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        基于軟啟動控制的三相四線制有源電力濾波器

        2019-07-31 03:38:34車志霞張朋飛
        關(guān)鍵詞:四橋有源三相

        車志霞,張朋飛

        (1.衡水電氣化鐵路學(xué)校,河北 衡水 053000;2.石家莊鐵道大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,河北 石家莊 050043;3.中鐵建電氣化局集團(tuán)北方工程有限公司,山西 太原 030053)

        在我國低壓配電系統(tǒng)中廣泛使用的供電方式是三相四線制[1],在此供電方式下的主要電氣設(shè)備均含電力電子器件,正是這些設(shè)備的使用,造成了電網(wǎng)諧波電流的產(chǎn)生。雖然這些設(shè)備單臺功率小,產(chǎn)生諧波含量少,但是由于使用數(shù)量龐大,使得三相四線系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波問題,對設(shè)備安全和用戶正常用電造成威脅。同時這些設(shè)備應(yīng)用在三相四線制系統(tǒng),當(dāng)三相負(fù)載不平衡時很容易使得中線電流過大,甚至燒毀中線,對系統(tǒng)安全造成嚴(yán)重威脅[2]。

        因此,三相四線制系統(tǒng)中的諧波抑制、中線電流消除及三相電流平衡將成為三相四線制系統(tǒng)亟待解決的問題[3]。筆者以三相四橋臂有源電力濾波器為主要研究對象,用于治理三相四線制低壓配電系統(tǒng)的諧波問題。

        1 有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        1.1 有源電力濾波器的工作原理

        is=iL+ic=iLf+iLh-iLh=iLf

        (1)

        1.2 三相四橋臂有源電力濾波器數(shù)學(xué)模型

        三相四橋臂APF結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中T1~T8為8個IGBT和反向二極管組成的功率開關(guān)器件,L為主電路輸出側(cè)電感,電容C為直流側(cè)儲能原件。電壓Ua、Ub、Uc、Un為APF主電路四個橋臂的中點(diǎn)相對于端點(diǎn)N的電位差,Udc為直流側(cè)電容兩端的電壓,Usa、Usb、Usc分別為電網(wǎng)中的電源電壓,ifa、ifb、ifc為APF主電路輸出的補(bǔ)償電流,ifn是中線電流。

        因此,根據(jù)基爾霍夫電壓和電流定律可以得到其在abc坐標(biāo)系下的方程式(2):

        (2)

        將abc坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換到dq0坐標(biāo)系時需要進(jìn)行Park變化[6-7],其矩陣變換式為(3)。從而,可以得到四橋臂APF在dq0坐標(biāo)系下的表達(dá)式為(4):

        (3)

        (4)

        將式(4)在dq0坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型用框圖的形式表示,如圖3所示。

        由圖3知,三相四橋臂主電路的PWM變換器由兩部分構(gòu)成[8-9]。一部分是由d、q相互耦合的兩個通道構(gòu)成,即在d軸通道中存在q通道的參數(shù)關(guān)系,當(dāng)任一軸參數(shù)變化時均會引起另一軸的參數(shù)變化;另一部分是由完全獨(dú)立且與d、q軸無耦合關(guān)系的0軸通道組成。因此若實(shí)現(xiàn)各軸單獨(dú)控制,則需進(jìn)行解耦控制,通過使用被控對象if的反饋值和電源電壓Us的前饋來達(dá)到各軸之間完全解耦的目的。圖4為電流交叉解耦的控制框圖。

        明確了電流交叉解耦的控制方式后,需要確定諧波電流檢測算法,本文使用優(yōu)化的瞬時無功理論的檢測算法,而在檢測控制環(huán)節(jié)會用到電壓環(huán)控制輸出的變量。因此本節(jié)主要研究電壓環(huán)控制對于三相四線制APF諧波補(bǔ)償?shù)目刂菩Ч?/p>

        2 電壓環(huán)控制

        當(dāng)明確了系統(tǒng)諧波電流檢測以及電流環(huán)控制方式的基礎(chǔ)上,需要確定電壓環(huán)的控制。當(dāng)電壓外環(huán)使用傳統(tǒng)PI控制方式時,其控制原理框圖如圖5所示。通過此控制方式可以實(shí)現(xiàn)維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定的目的[10]。

        經(jīng)理論分析,當(dāng)有源電力濾波器直流側(cè)僅使用PI控制時,在APF接入電網(wǎng)瞬間,會產(chǎn)生一個很大的沖擊電壓和沖擊電流,從而對系統(tǒng)設(shè)備安全造成影響。因此,決定將軟啟動控制方式引入三相四橋臂APF的直流側(cè)電壓控制當(dāng)中,在諧波補(bǔ)償裝置APF接入系統(tǒng)之前,通過限流電阻的接入,先對直流側(cè)電壓預(yù)充電,當(dāng)電壓達(dá)到一定值后,再切除限流電阻,之后接入APF,再利用PI控制維持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。這樣將軟啟動和PI控制聯(lián)合使用,應(yīng)用在四橋臂APF直流側(cè)電壓的控制中,能起到減小沖擊電壓、沖擊電流,穩(wěn)定直流側(cè)電壓的目的。如圖6所示為直流側(cè)軟啟動控制原理圖。

