基于二重化技術的三相四線制APF研究

陳楠楠

（海軍駐滬東中華造船(集團)有限公司軍代表室，上海 200129）

基于二重化技術的三相四線制APF研究

陳楠楠

（海軍駐滬東中華造船(集團)有限公司軍代表室，上海 200129）

通過對比分析三相四線制有源電力濾波器(APF)的兩種拓撲結構的優(yōu)缺點，選擇了補償效果更好的四橋臂拓撲結構。采用改進的ip-iq型檢測算法對特指的次諧波進行檢測，分次進行補償，可以靈活選擇補償諧波的次數，以適應不同的工業(yè)現場的需要。仿真結果表明，設計的三相四線制二重化APF具有很好的諧波效果并能有效地抑制中線電流。

緩沖結構；Matlab；壓力補償；穩(wěn)定性

0 引言

隨著電力電子技術的廣泛應用，大量的電力電子設備給電網帶來了嚴重的諧波和無功危害。在現有的低壓配電網中，諧波和無功的補償大都用無源濾波器，存在與系統(tǒng)諧振的風險；有源電力濾波器(Active Power Filter，APF)作為一種新型的諧波抑制裝置，可以動態(tài)地補償諧波，具有很大的應用前景[1-2]。工業(yè)現場的負載諧波容量日益增大，急切需要更大容量的有源電力濾波器；單個逆變橋的容量難以滿足要求，二重化的有源電力濾波器就應運而生。三相三線制的二重化APF的研究已經取得很多成果，已在工業(yè)現場得到應用[3]，三相四線制的二重化APF的研究和產品的研發(fā)也越來越受到關注[4]。本文介紹了三相四線制二重化APF系統(tǒng)結構，采用四橋臂的拓撲結構，詳細闡述了諧波檢測算法，建立了系統(tǒng)仿真模型，仿真結果表明所設計的APF具有很好的諧波和零序電流補償效果。

1 系統(tǒng)結構和工作原理

1.1 系統(tǒng)結構

三相四線制APF拓撲結構根據中線的連接方式分為四橋臂結構和分裂電容三橋臂結構兩種。分裂電容式三橋臂結構有源濾波器的中線接在直流側電容中點，中線電流從直流電容中流過，拓撲電路結構簡單，控制也比較容易；但中線電流是交流量，往往含有大量諧波，對直流側電容要求很高，而且流過直流電容的電流也不能太大；另外，還要對直流側電容進行均壓控制，會顯著增加系統(tǒng)控制的復雜性，且存在直流電壓利用率低等缺點[5]。四橋臂結構在系統(tǒng)主回路中增加了一對橋臂，對中線電流是直接進行控制的，也沒有直流側均壓控制的問題，直流電壓利用率高，補償效果較分裂電容三橋臂結構的好。

本文采用四橋臂拓撲結構，如圖1所示。二重化結構中，兩組電壓型PWM變流器模塊并聯(lián)構成，這兩個模塊共用一組直流側電容器，經過 LCL接入電網。電壓型PWM變流器模塊采用四橋臂結構，使控制方法更簡單，補償效果更好。LCL濾波電路較L和LC濾波電路有較好的濾波效果，對開關次諧波抑制作用更強。二重化的主電路結構可以在保證裝置容量的同時降低單個變流器模塊的容量，采用載波移相技術可以提高裝置的等效開關頻率。

圖1 主電路結構圖

1.2 工作原理

三相四線制二重化APF系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制框圖

系統(tǒng)采用雙環(huán)控制即直流側電壓外環(huán)控制和電流內環(huán)控制。直流側電壓反饋值與給定電壓值閉環(huán)控制產生穩(wěn)壓指令iDC，通過諧波檢測算法檢測出負載電流含有的諧波電流指令i*，穩(wěn)壓指令與諧波電流指令之和為電流內環(huán)的指令。二重化兩個模塊共用電流內環(huán)指令，分別與各自輸出電流形成閉環(huán)控制，產生PWM波驅動IGBT，向電網輸出等量的諧波電流，抑制非線性負載電流流入電網，使電網電流不含有諧波。

