基于有源電力濾波器的多功能電子負載設(shè)計*

李新元, 高 鵬, 于浩然, 申振東, 王佰超, 林 焱

(1.許繼電源有限公司, 河南 許昌 461000;2.國網(wǎng)福建省電力有限公司 電力科學研究院, 福建 福州 350000)

0 引 言

電力電子設(shè)備在工廠供電、民用住宅和城市供電等電力系統(tǒng)中廣泛應用,使得各種非線性、波動性和不對稱負載大量增加,造成諸如電壓波動、功率因數(shù)低、三相不平衡及諧波等電能質(zhì)量污染日趨嚴重[1-2]。隨著電能質(zhì)量問題逐漸引起人們的關(guān)注,各種電能質(zhì)量治理裝置如諧波及間諧波補償裝置有源電力濾波器(Active Power Filter,APF)、靜止無功發(fā)生器(Static Var Generator,SVG)及三相不平衡補償裝置等被廣泛應用。電能質(zhì)量治理設(shè)備在研發(fā)與生產(chǎn)過程中都需要針對電流諧波、間諧波、無功及不平衡補償功能配置相應的負載,用于驗證電能質(zhì)量治理裝置的性能和補償效果。

目前電能質(zhì)量常用的負載設(shè)備基本分為兩類[3-4]:一類是電阻、電感和電容線性元件以及將這些線性元件串聯(lián)或者并聯(lián)組成的各種性質(zhì)的線性負載;另一類是用不控整流接LR、LCR直流元件或者采用可控晶閘管帶阻感負載來模擬非線性負載。在設(shè)備研發(fā)生產(chǎn)過程中或者產(chǎn)品出廠前,檢驗設(shè)備無功補償功能常采用電感或者電容線性負載,不平衡補償功能常使用可調(diào)電阻箱作為負載,諧波及間諧波補償功能測試一般會購置諧波、間諧波補償裝置(非線性負載)。采用上述傳統(tǒng)方式不僅成本高,而且大多數(shù)負載屬于耗能型負載,既耗資又耗能。目前專門針對電能質(zhì)量治理裝置的負載裝置未見相關(guān)研究,但關(guān)于電源產(chǎn)品的負載裝置已取得一些研究成果。文獻[5]提出采用二極管全橋整流加晶閘管控制的有源逆變電路組成的負載裝置,通過控制晶閘管的導通角來實現(xiàn)輸出功率的控制。文獻[6]提出采用DC/AC變換器和AC/DC變換器構(gòu)成的負載裝置,兩個環(huán)節(jié)可以分開控制,通過對輸出電流的控制模擬各種特性的負載。文獻[7-8]提出能量回饋性交流負載的一般結(jié)構(gòu),由兩級式負載特性模擬單元和能量回饋單元組成,能夠準確快速地控制輸入電流,同時將試驗電能回饋給電網(wǎng)。

上述研究方法存在一定的弊端,且不能同時滿足電能質(zhì)量治理設(shè)備所有補償功能驗證的需求。如何同時產(chǎn)生諧波電流、間諧波電流、無功電流、有功電流和不平衡電流以供理論研究和裝置檢驗,已成為電能質(zhì)量產(chǎn)品研制過程中急需解決的問題。本文在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上,利用電能質(zhì)量廠家都有的APF模塊,提出了一種基于APF多功能電子負載裝置,通過監(jiān)控來切換裝置的工作模式即可實現(xiàn)靈活調(diào)節(jié)和控制;裝置節(jié)能、回饋電網(wǎng)功率因數(shù)高、整體效率高;裝置通過變壓器隔離,抗干擾能力強、可靠性高。最后,通過仿真和實驗驗證了該策略的可行性和實用性。

1 電子負載的系統(tǒng)組成

電子負載應用示意圖如圖1所示。虛線框中表示的是基于APF多功能電子負載的組成。在應用中電子負載與被測試的電能質(zhì)量設(shè)備并聯(lián)接入電網(wǎng)。該電子負載由兩臺APF模塊(1#APF和2#APF)、一臺隔離變壓器和一個WiFi模塊組成;共用一組輸入端和輸出端,直接與三相四線制電網(wǎng)(U、V、W和N)連接;1#APF模塊用于穩(wěn)壓和中點平衡控制;2#APF模塊用于輸出需要的負載電流;變壓器主要用于電隔離;WiFi模塊用于裝置與手機、iPad和筆記本電腦等通信。

