竇金生，朱進(jìn)華

(1.中國(guó)人民解放軍鎮(zhèn)江船艇學(xué)院，江蘇省鎮(zhèn)江市 212003；2.江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇省鎮(zhèn)江市 212003)

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一種分析APF直流側(cè)電壓諧波含量的新方法

竇金生1，朱進(jìn)華2

(1.中國(guó)人民解放軍鎮(zhèn)江船艇學(xué)院，江蘇省鎮(zhèn)江市 212003；2.江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇省鎮(zhèn)江市 212003)

摘 要：有源電力濾波器在船舶電網(wǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用。然而有源電力濾波器在補(bǔ)償電流時(shí)實(shí)際發(fā)出的電流存在靜差、直流側(cè)電壓存在波動(dòng)。為了提高有源電力濾波器的補(bǔ)償精度，找出補(bǔ)償時(shí)存在誤差的根本原因，本文圍繞APF的數(shù)學(xué)模型、補(bǔ)償機(jī)理、瞬時(shí)功率理論來具體討論在船舶電網(wǎng)不平衡下的APF直流側(cè)電壓波動(dòng)成分，并對(duì)以往的儲(chǔ)能電容的計(jì)算公式進(jìn)行修正。

關(guān)鍵詞：有源電力濾波器 APF的數(shù)學(xué)模型 瞬時(shí)功率理論

0 引言

為解決船舶電網(wǎng)不平衡和諧波污染的問題，應(yīng)用了三相四線制三電平并聯(lián)型有源電力濾波器。這種有源電力濾波器具有直流電壓利用率高、電容需求量低、能夠?yàn)榱阈螂娏魈峁┩返葍?yōu)點(diǎn)[1-3]。然而在工程實(shí)踐中，補(bǔ)償電流時(shí)APF裝置直流側(cè)電壓存在波動(dòng)，這種波動(dòng)增加了直流側(cè)電壓的控制難度。文獻(xiàn)[4]給出在船舶電網(wǎng)平衡時(shí)的儲(chǔ)能電容計(jì)算公式，通過對(duì)儲(chǔ)能電容的選取來抑制直流側(cè)電壓波動(dòng)，但是這種方法在船舶電網(wǎng)不平衡時(shí)存在缺陷。本文圍繞APF的數(shù)學(xué)模型、補(bǔ)償機(jī)理、瞬時(shí)功率理論來具體討論在船舶電網(wǎng)不平衡下的APF直流側(cè)電壓波動(dòng)成分并對(duì)儲(chǔ)能電容計(jì)算公式進(jìn)行修正。

1 三電平APF數(shù)學(xué)模型

如圖1所示，假設(shè)C1、C2儲(chǔ)能電容上的電壓為Udc1、Udc2、，開關(guān)側(cè)輸出電壓為usa、usb、usc，三相供電系統(tǒng)的電壓為uan、ubn、ucn，流過濾波電感La、Lb、Lc、Ln的電流為ia、ib、ic、in，流過三相供電系統(tǒng)的電流為ian、ibn、icn，流過非線性負(fù)載的電流為iLa、iLb、iLc、iLn，流過C1、C2儲(chǔ)能電容的電流為idc1、idc2。Sk表示開關(guān)管通斷狀態(tài)值，Sk可取值為2、1、0。其中k=a、b、c，La=Lb=Lc=Lcn=L。利用基爾霍夫電壓定律(KVL)可以得出三相四線制三電平APF拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在a-b-c坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型表達(dá)式為：

忽略開關(guān)側(cè)輸出電流中頻率為開關(guān)頻率的電流分量，根據(jù)APF補(bǔ)償機(jī)理可認(rèn)為這里的ia、ib、ic、in等于需要補(bǔ)償?shù)碾娏鳌?/p>