2 諧波電流檢測

2.1 正負序諧波電流檢測

本文采用改進型ip- iq檢測算法對特定次諧波進行檢測，分次補償。諧波檢測框圖如圖3所示，其中n′代表檢測的諧波次數。

圖3 諧波檢測框圖

圖中：

il為三相負載電流ila、ilb和ilc，含有正序、負序和零序諧波成分，可以表示為：

式中：n′=3m±1，m為自然數；φ為初相角；Iln為負載諧波電流有效值。

可以求出ip、iq如下：

式中：n′=3m+1時取減號，n′=3m-1時取加號。

直流分量為：

經過反變換可以得到

式中：n′=3m±1，當n′=3m+1時，檢測結果為負載電流含有的正序諧波；當n′=3m-1時，檢測結果為負載電流含有的負序諧波。

2.2 零序電流檢測

三相四線制電路中負載電流包含零序電流且三相所含零序分量相等，中線零序分量為三相零序分量之和：

式中：n′=3m，ilnn’為中線零序分量。

3 仿真分析

3.1 仿真模型和仿真參數

為了驗證裝置設計的合理性和可行性，考察其補償性能，本文使用了matlab/simulink仿真軟件對系統(tǒng)進行了仿真，采用二重化技術的三相四線制APF仿真模型如圖4所示。為了仿真電路更加清晰直觀，采用了模塊化設計。系統(tǒng)由電網模塊(Grid)、負載模塊(Load)、逆變模塊(Inverter)、濾波模塊(LC)和控制模塊(Current control)構成。圖 5是負載模塊，三相整流橋帶 RLC負載，R=1?，L=0.2mH，C=1000μF；單相整流橋帶阻性負載接在C相和中線之間以制造負序和零序負載，其中R=2?。表1為系統(tǒng)仿真參數。

圖4 三相四線制二重化APF仿真模型

圖5 負載模塊

表1 仿真參數

3.2 仿真結果及分析

為了檢驗裝置的穩(wěn)態(tài)補償效果，進行了穩(wěn)態(tài)仿真，三相電流的穩(wěn)態(tài)仿真波形如圖6所示，其中由上向下依次是負載電流、電網電流、補償電流。負載電流波形嚴重畸變且三相不平衡，C相明顯比A、B兩相電流大。圖7為負載電流、電網電流的頻譜分析，負載電流的 5、7、11、13次諧波含量比較高，其中5次高達20.09%，負載電流總THD為24.36%；經過補償后電網電流的5、7、11、13次諧波含量大大降低了，電網電流總THD降為2.34%。圖6、7仿真結果表明，所設計的三相四線制二重化APF具有很好的穩(wěn)態(tài)諧波補償效果。

圖7 負載電流、電網電流的頻譜分析

圖8為中線電流的仿真波形，由上往下依次是中線負載電流，中線電網電流和中線補償電流?？梢钥闯?，APF的補償電流很好的補償了中線電流，中線電網電流幾乎為零，說明APF在補償諧波的同時可以補償不平衡的電流，且具有較好的補償性能。

為了檢驗所設計裝置的動態(tài)響應速度，進行了動態(tài)仿真實驗，動態(tài)仿真實驗三相電流波形如圖9所示。在0.08s時負載突增，動態(tài)響應時間在5ms以內，可見APF可以迅速捕獲負載電流的變化并發(fā)出相應的補償電流，具有較快的響應速度。

圖8 中線電流仿真波形

圖9 動態(tài)仿真實驗三相電流波形

圖10 為兩個逆變橋發(fā)出的三相補償電流，可見兩個逆變橋發(fā)出相等的補償電流，兩個逆變橋輸出均勻，具有較好的均流效果，防止了輸出不均產生的過流故障。

圖10 二重化逆變橋的三相補償電流

4 結論

本文中三相四線制二重化APF采用改進型ip-iq檢測算法對負載諧波進行了準確的檢測，電壓外環(huán)控制使直流側電壓穩(wěn)定，二重化兩個模塊共用電流內環(huán)指令，分別與各自輸出電流形成閉環(huán)控制，保證了二重化兩個模塊輸出均勻。matlab/simulink仿真實驗結果表明，所設計的APF具有很好的補償效果。

[1] 王兆安, 楊君, 劉進軍. 諧波抑制和無功功率補償[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1998.

[2] Akagi H. New treends in active filters for power condi-tioning [J]. IEEE Trans on IA, 1996, 32(6):312-1322.

[3] 占奇志, 董文娟, 卓放, 等. 采用二重化技術實現的諧波電壓源研制[J].電力電子技術, 2006, 40(5): 1-3.