圖1 電子負載應用示意圖

電子負載使用APF的主電路拓撲如圖2所示。主電路采用NPC三電平逆變電路。

圖2 電子負載使用APF的主電路拓撲

電路的中性點從直流母線電容中點抽出,VT1～VT3是三相IGBT器件,Udc為直流母線電壓,E1是正母線電容,E2是負母線電容,Udc1為正母線電壓,Udc2為負母線電壓,Uina～Uinc為逆變側(cè)三相電壓,Usa～Usc為電網(wǎng)側(cè)三相電壓,RELAY1～RELAY3為三相主繼電器。濾波電路采用LCL濾波器或者LCLLC濾波器,與LCL濾波器相比,LCLLC濾波器增加了諧振電感和諧振電容。

2 電子負載的控制策略

由于基于APF的多功能電子負載使用了兩臺APF實現(xiàn)不同功能,因此兩臺APF模塊采用不同的控制策略。

2.1 1#APF模塊控制策略

1#APF模塊控制策略如圖3所示。采用雙電壓環(huán)控制結(jié)構(gòu),控制策略包括穩(wěn)壓環(huán)控制策略和均壓環(huán)控制策略[9-10]。穩(wěn)壓環(huán)用于穩(wěn)定直流母線電壓Udc,均壓環(huán)用于中點平衡控制,實現(xiàn)正、負母線電壓Udc1和Udc2均衡。

圖3 1#APF模塊控制策略

穩(wěn)壓環(huán)通過將直流側(cè)總電壓Udc(Udc1+Udc2)與基準電壓Udcref比較,將誤差信號經(jīng)過PI(比例積分)調(diào)節(jié)器后乘以與電網(wǎng)各相同步的正弦信號(PLL鎖相電路輸出信號)作為有功分量疊加到反饋的輸出電流上,用于調(diào)節(jié)直流母線電壓穩(wěn)定。采用PI控制器,采樣頻率取12.5 kHz。

(1)

式中: PI(s)——PI控制器傳遞系數(shù);

K——增益;

T——轉(zhuǎn)折頻率的倒數(shù);

r——積分阻尼系數(shù)。

離散化后的傳遞函數(shù)為

(2)

在負載不平衡的情況下,基波無功電流在直流側(cè)會導致100 Hz紋波電流,直流母線電壓存在一定的100 Hz紋波,綜合考慮帶寬、紋波衰減及系統(tǒng)的參數(shù),選取穩(wěn)壓環(huán)PI控制器的增益K=1.5,轉(zhuǎn)折頻率10 Hz,控制器阻尼r=0.005。穩(wěn)壓環(huán)開環(huán)頻率特性如圖4所示。開環(huán)截止頻率為27.9 Hz,相角裕度為70°。PI控制器離散化后的參數(shù)為A=1.503 7,B=1.496 2,C=0.999 97。

圖4 穩(wěn)壓環(huán)開環(huán)頻率特性

均壓環(huán)是通過將正、負母線電壓的差信號(Udc2-Udc1)經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器之后作為零序分量,與裝置實際輸出的電流(Ica、Icb和Icc)作差送入控制器,用于調(diào)節(jié)正、負母線電容電壓均衡。

均壓環(huán)也是采用PI控制器。均壓環(huán)只對中線電流的直流分量進行控制,不應該影響正常中線電流的通過。而中線電流含有最低50 Hz的基波成分,因此其開環(huán)截止頻率需要控制在10 Hz以內(nèi)。選取中點穩(wěn)壓環(huán)PI控制器比例系數(shù)為0.6,均壓環(huán)開環(huán)頻率特性如圖5所示。開環(huán)截止頻率為6.53 Hz,相角裕度為68°。PI控制器離散化后的參數(shù)為A=0.600 4,B=0.599 6,C=0.999 993。

