中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所 仲 倪

由于中國經(jīng)濟(jì)的快速增長和人們生活水平的提高，電力需求量不斷上升，相應(yīng)地，供電能力也在不斷提升。隨著氣候變暖、自然災(zāi)害的頻繁出現(xiàn)，以及其他方面的挑戰(zhàn)，電力系統(tǒng)的安全性和可靠性面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)。為了保障電力系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，必須采取有效的措施來保證電力系統(tǒng)的安全性能。電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備需要具備較高的可靠度和抗干擾性。其中，有源電力濾波器作為一種新型的電力電子技術(shù)產(chǎn)品，具有高效率、低成本、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。

1 有源電力濾波器的工作原理和主電路設(shè)計(jì)

1.1 有源電力濾波器的工作原理

在電力系統(tǒng)中，有源電力濾波器是一種重要的設(shè)備。其工作原理是通過調(diào)節(jié)電流或電壓來實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)中的諧振信號(hào)進(jìn)行抑制或者消除。有源電力濾波器的核心功能在于有效抑制諧振信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的不利影響，以確保系統(tǒng)的安全、高效、可靠。有源電力濾波器的基本結(jié)構(gòu)包括電源端、濾波器端以及輸出端三部分，其中電源端用于將交流電轉(zhuǎn)換為直流電；濾波器端則負(fù)責(zé)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理并生成輸出信號(hào)；輸出端則是將處理后的信號(hào)返回到電網(wǎng)中。其工作原理如圖1所示。

圖1 有源電力濾波器的工作原理

1.2 有源電力濾波器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在有源電力濾波器中，其主要的功能是通過控制電源電壓來實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載電流的調(diào)節(jié)。因此，有源電力濾波器的設(shè)計(jì)需要考慮多個(gè)因素，如功率需求、頻率范圍、輸出特性，等等。其中，主電路是一個(gè)非常重要的部分，它決定了濾波器的性能表現(xiàn)。有源電力濾波器的主電路通常由一個(gè)或多個(gè)電感子串聯(lián)而成，這些電感子可以分為兩種類型：電容型和電感型。電容型電感子主要用于低頻應(yīng)用，而電感型電感子則適用于高頻應(yīng)用?？偟膩碚f，有源電力濾波器的主電路可以通過選擇合適的電感子來滿足各種實(shí)際應(yīng)用的需求。有源電力濾波器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 有源電力濾波器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.3 有源電力濾波器的主電路設(shè)計(jì)

想要弄清楚有源電力濾波器的主電路設(shè)計(jì)，首先需要了解有源電力濾波器的基本結(jié)構(gòu)及其工作原理。有源電力濾波器是一種用于減少電網(wǎng)中的諧振電流并實(shí)現(xiàn)功率控制的設(shè)備。它的主要作用是通過對(duì)電源電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到降低諧振電流的目的。有源電力濾波器的主要組成部分包括輸入端、輸出端和濾波單元。其中，輸入端負(fù)責(zé)接收交流電能，輸出端則將其轉(zhuǎn)換為直流電能；而濾波單元?jiǎng)t是起到隔離諧振電流的作用。在主電路的設(shè)計(jì)方面，有源電力濾波器的主回路主要包括兩個(gè)部分：一個(gè)整流環(huán)節(jié)和一個(gè)逆變環(huán)節(jié)。整流入主回路是為了將交流電轉(zhuǎn)化為直流電；逆變?nèi)肟谥饕糜趯⒅绷麟娮儞Q回交流電。

2 有源電力濾波器的故障分析

在有源電力濾波器中，由于其具有較強(qiáng)的功率和電壓特性，因此在使用過程中容易出現(xiàn)各種類型的故障。為了保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需要對(duì)這些故障進(jìn)行全面的分析和處理。

第一，對(duì)于有源電力濾波器中的電感型故障來說，最常見的是電感損壞或匝間短路引起的漏電流過大的情況。在這種情況下，可以通過更換電感或者修復(fù)匝間短路來解決該問題。第二，對(duì)于有源電力濾波器中的開關(guān)型故障來說，最常見的是開關(guān)失效導(dǎo)致電路無法通斷的情況。此時(shí)可以采用備用開關(guān)的方式來解決問題。第三，還有一種常見的故障類型就是線圈繞組不良造成的漏磁場現(xiàn)象。這種情況下，可以通過調(diào)整繞組的大小和位置來改善系統(tǒng)性能。

