有源電力濾波器過流保護(hù)仿真研究

王杰

(1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,河北保定 071003;2.國網(wǎng)衡水供電公司,河北衡水 053000)

有源電力濾波器過流保護(hù)仿真研究

王杰1,2

(1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,河北保定 071003;2.國網(wǎng)衡水供電公司,河北衡水 053000)

有源電力濾波器(APF)是一種可以有效抑制電力系統(tǒng)諧波的電力電子裝置。本文研究了當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷突增或發(fā)生輕微故障時(shí),APF補(bǔ)償容量無法滿足系統(tǒng)要求時(shí)的過流保護(hù)。仿真比較了脈沖閉鎖保護(hù)策略和截?cái)嘞蘖鞅Ｗo(hù)策略下的a相系統(tǒng)電流補(bǔ)償情況,結(jié)果表明截?cái)嘞蘖鞑呗愿雍侠砼c有效。

APF 諧波抑制 過流保護(hù) 脈沖閉鎖 截?cái)嘞蘖?/p>

近年來隨著煉鋼電弧爐、變頻器等大量具有非線性特性設(shè)備的投入，使得電網(wǎng)產(chǎn)生諧波、電壓波動(dòng)與閃變等電能質(zhì)量[1]問題。電網(wǎng)諧波的增加將導(dǎo)致線路損耗增大，電氣設(shè)備壽命縮短，通信受干擾以及繼電保護(hù)裝置的誤動(dòng)作等一系列問題。有源電力濾波器(Active Power Filter，APF)是通過動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)姆绞较螂娋W(wǎng)中注入反向諧波，從而進(jìn)行諧波補(bǔ)償?shù)囊环N電力電子裝置。

因此，APF成為近年來研究的熱點(diǎn)，但是目前研究的重點(diǎn)多集中于APF本身的補(bǔ)償性能方面，如主電路結(jié)構(gòu)、諧波檢測算法以及控制策略等[2]，而APF保護(hù)的研究卻不多。本文則從限制裝置參考電流的角度出發(fā)，研究了當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障或非線性負(fù)荷突增時(shí)APF補(bǔ)償容量不足時(shí)的過流保護(hù)。

1 APF基本結(jié)構(gòu)與工作原理

APF主電路主要分為并聯(lián)型電壓型橋式電路和串聯(lián)型電流型橋式電路，由于串聯(lián)型結(jié)構(gòu)運(yùn)行效率低，目前多采用并聯(lián)型電壓型橋式電路。

APF基本結(jié)構(gòu)如圖1所示， eaebec為三相電網(wǎng)電壓， isaisbisc為三相電網(wǎng)電流， icaicbicc為APF輸出的三相電流， iLaiLbiLc為三相負(fù)荷電流，C與 udc分別為直流側(cè)電容與電壓，L為濾波電感。

APF的工作原理是根據(jù)補(bǔ)償目的，通過電流檢測環(huán)節(jié)檢測出需要補(bǔ)償?shù)碾娏?，然后根?jù)APF的跟蹤控制回路產(chǎn)生一個(gè)與檢測電流方向相反、大小相等的諧波量注入到系統(tǒng)中，使系統(tǒng)電流最終達(dá)到諧波要求標(biāo)準(zhǔn)。

2 APF過流保護(hù)

當(dāng)非線性負(fù)荷突增或系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，APF裝置補(bǔ)償容量可能無法滿足系統(tǒng)的補(bǔ)償需求，此時(shí)如果裝置不采取有效保護(hù)措施，APF裝置可能會(huì)由于電流過大而損壞。出現(xiàn)這種情況時(shí)，過去保護(hù)策略則是跳開系統(tǒng)與裝置之間連接的主開關(guān)解除裝置。然而主開關(guān)的跳開包含機(jī)械過程，整個(gè)斷開過程為幾十毫秒，較大的動(dòng)作延遲難以滿足系統(tǒng)微秒級的動(dòng)態(tài)變化過程，且當(dāng)主開關(guān)斷開以后，裝置重新啟動(dòng)投入使用的過程相當(dāng)緩慢。因此這種保護(hù)方式漸漸被脈沖閉鎖保護(hù)方式所取代。

2.1 脈沖閉鎖保護(hù)

文獻(xiàn)[3]提出的脈沖封鎖保護(hù)是指在裝置過流時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)閉鎖開關(guān)元件如IGBT的驅(qū)動(dòng)脈沖信號，使所有IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)以代替解除裝置。經(jīng)過短時(shí)過渡后重新給IGBT發(fā)送脈沖信號，若故障消失則裝置自動(dòng)恢復(fù)正常工作，若故障仍然存在則裝置繼續(xù)閉鎖脈沖。若APF裝置連續(xù)發(fā)出好幾次脈沖信號，均未能恢復(fù)正常工作，判定此次故障為永久性故障，則將主開關(guān)斷開，解除APF裝置。這種保護(hù)速度通常為幾十微秒，是對整個(gè)裝置的工作狀態(tài)進(jìn)行控制干預(yù)的一種較快且有效的手段，因此它成為目前用于APF過流保護(hù)的主要方法之一。