圖5 均壓環(huán)開環(huán)頻率特性

2.2 2#APF模塊控制策略

2#APF模塊控制策略如圖6所示。采用單電流環(huán)控制加電網(wǎng)電壓前饋控制結(jié)構(gòu)。

圖6 2#APF模塊控制策略

電流環(huán)由PI控制器和準PR控制器構(gòu)成,用以保證系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)補償精度。電網(wǎng)電壓前饋(Usa、Usb和Usc),用于提高系統(tǒng)的動態(tài)性能和減輕電網(wǎng)電壓波動對直流母線電壓的沖擊和輸出精度的影響。裝置的指令電流作為給定電流信號(Irefa、Irefb和Irefc),可以設(shè)置為有功電流、感性無功電流、容性無功電流、不平衡電流、諧波電流及間諧波電流。裝置實際輸出的電流信號作為反饋信號(Ica、Icb和Icc),將給定電流與反饋信號之差送入電流控制器(PI+準PR),經(jīng)SPWM模塊生成PWM驅(qū)動信號驅(qū)動開關(guān)管工作,實現(xiàn)裝置實際輸出電流跟蹤指令電流的目的。

電流環(huán)PI控制器的設(shè)計主要關(guān)注低頻段增益,控制系統(tǒng)對高頻段諧波及間諧波指令電流的精準跟蹤輸出由準PR控制器實現(xiàn)。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,選取PI控制器參數(shù)為K=0.4,取轉(zhuǎn)折頻率為70 Hz,r=0.001,PI控制器離散化后的參數(shù)為A=0.402 4,B=0.397 6,C=0.999 988。

準PR控制器傳遞函數(shù)G(s)為

(3)

式中:ω0——基波角頻率;

nω0——待消去的n次諧波及間諧波頻率;

Krn——n倍頻諧振控制器的增益系數(shù);

ωc——截止頻率。

準PR控制器離散化后的傳遞函數(shù)為

(4)

各次諧波離散化后的準PR參數(shù)如表1所示。

表1 各次諧波離散化后的準PR參數(shù)

不同指令電流的給定形式如表2所示。Am、Bm和Cm為三相電流的幅值,ω為角頻率。對于有功電流,Am、Bm和Cm相等,若不全相等則表示不平衡電流;對于無功電流,Am、Bm和Cm都為正數(shù)時表示感性無功電流,都為負數(shù)時表示容性無功電流;對于諧波及間諧波電流,當k>0且k為整數(shù)時表示諧波電流,當k>0且k為非整數(shù)時表示間諧波電流。

表2 不同指令電流的給定形式

3 仿真實驗驗證

針對本文提出的方法,利用MATLAB/Simulink搭建基于APF多功能電子負載的仿真模型。對裝置輸出無功電流、有功電流、諧波電流及間諧波電流進行驗證。該電子負載容量為100 kW,變壓器變比為0.4 kV/0.4 kV,使用的兩臺APF的參數(shù):電網(wǎng)電壓為380 V,頻率為50 Hz,容量為150 A,直流側(cè)電壓給定值Udc為700 V,開關(guān)頻率為12.5 kHz,逆變側(cè)電感L1～L3為200 μH,網(wǎng)側(cè)電感L4～L6為40 μH,C1～C3為30 μF,R1～R3為0.1 Ω,Lf1～Lf3為8.2 μH,Cf1～Cf3為20 μF。

無功電流、有功電流、諧波電流及不平衡電流仿真波形分別如圖7～圖10所示。

圖7 無功電流仿真波形

圖8 有功電流仿真波形

圖9 諧波電流仿真波形

圖10 不平衡電流仿真波形

由圖7～圖10可見,裝置能夠正常運行,能夠按照需求產(chǎn)生有功電流、無功電流、諧波電流及不平衡電流。

按照仿真參數(shù),試制電子負載樣機。電子負載樣機如圖11所示。進行實驗驗證,無功電流、有功電流、諧波電流及不平衡電流試驗波形分別如圖12～圖15所示。由圖12～圖15可見,研制的電子負載運行正常,實驗時能夠按照指令需求產(chǎn)生相應大小的有功、無功、諧波及不平衡電流,且實驗結(jié)果與仿真結(jié)果完全一致。

圖11 電子負載樣機

圖12 無功電流試驗波形

圖13 有功電流試驗波形

圖14 諧波電流試驗波形

圖15 不平衡電流試驗波形

4 結(jié) 語

本文利用電能質(zhì)量治理廠家都有的APF模塊,提出一種基于APF多功能電子負載,仿真和試驗結(jié)果表明了該方法的可行性和有效性,電子負載能夠同時產(chǎn)生諧波、間諧波、無功、有功和不平衡電流,可供電能質(zhì)量治理裝置理論研究和產(chǎn)品檢驗,支持實驗平臺和生產(chǎn)調(diào)試老化平臺,具有極其重要的實際意義。