所示。通過此控制方式可以實(shí)現(xiàn)維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定的目的[10]。

經(jīng)理論分析，當(dāng)有源電力濾波器直流側(cè)僅使用PI控制時(shí)，在APF接入電網(wǎng)瞬間，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的沖擊電壓和沖擊電流，從而對(duì)系統(tǒng)設(shè)備安全造成影響。因此，決定將軟啟動(dòng)控制方式引入三相四橋臂APF的直流側(cè)電壓控制當(dāng)中，在諧波補(bǔ)償裝置APF接入系統(tǒng)之前，通過限流電阻的接入，先對(duì)直流側(cè)電壓預(yù)充電，當(dāng)電壓達(dá)到一定值后，再切除限流電阻，之后接入APF，再利用PI控制維持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。這樣將軟啟動(dòng)和PI控制聯(lián)合使用，應(yīng)用在四橋臂APF直流側(cè)電壓的控制中，能起到減小沖擊電壓、沖擊電流，穩(wěn)定直流側(cè)電壓的目的。如圖6所示為直流側(cè)軟啟動(dòng)控制原理圖。

在系統(tǒng)啟動(dòng)之前，三相交流接觸器S1的觸點(diǎn)斷開，此時(shí)三相電源通過三相限流電阻給直流側(cè)電容預(yù)充電，當(dāng)充電一定時(shí)間后直流側(cè)電壓達(dá)到預(yù)定值，此時(shí)軟件控制接觸器S1觸點(diǎn)閉合，使限流電阻短路，將APF主電路接入系統(tǒng)，電網(wǎng)電源繼續(xù)給電容充電，并通過PI控制，維持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。

3 仿真對(duì)比分析

為了驗(yàn)證所選控制方式的控制效果，需要搭建整體仿真模型，并通過對(duì)單獨(dú)PI控制和PI+軟啟動(dòng)控制兩種方式對(duì)比分析，從而確定更好的電壓控制方式。本文搭建的仿真模型的諧波源為三相不平衡負(fù)載。本系統(tǒng)的部分仿真參數(shù)如下：電源為三相交流電，頻率50 Hz；負(fù)載為三相不可控整流橋帶RL負(fù)載，B相又連接了一個(gè)單相RL負(fù)載的整流橋；直流側(cè)電壓為700 V。如圖7所示是APF整體的仿真模型。

3.1 單獨(dú)PI控制仿真分析

在搭建的整體仿真模型下，直流側(cè)電壓只使用PI控制，當(dāng)APF諧波補(bǔ)償裝置在0.035 s時(shí)刻接入系統(tǒng)。通過仿真可以得到圖8的直流側(cè)電壓變化曲線。圖9是在此控制下，最終得到的補(bǔ)償后網(wǎng)側(cè)電流波形。

由圖8和圖9可得，在直流側(cè)電壓達(dá)到穩(wěn)定的700 V之前，存在一個(gè)很大的沖擊電壓，最大值可以高達(dá)900 V。并且在此控制下的補(bǔ)償后網(wǎng)側(cè)電流也存在很大的沖擊電流，可以由補(bǔ)償前的負(fù)載電流45 A，突變到?jīng)_擊電流600 A，然而這樣大的沖擊電流很容易造成器件的損壞。因此，針對(duì)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)因直流側(cè)單獨(dú)PI控制所引起的電壓、電流過沖問題，需要找到更好的解決方法。為此，提出將軟啟動(dòng)控制方式引入三相四橋臂的APF諧波補(bǔ)償裝置的研究中，它能起到減小電壓、電流沖擊波，穩(wěn)定直流側(cè)電壓的目的。

3.2 PI+軟啟動(dòng)控制仿真分析

為了驗(yàn)證軟啟動(dòng)在APF設(shè)計(jì)中的控制效果，在其他條件不變的前提下，將軟啟動(dòng)控制引入系統(tǒng)，進(jìn)行仿真分析。加入軟啟動(dòng)之后的補(bǔ)償后網(wǎng)側(cè)電流波形如圖10所示。

由圖10得，將軟啟動(dòng)引入四橋臂APF的電壓控制中，直流側(cè)不再存在沖擊電壓，且網(wǎng)側(cè)最大沖擊電流為70 A。

綜合對(duì)比兩種直流側(cè)控制方式，可得：1)直流側(cè)電壓在單獨(dú)PI控制時(shí)，在電壓穩(wěn)定在700 V以前，會(huì)存在一個(gè)很大的沖擊電壓且高達(dá)900 V。而加入軟啟動(dòng)之后，直流側(cè)電壓可以平穩(wěn)到達(dá)700 V，整個(gè)過程不存在沖擊電壓，且電壓波動(dòng)較小。2)補(bǔ)償后的網(wǎng)側(cè)電流，在加入軟啟動(dòng)的控制方式與單獨(dú)PI控制時(shí)相比，最大沖擊電流由600 A降到70 A左右。

因此可以證明，直流側(cè)電壓控制時(shí)，將軟啟動(dòng)控制和PI控制聯(lián)合使用，可以有效減少APF系統(tǒng)接入電網(wǎng)時(shí)產(chǎn)生的沖擊電壓和沖擊電流對(duì)電網(wǎng)的影響。從而降低了對(duì)設(shè)備的損耗以及對(duì)電網(wǎng)的沖擊，為其更好應(yīng)用到工程實(shí)踐中起到了一定的意義。

4 總結(jié)

針對(duì)低壓配電系統(tǒng)廣泛使用三相四線制供電方式，所產(chǎn)生的負(fù)載不平衡、電壓畸變導(dǎo)致的電網(wǎng)電流諧波含量高且存在中線電流等情況，設(shè)計(jì)了三相四橋臂的有源電力濾波器作為補(bǔ)償電網(wǎng)諧波的裝置。在補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)過程中，主要對(duì)電壓環(huán)的控制進(jìn)行研究，并通過仿真的方式對(duì)比分析了單獨(dú)PI控制和PI+軟啟動(dòng)的控制方式的控制效果，最終確定了電壓環(huán)選用PI+軟啟動(dòng)的控制方式。