李新元, 高 鵬, 于浩然, 申振東, 王佰超, 林 焱

(1.許繼電源有限公司, 河南 許昌 461000;2.國網(wǎng)福建省電力有限公司 電力科學(xué)研究院, 福建 福州 350000)

0 引 言

電力電子設(shè)備在工廠供電、民用住宅和城市供電等電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用,使得各種非線性、波動性和不對稱負(fù)載大量增加,造成諸如電壓波動、功率因數(shù)低、三相不平衡及諧波等電能質(zhì)量污染日趨嚴(yán)重[1-2]。隨著電能質(zhì)量問題逐漸引起人們的關(guān)注,各種電能質(zhì)量治理裝置如諧波及間諧波補(bǔ)償裝置有源電力濾波器(Active Power Filter,APF)、靜止無功發(fā)生器(Static Var Generator,SVG)及三相不平衡補(bǔ)償裝置等被廣泛應(yīng)用。電能質(zhì)量治理設(shè)備在研發(fā)與生產(chǎn)過程中都需要針對電流諧波、間諧波、無功及不平衡補(bǔ)償功能配置相應(yīng)的負(fù)載,用于驗證電能質(zhì)量治理裝置的性能和補(bǔ)償效果。

目前電能質(zhì)量常用的負(fù)載設(shè)備基本分為兩類[3-4]:一類是電阻、電感和電容線性元件以及將這些線性元件串聯(lián)或者并聯(lián)組成的各種性質(zhì)的線性負(fù)載;另一類是用不控整流接LR、LCR直流元件或者采用可控晶閘管帶阻感負(fù)載來模擬非線性負(fù)載。在設(shè)備研發(fā)生產(chǎn)過程中或者產(chǎn)品出廠前,檢驗設(shè)備無功補(bǔ)償功能常采用電感或者電容線性負(fù)載,不平衡補(bǔ)償功能常使用可調(diào)電阻箱作為負(fù)載,諧波及間諧波補(bǔ)償功能測試一般會購置諧波、間諧波補(bǔ)償裝置(非線性負(fù)載)。采用上述傳統(tǒng)方式不僅成本高,而且大多數(shù)負(fù)載屬于耗能型負(fù)載,既耗資又耗能。目前專門針對電能質(zhì)量治理裝置的負(fù)載裝置未見相關(guān)研究,但關(guān)于電源產(chǎn)品的負(fù)載裝置已取得一些研究成果。文獻(xiàn)[5]提出采用二極管全橋整流加晶閘管控制的有源逆變電路組成的負(fù)載裝置,通過控制晶閘管的導(dǎo)通角來實現(xiàn)輸出功率的控制。文獻(xiàn)[6]提出采用DC/AC變換器和AC/DC變換器構(gòu)成的負(fù)載裝置,兩個環(huán)節(jié)可以分開控制,通過對輸出電流的控制模擬各種特性的負(fù)載。文獻(xiàn)[7-8]提出能量回饋性交流負(fù)載的一般結(jié)構(gòu),由兩級式負(fù)載特性模擬單元和能量回饋單元組成,能夠準(zhǔn)確快速地控制輸入電流,同時將試驗電能回饋給電網(wǎng)。

上述研究方法存在一定的弊端,且不能同時滿足電能質(zhì)量治理設(shè)備所有補(bǔ)償功能驗證的需求。如何同時產(chǎn)生諧波電流、間諧波電流、無功電流、有功電流和不平衡電流以供理論研究和裝置檢驗,已成為電能質(zhì)量產(chǎn)品研制過程中急需解決的問題。本文在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上,利用電能質(zhì)量廠家都有的APF模塊,提出了一種基于APF多功能電子負(fù)載裝置,通過監(jiān)控來切換裝置的工作模式即可實現(xiàn)靈活調(diào)節(jié)和控制;裝置節(jié)能、回饋電網(wǎng)功率因數(shù)高、整體效率高;裝置通過變壓器隔離,抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高。最后,通過仿真和實驗驗證了該策略的可行性和實用性。

1 電子負(fù)載的系統(tǒng)組成

電子負(fù)載應(yīng)用示意圖如圖1所示。虛線框中表示的是基于APF多功能電子負(fù)載的組成。在應(yīng)用中電子負(fù)載與被測試的電能質(zhì)量設(shè)備并聯(lián)接入電網(wǎng)。該電子負(fù)載由兩臺APF模塊(1#APF和2#APF)、一臺隔離變壓器和一個WiFi模塊組成;共用一組輸入端和輸出端,直接與三相四線制電網(wǎng)(U、V、W和N)連接;1#APF模塊用于穩(wěn)壓和中點(diǎn)平衡控制;2#APF模塊用于輸出需要的負(fù)載電流;變壓器主要用于電隔離;WiFi模塊用于裝置與手機(jī)、iPad和筆記本電腦等通信。