[4] 饒云堂, 王英哲. 基于雙DSP的三相四線制二重化SVG研制[J]. 低壓電器, 2010, 17(8): 43-47.

[5] 樂健, 姜齊榮, 韓英鐸. 三相四線并聯(lián) APF 的電流滯環(huán)控制策略分析[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2006, 30(17):70-75.

大宇造船和船舶工程公司授予羅克韋爾自動化 670 多萬美元大訂單

成立于1973年的韓國造船商大宇造船和船舶工程公司(Daewoo Shipbuilding & Marine Engineering, DSME) 已將一份 670多萬美元的訂單授予羅克韋爾自動化(NYSE:ROK)。依據此訂單，羅克韋爾自動化將為 DSME 的重要客戶，即面向能源企業(yè)的海上合約鉆井服務國際領先供應商 Transocean提供全集成安全解決方案。羅克韋爾自動化將運用在大規(guī)模項目交付管理上的專長，提供基于 AADvance 過程安全系統(tǒng)的 PlantPAx 集成控制動力和安全解決方案。

該合同涵蓋為四艘全新Transocean 鉆井船交付系統(tǒng)，并可選擇額外追加六艘。這是繼 2011 年DSME 向羅克韋爾自動化授予價值600 多萬美元訂單之后的又一筆訂單，當時也是為四搜新海上鉆井船提供解決方案。

DSME 表示，羅克韋爾自動化可提供整套海上解決方案以及成熟可靠的系統(tǒng)，這將幫助 DSME 提升系統(tǒng)可用性，并改進鉆井船和鉆機等海上應用的安全系統(tǒng)。

“羅克韋爾自動化在海上產業(yè)自動化系統(tǒng)的設計、開發(fā)和交付方面擁有豐富的專業(yè)知識，對于此次Transocean 的重要項目，能由羅克韋爾自動化負責信息、控制、動力和安全集成系統(tǒng)的交付和調試，我們非常放心”，DSME 的一名發(fā)言人表示。

“此次贏得合約意義重大，因為這能展現出我們?yōu)楹Ｉ洗缓豌@機提供控制及安全解決方案的出眾實力”，羅克韋爾自動化全球解決方案副總裁兼總經理 Terry Gebert介紹說，“憑借在石油與天然氣行業(yè)的經驗和專業(yè)知識，以及全球的工程資源，我們將幫助 DSME 和Transocean 實現并維持高效、安全且可持續(xù)的運營”。

計劃交付時間為 2014 年初。第一艘船所有核心解決方案預計在2014 年 6 月前完工，其余三艘預計在 2015 年 10 月前完工。

羅克韋爾自動化有限公司(NYSE:ROK)是全球最大的致力于工業(yè)自動化與信息的公司。其使命是幫助客戶提高生產力并且推動世界的可持續(xù)發(fā)展。羅克韋爾自動化公司整合了工業(yè)自動化領域的知名品牌，其中包括艾倫-布拉德利（Allen-Bradley?）的控制產品和工程服務及羅克韋爾軟件（Rockwell Software?）開發(fā)的自動化管理軟件。羅克韋爾自動化總部位于美國威斯康星州密爾沃基市，在80多個國家設有分支機構，現有雇員約22000人。

在中國，羅克韋爾自動化擁有超過2000多名雇員，并設有37個銷售機構（包括香港和臺灣地區(qū)）。目前已成立5個培訓中心，1個研發(fā)中心，大連軟件開發(fā)中心，深圳、上海和北京OEM應用開發(fā)中心，三個生產基地。公司與國內幾十家授權渠道伙伴及55所重點大學開展了積極的合作，共同為制造業(yè)提供廣泛的世界一流的產品與解決方案、服務支持及技術培訓。

Reearch on Three-phase Four-wire System APF Based on Dual Technology

CHEN Nan-nan
(Navy Representative Office at Hudong-Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China)

Through contrasting and analyzing the advantages and disadvantages of two kinds of topologies of three-phase four-wire system active power filter (APF), the four legs topology structure with better compensation effect is chosen. Designated sub harmonics are checked by adopting the improved ip- iq type detection algorithm and gradation compensates. It can neatly select the number of compensating harmonics to suit the needs of different industrial application. The simulation results show that designed three-phase four wire system with dual APF has very good harmonic effect and can effectively inhibit neutral current.

active power filter(APF);three-phase four-wire system; dual technology

TM464

A

陳楠楠（1980-），女，本科，研究方向：無線通信、網絡電子。