2 船舶電網(wǎng)電壓不平衡APF補(bǔ)償時(shí)的諧波分析

船舶電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)，船舶電網(wǎng)電壓可以表示為：

其中2k+1不為3的倍數(shù)。

其中2k+1不為3的倍數(shù)。

式(8)中：[PPPa,PPPb,PPPc]表示正序基波電壓與2k+1次正序諧波電流的瞬時(shí)功率。負(fù)號(hào)表示開關(guān)側(cè)從直流側(cè)儲(chǔ)能電容中吸收瞬時(shí)功率。[PPPa,PPPb,PPPc]由兩部分瞬時(shí)功率組成：一組頻率為ω2k零序三相瞬時(shí)功率與一組頻率為ω2k+ 2負(fù)序三相平衡瞬時(shí)功率，分別在相與相之間、相內(nèi)進(jìn)行能量傳遞。APF運(yùn)作時(shí)是通過吸收直流側(cè)儲(chǔ)能電容C1、C2中的無功功率來補(bǔ)償船舶電網(wǎng)中的諧波功率，也就是說開關(guān)側(cè)的瞬時(shí)功率與儲(chǔ)能電容C1、C2的瞬時(shí)功率是等價(jià)的，直流側(cè)儲(chǔ)能電容電壓必包含偶次波動(dòng)電壓，Udc1、Udc2可表示為：其中：Udc為C1、C2上電壓的平均值，U2i為偶次波動(dòng)電壓峰值。假設(shè)船舶電網(wǎng)電壓無相位畸變，結(jié)合電壓、電流不平衡度、THD計(jì)算公式與能量守恒定律計(jì)算得到△Udc的表達(dá)式為(10)、(11)、(12)、(13)：

3 MATLAB仿真驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)學(xué)方法的正確性，本文用MATLAB搭建了三相四線制三電平并聯(lián)型有源電力濾波器(εuN=εu0=0)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。選擇仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1。負(fù)載電流平衡的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖2、3、4、5、6、7、8。

結(jié)合表1參數(shù)、仿真結(jié)果圖與表達(dá)式(10)、(11)、(12)、(13)可得到補(bǔ)償時(shí)理論電壓波動(dòng)值與實(shí)際電壓波動(dòng)值如表2。

表1仿真與實(shí)驗(yàn)參數(shù)

表2電壓波動(dòng)值對(duì)比

圖2 突加負(fù)載網(wǎng)側(cè)A相電流情況

圖3 補(bǔ)償后網(wǎng)側(cè)A相電流諧波含量5.3%

圖4 A相負(fù)載側(cè)電流

圖5補(bǔ)償前負(fù)載電流諧波含量26.43%

圖6電容為1000 μF直流電壓波形

4 結(jié)論

本文提出了一種基于瞬時(shí)功率計(jì)算的定性分析APF直流側(cè)電壓的諧波含量的數(shù)學(xué)方法，對(duì)以往的儲(chǔ)能電容的計(jì)算公式進(jìn)行了修正。結(jié)合推導(dǎo)公式和MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來看，基于瞬時(shí)功率計(jì)算的定性分析APF直流側(cè)電壓的諧波含量的數(shù)學(xué)方法是確實(shí)可行的，這種數(shù)學(xué)方法將為APF直流側(cè)電壓控制發(fā)展提供一定的理論依據(jù)，從而為提高APF直流側(cè)電壓控制精度提供新的思路。

圖7電容為2200 μF直流電壓波形

圖8 直流側(cè)電壓的諧波含量

參考文獻(xiàn)：

[1]王平陽,賴曉陽,徐紅成.電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)諧波控制[M].船電技術(shù),2015,35(3):48-51

[2]張佳佳,石東源．分布式電源用四橋臂變換器中點(diǎn)電壓漂移控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2013,28(2):225-232

[3]劉秀翀,張化光,陳宏志.四橋臂逆變器中第四橋臂的控制策略[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27(33):87-92

[4]顧和榮,王德玉,沈虹,等.三相四橋臂逆變器控制技術(shù)研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39(24):41-46

[5]葉珠環(huán),肖國(guó)春,曾忠,等.基于電流狀態(tài)反饋的串聯(lián)電壓質(zhì)量調(diào)節(jié)器比例諧振和諧波補(bǔ)償控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2011,26(10):84-92.

A Novel Method for Analyzing the Harmonic Component of Active Power Filter at DC-voltage Side

Dou Jinsheng1,Zhu Jinhua2
(1.Zhenjiang Watercraft college of PLA,School of Electrical and Information,Zhenjiang 212003,Jiangsu,China; 2.Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003,Jiangsu,China)

Abstract:Nowadays active power filter has been widely used in marine power system.However,there are current static difference and fluctuations in DC-voltage side when the active power filter in compensating current.In order to improve the accuracy of active power filter and find the reason of fluctuations at DC-voltage side,the mathematical model,the compensation mechanism of active power filter and the instantaneous power theory are used to discuss the harmonic component at DC-voltage side in the ship power system,and the calculation formula of the energy storage capacitor is modified.

Keywords:active power filter; the mathematical model of active power filter; instantaneous power theory

作者簡(jiǎn)介：竇金生（1965-），男，博士研究生，教授，研究方向：智能控制技術(shù)。朱進(jìn)華（1990-），男，碩士研究生，研究方向：電能質(zhì)量智能控制技術(shù)。

收稿日期：2015-10-26

中圖分類號(hào)：TM921 TM315

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-4862(2016)02-0049-04