大功率濾波裝置的設計及仿真

摘? ?要：文章針對某10 kV變電站諧波治理的工程需求，設計了一種新型的基波串聯(lián)諧振注入式混合型有源電力濾波器SRITHAPF，對濾波器進行了軟硬件設計和參數(shù)整定，并采用Matlab進行仿真驗證。結(jié)果證明，SRITHAPF對變電站的諧波治理是有效的。

關鍵詞：SRITHAPF;諧波治理;Matlab仿真

在電網(wǎng)中，諧波形成的主要原因有供電品質(zhì)不高、輸配電環(huán)節(jié)及大量應用非線性設施。由于大量諧波的存在，對電網(wǎng)造成了污染。為了提高電能質(zhì)量，減少諧波危害，通過引入一些濾波裝置，如無源濾波器PF、有源濾波器APF或混合型有源電力濾波器HAPF來抑制諧波的產(chǎn)生。

1? ? 實際工況及方案

10 kV變電站母線低壓側(cè)短路容量為130 MVA，其中，主變?nèi)萘繛?1 500 kVA，電壓為66 kV/10 kV。10 kV母線擁有一條專用軋制線和6臺中頻爐，裝機容量315 kVA，負荷電壓0.38 kV。因一些非線性器件在中頻爐上的使用，對生產(chǎn)線造成嚴重的諧波污染。為了提高電能質(zhì)量保證電網(wǎng)的可靠運行，該站采用電能質(zhì)量分析儀進行檢測，測得該母線中5，7，11諧波值分別為27.085，19.105，13.885，都超過了國家標準值，必須進行治理。在仔細研究了各種類型的HAPF后，提出一種大功率混合型有源濾波器—基波串聯(lián)諧振注入式混合有源濾波器SRITHAPF，它兼顧了PF和APF的長處，比較適合對中高壓系統(tǒng)進行大容量的諧波抑制和無功抵償[1-2]。SRITHAPF的拓撲結(jié)構如圖1所示。

SRITHAPF由APF和PF組成。PF由LC支路和諧振注入支路FSRC構成。APF選擇PWM電壓型智能IGBT模塊，其輸出端接輸出濾波器，目的是消除開關器件開合時產(chǎn)生的毛刺。

2? ? 硬件設計

2.1? APF設計

2.1.1? 主電路確定

本文采用三相電壓型PWM主電路，型號為CM1000HA-24H，如圖2所示。設三相電源電壓之和ea+eb+ec=0，由該電路有ica+icb+icc=0可得出描述主電路的微分方程為：

上式中，kaUdc，kbUdc，kcUdc每個橋臂的中點與電源的中點之間的電壓;ka，kb，kc為開合系數(shù)，ka+kb+kc=0。對于a相當ica

為了使實際抵償電流ica很好地追蹤指令電流i*ca，要滿足式（5）：

則直流側(cè)電壓表示為：

通常為了防止開關器件工作時的沖擊電壓，應把直流端電容額定電壓選大一些，可取Udc =1 100 V。在工程中APF直流端電容的計算公式為：

由式（8）確定直流側(cè)電容值為5 000 uF。

2.1.2? IGBT器件選擇及驅(qū)動電路

門極可關斷晶體管（Gate Turn Off thruster，GTO）和IGBT是目前廣泛應用的主要半導體器件。根據(jù)該站的實際情況，本文選用三菱公司的IGBT模塊CM1000HA-24H，它的性價比高。主電路與控制電路由驅(qū)動電路連接。為了提高系統(tǒng)的兼容性，驅(qū)動芯片也選三菱M57962L[3]。

輸出濾波器設計。輸出濾波器（Output Filter，OF）用于消除高頻信號。文中選擇LC濾波器。對于APF而言在動態(tài)情況下，電容的大小影響跟蹤速度及補償效果。因此，在設計開關紋波濾波器時應使C值不能過大?？傊甇F的參數(shù)整定具體可參考相關文獻。

2.2? PF設計

PF由L，C和R組成，其功能是通過對一定頻率的諧波發(fā)生串聯(lián)共振，來實現(xiàn)諧波抑制。

2.2.1? 容量確定

在工程中，為了保證濾波設備的可靠運行，所在電網(wǎng)基頻和調(diào)諧頻率電流決定PF中L和C的值。LC的容量方程為：

式中U2為基波相電壓，In為n次諧波電流。

2.2.2? 價格及品質(zhì)因數(shù)確定

為了保證設備的性價比較高，若L，C的單位容量造價是P與H，那么PF濾波器的造價可表示為：

在工程中，品質(zhì)因數(shù)Q的最優(yōu)值可以通過以下方法確定：

其中，e和t是電網(wǎng)的最大阻抗角及最大頻率偏差。

3? ? 軟件設計

文中選用德州儀器公司開發(fā)的32位定點數(shù)字信號處理技術（Digital Signal Processing，DSP）芯片TMS320F2812作為主控芯片。為了保證抵償電流跟蹤的實時性，本文選用PI控制的三角波跟蹤控制方式，電流檢測方法選擇基于瞬時無功功率理論的ip-iq檢測算法。