2.1 有源電力濾波器的數(shù)學(xué)模型

在有源電力濾波器的研究中，建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型是非常重要的。有源電力濾波器模型如圖3所示，該模型需要考慮濾波器的結(jié)構(gòu)和工作原理，以及外界環(huán)境的影響因素。一般來說，有源電力濾波器可以分為單端型和雙端型兩種類型。其中，單端型有源電力濾波器通常由一個(gè)電感、一個(gè)電阻和一個(gè)電源組成；而雙端型有源電力濾波器則包括兩個(gè)電容、兩個(gè)電阻和兩個(gè)電源。為了建模有源電力濾波器的工作過程，需要確定其電路參數(shù)。例如，對(duì)于單端型有源電力濾波器來說，其電感值、電阻值和電源電壓都需要被測量出來。同時(shí)，還需要考慮外部負(fù)載對(duì)濾波器的影響，如負(fù)載電流的變化會(huì)對(duì)濾波器產(chǎn)生影響。

圖3 有源電力濾波器模型

2.2 有源電力濾波器的諧波電流檢測方法

在有源電力濾波器中，諧波電流是導(dǎo)致設(shè)備損壞的主要原因之一。因此，對(duì)諧波電流進(jìn)行監(jiān)測和控制是非常重要的。目前常用的有源電力濾波器故障診斷技術(shù)主要包括電感法、電壓差法、功率比法等多種方式。其中，基于電感的方法是最為常見的一種方法。該方法通過測量濾波器中的電感量來判斷其是否存在故障。然而，這種方法存在一定的缺陷，如需要安裝多個(gè)電感器件才能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確度高的故障檢測。

2.3 有源電力濾波器的控制策略

在有源電力濾波器中，控制策略是至關(guān)重要的。其決定了濾波器的性能和穩(wěn)定性，直接影響著系統(tǒng)的運(yùn)行效果。通過有效的監(jiān)督和管理，可以有效提升系統(tǒng)的性能，而這種重要性不可低估。隨著PID控制、自適應(yīng)控制以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等先進(jìn)的控制技術(shù)的發(fā)展，這些控制手段可以更加精準(zhǔn)地應(yīng)對(duì)多樣化的應(yīng)用環(huán)境，從而提高系統(tǒng)的性能。與此同時(shí)也會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。此外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制也是近年來備受關(guān)注的一個(gè)方向。其基本思想是在輸入—輸出之間建立一個(gè)多層神經(jīng)元結(jié)構(gòu)，利用學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練出模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)的預(yù)測和控制。雖然這種方法擁有卓越的自主學(xué)習(xí)能力和靈活性，但其在實(shí)踐中依然存在許多不足之處，因此必須加以改進(jìn)與完善[1]。

3 有源電力濾波器的主回路保護(hù)

在電力系統(tǒng)中，有源電力濾波器作為一種重要的設(shè)備，其主要作用是通過對(duì)電源電壓進(jìn)行濾波和調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)功率變換。然而，由于其復(fù)雜多變的工作原理及高壓電能的特點(diǎn)，有源電力濾波器也存在一定的安全隱患。因此，如何有效地保障其正常運(yùn)行并防止發(fā)生故障成為一個(gè)亟待解決的問題。為了保證有源電力濾波器的正常工作，需要對(duì)其進(jìn)行有效的故障診斷與處理。其中，主回路保護(hù)是一種常見的方法。主回路保護(hù)是指在有源電力濾波器出現(xiàn)故障時(shí)，通過控制電路將主輸出端隔離斷開以避免電流過大而造成損壞或人員傷害。具體來說，主回路保護(hù)主要包括兩種方式：自動(dòng)主回路保護(hù)和手動(dòng)主回路保護(hù)。自動(dòng)主回路保護(hù)是在有源電力濾波器發(fā)生故障時(shí)，由控制電路自動(dòng)執(zhí)行的一種保護(hù)措施。而手動(dòng)主回路保護(hù)則是指人工操作者通過控制裝置打開主輸出端開關(guān)，從而切斷主輸出端線路以達(dá)到保護(hù)的目的。這兩種類型的主回路保護(hù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，選擇時(shí)應(yīng)考慮具體情況。

