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(guó)網(wǎng)衡水供電公司,河北衡水 053000)

有源電力濾波器過(guò)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(guó)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(wú)法滿足系統(tǒng)要求時(shí)的過(guò)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(guò)流保護(hù) 脈沖閉鎖 截?cái)嘞蘖?/p>

近年來(lái)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(wèn)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(wèn)題。有源電力濾波器(Active Power Filter，APF)是通過(guò)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(lái)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(cè)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(guò)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(guò)電流檢測(cè)環(huán)節(jié)檢測(cè)出需要補(bǔ)償?shù)碾娏鳎缓蟾鶕?jù)APF的跟蹤控制回路產(chǎn)生一個(gè)與檢測(cè)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(guò)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(wú)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(guò)大而損壞。出現(xiàn)這種情況時(shí)，過(guò)去保護(hù)策略則是跳開(kāi)系統(tǒng)與裝置之間連接的主開(kāi)關(guān)解除裝置。然而主開(kāi)關(guān)的跳開(kāi)包含機(jī)械過(guò)程，整個(gè)斷開(kāi)過(guò)程為幾十毫秒，較大的動(dòng)作延遲難以滿足系統(tǒng)微秒級(jí)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，且當(dāng)主開(kāi)關(guān)斷開(kāi)以后，裝置重新啟動(dòng)投入使用的過(guò)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(guò)流時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)閉鎖開(kāi)關(guān)元件如IGBT的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，使所有IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)以代替解除裝置。經(jīng)過(guò)短時(shí)過(guò)渡后重新給IGBT發(fā)送脈沖信號(hào)，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(hào)，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(kāi)關(guān)斷開(kāi)，解除APF裝置。這種保護(hù)速度通常為幾十微秒，是對(duì)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(guò)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(guò)流情況下仍對(duì)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(guò)程中必須面對(duì)和解決的問(wèn)題。

圖1 并聯(lián)型APF基本結(jié)構(gòu)

2.2 截?cái)嘞蘖鞅Ｗo(hù)

對(duì)于APF裝置來(lái)說(shuō)，造成APF的過(guò)流狀況的原因主要是裝置跟蹤的參考電流超過(guò)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(guò) 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(guò)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(méi)有把整個(gè)控制過(guò)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(guò)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)嘞蘖鞑黄鹱饔茫C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(guò)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(jiǎn)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(cè)環(huán)節(jié)采用的是基于瞬時(shí)無(wú)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(lèi)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(guò)電流。以a相為例，圖2(a)(b)(c)分別為進(jìn)行無(wú)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(wú)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(guò)安全值時(shí)APF對(duì)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(guó)家諧波標(biāo)準(zhǔn)。在1.0s-1.1s動(dòng)態(tài)變化過(guò)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(duì)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(guò)流情況。通過(guò)MATLAB仿真，對(duì)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(duì)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(wú)功補(bǔ)償技術(shù)及裝備[M].北京:中國(guó)電力出版社,2006.

[2]楊振宇,趙劍鋒,唐國(guó)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(guó)電業(yè),2012,11(11):50-54.