但在脈沖封鎖期間，APF將停止工作，使其補(bǔ)償效果大受影響。因此如何使APF在過流情況下仍對系統(tǒng)進(jìn)行部分補(bǔ)償發(fā)揮其諧波抑制功能，是APF實(shí)用化過程中必須面對和解決的問題。

圖1 并聯(lián)型APF基本結(jié)構(gòu)

2.2 截?cái)嘞蘖鞅Ｗo(hù)

對于APF裝置來說，造成APF的過流狀況的原因主要是裝置跟蹤的參考電流超過參考電流的安全值，因此可以從限制參考電流的角度出發(fā)限制APF裝置輸出電流。截?cái)嘞蘖鞯难a(bǔ)償方式的工作原理是將參考電流 iref中超過 imax的部分進(jìn)行截?cái)啵沟脜⒖茧娏魇冀K在額定范圍內(nèi)。經(jīng)過處理的參考補(bǔ)償電流為

圖2 各保護(hù)策略下的a相補(bǔ)償電流圖

圖3 各保護(hù)策略下補(bǔ)償后a相系統(tǒng)電流圖

截?cái)嘞蘖鞅Ｗo(hù)并沒有把整個(gè)控制過程變復(fù)雜，僅僅在原參考電流的基礎(chǔ)上進(jìn)行限幅處理，把參考電流和限定的幅值進(jìn)行比較，使超過限定幅值的部分固定為設(shè)定安全值的上限或下限，APF裝置按照限幅后的進(jìn)行補(bǔ)償工作。按照截?cái)嘞蘖鞑呗?，若非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流在APF裝置補(bǔ)償能力范圍內(nèi)時(shí)，截?cái)嘞蘖鞑黄鹱饔?，諧波電流將由APF裝置進(jìn)行全補(bǔ)償，當(dāng)非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流較大致使參考補(bǔ)償電流超過APF允許的最大補(bǔ)償電流時(shí)，截?cái)嘞蘖鞑艜?huì)起作用。因此這種方法原理簡單，且容易實(shí)現(xiàn)。

3 仿真分析

本文使用Matlab/Simulink進(jìn)行仿真，其中負(fù)載為三相橋式整流負(fù)載和AC相的單相橋式整流負(fù)載，仿真中APF裝置指令電流檢測環(huán)節(jié)采用的是基于瞬時(shí)無功功率理論的 ip-iq法，電流跟蹤控制采用的是滯環(huán)比較方式。

仿真系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置為：系統(tǒng)頻率50Hz，系統(tǒng)電壓220V；三相整流負(fù)載電阻為15Ω；單相整流負(fù)載電阻為10Ω；直流側(cè)的電容為5000uF，直流電容電壓參考值設(shè)置為700V；濾波電抗電感值為3mH。裝置單相安全電流設(shè)置為20A。

單相整流橋在1.0s時(shí)投入、1.1s退出系統(tǒng)；類比實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行中負(fù)荷突然增加的情況，造成APF輸出過電流。以a相為例，圖2(a)(b)(c)分別為進(jìn)行無安全限制下、脈沖閉鎖保護(hù)后以及截?cái)嘞蘖鞅Ｗo(hù)后的a相補(bǔ)償電流；如圖3所示在1.0s-1.1s時(shí)間段：無安全限制下a相補(bǔ)償電流最大值達(dá)到了50A，裝置危險(xiǎn)運(yùn)行；閉鎖保護(hù)時(shí)APF在此時(shí)間段不工作；截?cái)嘞蘖鞅Ｗo(hù)時(shí)APF裝置在安全值下可靠運(yùn)行。

補(bǔ)償后a相系統(tǒng)電流圖如圖3所示，在負(fù)荷突然變化裝置輸出電流未超過安全值時(shí)APF對系統(tǒng)進(jìn)行了有效的諧波抑制，THD值由補(bǔ)償前的19.75%降低為1.68%，達(dá)到了國家諧波標(biāo)準(zhǔn)。在1.0s-1.1s動(dòng)態(tài)變化過程中，補(bǔ)償前a相電流THD為13.65%；閉鎖保護(hù)時(shí)APF未進(jìn)行工作，a相THD仍為13.65%；截?cái)嘞蘖鞅Ｗo(hù)時(shí)APF裝置在安全運(yùn)行范圍內(nèi)對系統(tǒng)進(jìn)行了部分補(bǔ)償，a相電流THD值將為7.13%。

4 結(jié)論

本文分析了實(shí)際運(yùn)用中由于負(fù)荷突增或輕微故障時(shí)APF容量不足導(dǎo)致的過流情況。通過MATLAB仿真，對兩種保護(hù)控制策略進(jìn)行比較，仿真結(jié)果表明可以看出截?cái)嘞蘖鞣軌虮ＷC裝置安全運(yùn)行的前提下還能繼續(xù)對諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償，證明了該方法更加合理與有效。

[1]羅安.電網(wǎng)諧波治理和無功補(bǔ)償技術(shù)及裝備[M].北京:中國電力出版社,2006.

[2]楊振宇,趙劍鋒,唐國慶,等.并聯(lián)型有源電力濾波器限流補(bǔ)償策略研究[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2006,26(3):21-25.

[3]劉北安,張立中.DSTATCOM的故障分析研究[J].中國電業(yè),2012,11(11):50-54.