圖1 電子負(fù)載應(yīng)用示意圖

電子負(fù)載使用APF的主電路拓?fù)淙鐖D2所示。主電路采用NPC三電平逆變電路。

圖2 電子負(fù)載使用APF的主電路拓?fù)?/p>

電路的中性點(diǎn)從直流母線電容中點(diǎn)抽出,VT1～VT3是三相IGBT器件,Udc為直流母線電壓,E1是正母線電容,E2是負(fù)母線電容,Udc1為正母線電壓,Udc2為負(fù)母線電壓,Uina～Uinc為逆變側(cè)三相電壓,Usa～Usc為電網(wǎng)側(cè)三相電壓,RELAY1～RELAY3為三相主繼電器。濾波電路采用LCL濾波器或者LCLLC濾波器,與LCL濾波器相比,LCLLC濾波器增加了諧振電感和諧振電容。

2 電子負(fù)載的控制策略

由于基于APF的多功能電子負(fù)載使用了兩臺APF實現(xiàn)不同功能,因此兩臺APF模塊采用不同的控制策略。

2.1 1#APF模塊控制策略

1#APF模塊控制策略如圖3所示。采用雙電壓環(huán)控制結(jié)構(gòu),控制策略包括穩(wěn)壓環(huán)控制策略和均壓環(huán)控制策略[9-10]。穩(wěn)壓環(huán)用于穩(wěn)定直流母線電壓Udc,均壓環(huán)用于中點(diǎn)平衡控制,實現(xiàn)正、負(fù)母線電壓Udc1和Udc2均衡。

圖3 1#APF模塊控制策略

穩(wěn)壓環(huán)通過將直流側(cè)總電壓Udc(Udc1+Udc2)與基準(zhǔn)電壓Udcref比較,將誤差信號經(jīng)過PI(比例積分)調(diào)節(jié)器后乘以與電網(wǎng)各相同步的正弦信號(PLL鎖相電路輸出信號)作為有功分量疊加到反饋的輸出電流上,用于調(diào)節(jié)直流母線電壓穩(wěn)定。采用PI控制器,采樣頻率取12.5 kHz。

(1)

式中: PI(s)——PI控制器傳遞系數(shù);

K——增益;

T——轉(zhuǎn)折頻率的倒數(shù);

r——積分阻尼系數(shù)。

離散化后的傳遞函數(shù)為

(2)

在負(fù)載不平衡的情況下,基波無功電流在直流側(cè)會導(dǎo)致100 Hz紋波電流,直流母線電壓存在一定的100 Hz紋波,綜合考慮帶寬、紋波衰減及系統(tǒng)的參數(shù),選取穩(wěn)壓環(huán)PI控制器的增益K=1.5,轉(zhuǎn)折頻率10 Hz,控制器阻尼r=0.005。穩(wěn)壓環(huán)開環(huán)頻率特性如圖4所示。開環(huán)截止頻率為27.9 Hz,相角裕度為70°。PI控制器離散化后的參數(shù)為A=1.503 7,B=1.496 2,C=0.999 97。

圖4 穩(wěn)壓環(huán)開環(huán)頻率特性

均壓環(huán)是通過將正、負(fù)母線電壓的差信號(Udc2-Udc1)經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器之后作為零序分量,與裝置實際輸出的電流(Ica、Icb和Icc)作差送入控制器,用于調(diào)節(jié)正、負(fù)母線電容電壓均衡。

均壓環(huán)也是采用PI控制器。均壓環(huán)只對中線電流的直流分量進(jìn)行控制,不應(yīng)該影響正常中線電流的通過。而中線電流含有最低50 Hz的基波成分,因此其開環(huán)截止頻率需要控制在10 Hz以內(nèi)。選取中點(diǎn)穩(wěn)壓環(huán)PI控制器比例系數(shù)為0.6,均壓環(huán)開環(huán)頻率特性如圖5所示。開環(huán)截止頻率為6.53 Hz,相角裕度為68°。PI控制器離散化后的參數(shù)為A=0.600 4,B=0.599 6,C=0.999 993。