（1）主程序主要完成系統(tǒng)的初始化，如圖3所示。

（2）子程序包括初始化子程序和中斷子程序，如圖4—5所示。

4? ? 仿真驗證

4.1? SRITHAPF的參數(shù)及仿真模型

SRITHAPF系統(tǒng)的Matlab仿真參數(shù)設為：三相電源線電壓為10 kV，頻率50 Hz;非線性負載為三相感性整流橋，基波串聯(lián)諧振支路的電感為14.55 mH，電容為69 μF，注入電容為19.63 μF。輸出濾波器的電感和電容分別為0.5 mH和120 μF;PF的參數(shù)為：5次PF的電感、電容為6.5 mH，66.4 μF;7次PF的電感、電容為13.66 mH，15.42 μF，逆變器直流側(cè)電壓為1 100 V。通過Matlab軟件搭建的模型如圖6所示。

4.2? 仿真結(jié)果

根據(jù)給定的仿真參數(shù)以A相為例得到SRITHAPF投入前后的波形如下所示。其中，LPF為二階濾波器，開關頻率為10 kHz，采樣間隔為1/5 096。

（1）APF直流側(cè)電容電壓波形如圖7所示。

從波形看出，系統(tǒng)從0.01 s開始運行到1 100 V設定值，所需時間約為0.05 s，可見直流端電壓反應迅速。

（2）SRITHAPF投入前后A相負荷電流及頻譜如圖8所示。

（3）諧波跟蹤關系如圖9所示。

由圖8看出，補償前A相負載電流波形畸變?yōu)殡p峰波，負載中主要包含基波、5次、7次、11次等奇次諧波，總畸變率為24.72%。雖然在接入SRITHAPF裝置后各環(huán)節(jié)之間會產(chǎn)生一定的延時誤差，但在經(jīng)過0.04 s后，補償效果是令人滿意的，波形接近正弦波，總失真率下降到2.60%。如圖9所示的抵償電流可以實時準確地跟蹤諧波電流[4]。

4.3? SRITHAPF的功能驗證

為了測試SRITHAPF在混合電流模式下諧波的產(chǎn)生能力，搭建了實物并使用高清數(shù)字成像儀測試。使IGBT的開關頻率為6.4 kHz，非線性負荷作為諧波發(fā)生裝置，能發(fā)出任意次的諧波電流。圖10是所測波形，I1是電網(wǎng)電流，I2是模擬負荷電流，I3是抵償設備SRITHAPF的電流。當無功補償電流為303.2 A和600.7 A時，波形如圖10所示。

在兩種補償條件下電流波形的對稱性好，抑制后電網(wǎng)電流是13.1 A和27.6 A，波形畸變率降為12.9%和2.9%，若忽略空載時的電流，實際治理后的電網(wǎng)電流更小[5]，補償效果良好。

通過仿真及實驗測試表明，SRITHAP系統(tǒng)能夠很好地抑制該變電站諧波，滿足工況需求。

[參考文獻]

[1]張曉霞.基于DSP控制的10 kV變電站諧波抑制裝置的設計及應用[D].蘭州：蘭州理工大學，2018.

[2]柴鵬飛.電能質(zhì)量綜合評估方法研究[D].鄭州：鄭州大學，2014.

[3]夏向陽.大功率注入式有源電力濾波器的理論研究及工程應用[D].長沙：湖南大學，2009.

[4]高云廣.礦井電網(wǎng)有源電力濾波器電流控制策略研究[D].太原：太原理工大學，2017.

[5]黨存祿，張艷超，周明星.注入式混合型有源電力濾波器諧波檢測方法研究[J].電氣自動化，2012（1）：90-93.

Abstract：In this paper， a new SRITHAPF hybrid active power filter with fundamental wave series resonance injection is designed to meet the engineering requirements of harmonic control in a 10 kV substation. The software and hardware design and parameter setting of the filter are carried out， and Matlab is used for simulation verification. The results prove that SRITHAPF is effective for harmonic control of substations.

Key words：SRITHAPF; harmonic control; Matlab simulation