3.1 有源電力濾波器的主回路故障

在有源電力濾波器中，主回路是其最關(guān)鍵的部分之一。如果主回路發(fā)生故障，那么整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性都會(huì)受到影響。因此，對(duì)主回路進(jìn)行有效保護(hù)是非常重要的。常見的主回路故障包括電路短路、過流、欠壓等問題。由于存在這些問題，系統(tǒng)可能無法正常運(yùn)行，甚至可能引發(fā)嚴(yán)重的后果。為了解決這個(gè)問題，可以采用多種方法來保護(hù)主回路。其中一種常用的方法是在主回路上設(shè)置電流互感器或電壓互感器。當(dāng)主回路出現(xiàn)異常情況時(shí)，其會(huì)自動(dòng)觸發(fā)警報(bào)信號(hào)并切斷電源以防止進(jìn)一步損壞。此外，還可以通過使用功率電子器件實(shí)現(xiàn)主回路的保護(hù)。這種方式可以在主回路出現(xiàn)異常情況下立即切斷電源，從而避免更大的損失[2]。

3.2 有源電力濾波器的主回路保護(hù)方案

此處將介紹一種基于有源電力濾波器的主回路保護(hù)方案。該方案旨在提高電網(wǎng)穩(wěn)定性和可靠性，減少因故障引起的停電時(shí)間和經(jīng)濟(jì)損失。具體來說，該方案主要通過對(duì)有源電力濾波器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制來實(shí)現(xiàn)主回路保護(hù)的目的。

第一，需要確定故障類型及對(duì)應(yīng)的保護(hù)策略。常見的故障類型包括短路、過載、匝間接地，等等。針對(duì)不同的故障類型，我們可以采用相應(yīng)的保護(hù)策略。

第二，我們需要考慮如何實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制。我們可以利用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）技術(shù)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。通過安裝多個(gè)傳感器和執(zhí)行程序，我們可以實(shí)時(shí)獲取有源電力濾波器的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將其與預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)值相比較。如果發(fā)現(xiàn)目標(biāo)值被超越或者出現(xiàn)異常情況時(shí)，就可以采取相應(yīng)措施來保護(hù)主回路。

第三，我們還需考慮應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制。一旦有源電力濾波器發(fā)生了故障，應(yīng)該迅速采取行動(dòng)來保護(hù)系統(tǒng)。這通常涉及緊急停電、恢復(fù)供電等措施[3]。

3.3 有源電力濾波器的主回路保護(hù)仿真

在實(shí)際應(yīng)用中，由于電力系統(tǒng)中的電壓波動(dòng)較大，因此，對(duì)電源側(cè)進(jìn)行有效地保護(hù)顯得尤為重要。本文將采用一種基于PID控制算法的主回路保護(hù)方法，該方法可以有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)電源側(cè)的保護(hù)作用。具體來說，該方法利用PID控制器來調(diào)節(jié)功率輸出信號(hào)的大小和頻率，從而達(dá)到對(duì)負(fù)載端電流的控制的目的。同時(shí)，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，還采用了一些其他的控制策略和參數(shù)優(yōu)化方法。在仿真實(shí)驗(yàn)（如圖4所示）中，使用了MATLAB/Simulink軟件平臺(tái)搭建了一個(gè)完整的模型，包括有源電力濾波器及其主回路保護(hù)電路。通過仿真結(jié)果，我們可以看到該保護(hù)方案能夠很好地滿足電力系統(tǒng)的需求，并且具有較高的魯棒性和適應(yīng)能力。

圖4 有源濾波器電路與仿真

4 結(jié)語

綜上所述，本文主要介紹了有源電力濾波器的主回路保護(hù)方案，并在仿真實(shí)驗(yàn)中對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的驗(yàn)證和評(píng)估。通過本次工作，我們得到了一個(gè)更加完善和穩(wěn)定的保護(hù)方案，為電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供了有力保障。