圖5 均壓環(huán)開環(huán)頻率特性

2.2 2#APF模塊控制策略

2#APF模塊控制策略如圖6所示。采用單電流環(huán)控制加電網(wǎng)電壓前饋控制結(jié)構(gòu)。

圖6 2#APF模塊控制策略

電流環(huán)由PI控制器和準(zhǔn)PR控制器構(gòu)成,用以保證系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)補(bǔ)償精度。電網(wǎng)電壓前饋(Usa、Usb和Usc),用于提高系統(tǒng)的動態(tài)性能和減輕電網(wǎng)電壓波動對直流母線電壓的沖擊和輸出精度的影響。裝置的指令電流作為給定電流信號(Irefa、Irefb和Irefc),可以設(shè)置為有功電流、感性無功電流、容性無功電流、不平衡電流、諧波電流及間諧波電流。裝置實際輸出的電流信號作為反饋信號(Ica、Icb和Icc),將給定電流與反饋信號之差送入電流控制器(PI+準(zhǔn)PR),經(jīng)SPWM模塊生成PWM驅(qū)動信號驅(qū)動開關(guān)管工作,實現(xiàn)裝置實際輸出電流跟蹤指令電流的目的。

電流環(huán)PI控制器的設(shè)計主要關(guān)注低頻段增益,控制系統(tǒng)對高頻段諧波及間諧波指令電流的精準(zhǔn)跟蹤輸出由準(zhǔn)PR控制器實現(xiàn)。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,選取PI控制器參數(shù)為K=0.4,取轉(zhuǎn)折頻率為70 Hz,r=0.001,PI控制器離散化后的參數(shù)為A=0.402 4,B=0.397 6,C=0.999 988。

準(zhǔn)PR控制器傳遞函數(shù)G(s)為

(3)

式中:ω0——基波角頻率;

nω0——待消去的n次諧波及間諧波頻率;

Krn——n倍頻諧振控制器的增益系數(shù);

ωc——截止頻率。

準(zhǔn)PR控制器離散化后的傳遞函數(shù)為

(4)

各次諧波離散化后的準(zhǔn)PR參數(shù)如表1所示。

表1 各次諧波離散化后的準(zhǔn)PR參數(shù)

不同指令電流的給定形式如表2所示。Am、Bm和Cm為三相電流的幅值,ω為角頻率。對于有功電流,Am、Bm和Cm相等,若不全相等則表示不平衡電流;對于無功電流,Am、Bm和Cm都為正數(shù)時表示感性無功電流,都為負(fù)數(shù)時表示容性無功電流;對于諧波及間諧波電流,當(dāng)k>0且k為整數(shù)時表示諧波電流,當(dāng)k>0且k為非整數(shù)時表示間諧波電流。

表2 不同指令電流的給定形式

3 仿真實驗驗證

針對本文提出的方法,利用MATLAB/Simulink搭建基于APF多功能電子負(fù)載的仿真模型。對裝置輸出無功電流、有功電流、諧波電流及間諧波電流進(jìn)行驗證。該電子負(fù)載容量為100 kW,變壓器變比為0.4 kV/0.4 kV,使用的兩臺APF的參數(shù):電網(wǎng)電壓為380 V,頻率為50 Hz,容量為150 A,直流側(cè)電壓給定值Udc為700 V,開關(guān)頻率為12.5 kHz,逆變側(cè)電感L1～L3為200 μH,網(wǎng)側(cè)電感L4～L6為40 μH,C1～C3為30 μF,R1～R3為0.1 Ω,Lf1～Lf3為8.2 μH,Cf1～Cf3為20 μF。

無功電流、有功電流、諧波電流及不平衡電流仿真波形分別如圖7～圖10所示。

圖7 無功電流仿真波形

圖8 有功電流仿真波形

圖9 諧波電流仿真波形

圖10 不平衡電流仿真波形

由圖7～圖10可見,裝置能夠正常運(yùn)行,能夠按照需求產(chǎn)生有功電流、無功電流、諧波電流及不平衡電流。

按照仿真參數(shù),試制電子負(fù)載樣機(jī)。電子負(fù)載樣機(jī)如圖11所示。進(jìn)行實驗驗證,無功電流、有功電流、諧波電流及不平衡電流試驗波形分別如圖12～圖15所示。由圖12～圖15可見,研制的電子負(fù)載運(yùn)行正常,實驗時能夠按照指令需求產(chǎn)生相應(yīng)大小的有功、無功、諧波及不平衡電流,且實驗結(jié)果與仿真結(jié)果完全一致。

圖11 電子負(fù)載樣機(jī)

圖12 無功電流試驗波形

圖13 有功電流試驗波形

圖14 諧波電流試驗波形

圖15 不平衡電流試驗波形

4 結(jié) 語

本文利用電能質(zhì)量治理廠家都有的APF模塊,提出一種基于APF多功能電子負(fù)載,仿真和試驗結(jié)果表明了該方法的可行性和有效性,電子負(fù)載能夠同時產(chǎn)生諧波、間諧波、無功、有功和不平衡電流,可供電能質(zhì)量治理裝置理論研究和產(chǎn)品檢驗,支持實驗平臺和生產(chǎn)調(diào)試?yán)匣脚_,具有極其重要的實際意義。