        在系統(tǒng)啟動之前,三相交流接觸器S1的觸點(diǎn)斷開,此時三相電源通過三相限流電阻給直流側(cè)電容預(yù)充電,當(dāng)充電一定時間后直流側(cè)電壓達(dá)到預(yù)定值,此時軟件控制接觸器S1觸點(diǎn)閉合,使限流電阻短路,將APF主電路接入系統(tǒng),電網(wǎng)電源繼續(xù)給電容充電,并通過PI控制,維持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。

        3 仿真對比分析

        為了驗(yàn)證所選控制方式的控制效果,需要搭建整體仿真模型,并通過對單獨(dú)PI控制和PI+軟啟動控制兩種方式對比分析,從而確定更好的電壓控制方式。本文搭建的仿真模型的諧波源為三相不平衡負(fù)載。本系統(tǒng)的部分仿真參數(shù)如下:電源為三相交流電,頻率50 Hz;負(fù)載為三相不可控整流橋帶RL負(fù)載,B相又連接了一個單相RL負(fù)載的整流橋;直流側(cè)電壓為700 V。如圖7所示是APF整體的仿真模型。

        3.1 單獨(dú)PI控制仿真分析

        在搭建的整體仿真模型下,直流側(cè)電壓只使用PI控制,當(dāng)APF諧波補(bǔ)償裝置在0.035 s時刻接入系統(tǒng)。通過仿真可以得到圖8的直流側(cè)電壓變化曲線。圖9是在此控制下,最終得到的補(bǔ)償后網(wǎng)側(cè)電流波形。

        由圖8和圖9可得,在直流側(cè)電壓達(dá)到穩(wěn)定的700 V之前,存在一個很大的沖擊電壓,最大值可以高達(dá)900 V。并且在此控制下的補(bǔ)償后網(wǎng)側(cè)電流也存在很大的沖擊電流,可以由補(bǔ)償前的負(fù)載電流45 A,突變到?jīng)_擊電流600 A,然而這樣大的沖擊電流很容易造成器件的損壞。因此,針對系統(tǒng)啟動時因直流側(cè)單獨(dú)PI控制所引起的電壓、電流過沖問題,需要找到更好的解決方法。為此,提出將軟啟動控制方式引入三相四橋臂的APF諧波補(bǔ)償裝置的研究中,它能起到減小電壓、電流沖擊波,穩(wěn)定直流側(cè)電壓的目的。

        3.2 PI+軟啟動控制仿真分析

        為了驗(yàn)證軟啟動在APF設(shè)計(jì)中的控制效果,在其他條件不變的前提下,將軟啟動控制引入系統(tǒng),進(jìn)行仿真分析。加入軟啟動之后的補(bǔ)償后網(wǎng)側(cè)電流波形如圖10所示。

        由圖10得,將軟啟動引入四橋臂APF的電壓控制中,直流側(cè)不再存在沖擊電壓,且網(wǎng)側(cè)最大沖擊電流為70 A。

        綜合對比兩種直流側(cè)控制方式,可得:1)直流側(cè)電壓在單獨(dú)PI控制時,在電壓穩(wěn)定在700 V以前,會存在一個很大的沖擊電壓且高達(dá)900 V。而加入軟啟動之后,直流側(cè)電壓可以平穩(wěn)到達(dá)700 V,整個過程不存在沖擊電壓,且電壓波動較小。2)補(bǔ)償后的網(wǎng)側(cè)電流,在加入軟啟動的控制方式與單獨(dú)PI控制時相比,最大沖擊電流由600 A降到70 A左右。

        因此可以證明,直流側(cè)電壓控制時,將軟啟動控制和PI控制聯(lián)合使用,可以有效減少APF系統(tǒng)接入電網(wǎng)時產(chǎn)生的沖擊電壓和沖擊電流對電網(wǎng)的影響。從而降低了對設(shè)備的損耗以及對電網(wǎng)的沖擊,為其更好應(yīng)用到工程實(shí)踐中起到了一定的意義。

        4 總結(jié)

        針對低壓配電系統(tǒng)廣泛使用三相四線制供電方式,所產(chǎn)生的負(fù)載不平衡、電壓畸變導(dǎo)致的電網(wǎng)電流諧波含量高且存在中線電流等情況,設(shè)計(jì)了三相四橋臂的有源電力濾波器作為補(bǔ)償電網(wǎng)諧波的裝置。在補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)過程中,主要對電壓環(huán)的控制進(jìn)行研究,并通過仿真的方式對比分析了單獨(dú)PI控制和PI+軟啟動的控制方式的控制效果,最終確定了電壓環(huán)選用PI+軟啟動的控制方式。

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