HL-2A裝置電源系統有源電力濾波器的設計與仿真

李洪，李華俊，王英翹，宣偉民，姚列英

（1.核工業西南物理研究院聚變科學所，成都610041；2.華中科技大學電氣與電子工程學院，武漢430074）

HL-2A裝置電源系統有源電力濾波器的設計與仿真

李洪1，2，李華俊1，王英翹1，宣偉民1，姚列英1

（1.核工業西南物理研究院聚變科學所，成都610041；2.華中科技大學電氣與電子工程學院，武漢430074）

HL-2A裝置極向場及二級加熱電源系統由1臺輸出頻率可變的125 MVA飛輪脈沖發電機組供電，其輸出母線上存在大量諧波成分，需要設計一個濾波器對其線路進行諧波治理。首先針對于頻率可變的電源系統，在設計有源電力濾波器時，需加入鎖相環追蹤電源系統頻率的變化；再以此變化的頻率為基礎分析其諧波成分，通過控制有源電力濾波器主電路濾除諧波；最后在理論分析的基礎上，使用Matlab/Simulink軟件進行仿真分析，觀察在頻率可變系統下有源電力濾波器的諧波濾除效果。仿真結果驗證了理論分析的正確性和可行性。

有源電力濾波器；可變頻率；諧波檢測；仿真

HL-2A裝置電源系統主要由3臺脈沖發電機組為許多直流負載供電，其中125 MVA發電機組供電對象是所有極向場電源系統和二級加熱高壓電源系統，大部分都是經過變壓器與晶閘管全控整流設備為負載供電，因此在發電機母線輸出上會產生大量的諧波成分。對HL-2A裝置所采集到的電壓電流數據進行快速傅里葉變換FFT（fast Fourier transformation），發現125 MVA發電機交流母線電流諧波畸變嚴重，電流總諧波畸變率9%以上，重載時其電流畸變率更大。

125 MVA機組由1臺2 500 kW拖動電機、1個33.5 t飛輪及1臺125 MVA雙Y相移30°發電機同軸連接，電動機的同步轉速3 000 r/min。發電機是脈沖工作方式，從開始勵磁到滅磁大約7 s。脈沖放電時，機械能轉化為電能，機組轉速相應快速下降，發電機輸出頻率也隨之變化。機組規定的轉速變化范圍為3 000～2 400 r/min，發電機輸出頻率變化范圍為100～80 Hz，頻率變化速度為1～3 Hz/s。

隨著HL-2A裝置參數的提高，發電機非線性負荷增加，其諧波的影響加劇，甚至不能正常工作，難以實現等離子體電流波形、位置和形狀的穩定和可靠控制，同時諧波過大也會引起發電機線圈的非正常發熱而破壞絕緣，加速老化。治理諧波最有效的措施是采用有源電力濾波器APF（active power filter）[1]，電力系統中基波頻率是50 Hz，在±0.5 Hz之內變化，而125 MVA發電機輸出頻率變化范圍為100～80 Hz。另外由于125 MVA發電機系統的諧波容量很大，如果直接治理發電機母線諧波，難度和成本非常高，現階段采取對系統中各個負載進行單獨諧波濾除的方法。HL-2A裝置水平場電源負載是125 MVA發電機系統下的一個最小負載，由2臺250 kVA的變壓器降壓后，通過2組三相全橋整流轉換成直流，串并聯組合后給水平場線圈供電[2]。

本文針對在水平場電源變壓器閥側并聯的有源電力濾波器進行設計與仿真分析。

1 諧波電流檢測

HL-2A裝置水平場變流器輸入電源頻率是快速變化的，對電流頻率及相位的快速跟蹤是諧波電流檢測環節的重點。APF指令補償電流獲取的準確性將直接影響APF的諧波濾除效果。為了能夠實時跟蹤頻率的變化，諧波檢測環節中加入鎖相環[3]，其結構由鑒相器、低通濾波器、壓控振蕩器、分頻器組成，如圖1所示。通過鑒相器來鑒別輸入信號Ui與輸出信號Uo之間的相位差，并輸出誤差電壓Ud。Ud中的噪聲和干擾成分被低通性質的環路濾波器濾除，形成壓控振蕩器（VCO）的控制電壓Uc。Uc作用于壓控振蕩器的結果是將其輸出振蕩頻率fo拉向環路輸入信號頻率fi，從而達到不斷跟蹤變化頻率的作用。

圖1 鎖相環電路框圖Fig.1Block diagram of phase-locked loop circuit

圖2 諧波電流檢測原理Fig.2Schematic of harmonic current detection

諧波檢測電路其基本工作原理[4-6]如圖2所示。首先將三相負載電流經3/2變換、pq變換得到瞬時有功電流ip和瞬時無功電流iq；再經過低通濾波器LPF得到瞬時有功電流ip和瞬時無功電流iq的直流分量然后通過坐標反變換計算出負載電流的基波分量最后用負載電流減去計算出的基波分量得到負載電流中的諧波分量

根據仿真需求，設定一頻率可變帶有諧波的三相電流為

式中，In為線電流有效值。為了計算簡便，設θ= 200π（1-0.015t）t，令a相電流相角θn=nθ+φn= 200nπ（1-0.015t）t+φn。其基波角頻率為

從表達式中看出其頻率變化率為3 Hz/s。

將三相電流從abc三相坐標系變換到α-β兩相靜止坐標系下，得到iα和iβ為

其中

瞬時有功電流ip和瞬時無功電流iq為

其中

經過坐標反變換得到iaf、ibf、icf為

由此可以看出，基波頻率變化的諧波電流，通過鎖相環電路跟蹤系統電壓頻率的變化，得到與其對應的變換矩陣C，通過ip-iq法從負載電流波形中分離出基波電流，最終得到諧波電流指令波形。

2 使用Matlab/Simulink搭建仿真模型

圖3為水平場電源并聯型有源濾波器系統原理，系統主要由諧波電流檢測環節、電流跟蹤控制環節和逆變電路3部分組成。

圖3 并聯型有源電力濾波器系統原理Fig.3Schematic of shunt active power filter system

通過Matlab/Simulink軟件對其進行仿真分析，進一步驗證方案的可行性[7]。

在實驗過程中頻率變化并非線性，為了簡化仿真模型采用線性變化的頻率，并設定其頻率變化率為3 Hz/s。則可變頻率電源模塊的三相電壓為

編寫S-function模塊，并通過可控電壓源轉化為電信號輸出，將其作為仿真信號三相頻率可變電源，如圖4所示。

圖4 利用S-function編寫的可變頻率電源模塊Fig.4Variable-frequency power module coded by the S-function

根據ip-iq諧波電流檢測法，采集三相電壓信號和三相負載電流信號。電壓信號經過鎖相環后得到頻率變化的正弦和余弦信號，負載電流信號經過變換，即可把三相電流信號轉化成ip和iq。經過低通濾波器LPF濾除ip和iq中的交流成分，得到直流再作反變換，還原成abc三相電流，即為負載中所含的基波電流[8]。基波電流與負載電流相減，便可得到期望補償的諧波電流，即為輸出的指令電流。仿真模型如圖5所示。

搭建完各個Subsystem之后，按照并聯型有源濾波器系統原理完成有源濾波器的主電路仿真模型的搭建，仿真模型如圖6所示。

3 仿真分析

對經過三相整流接電感電阻負載的電路進行仿真。系統電源采用線電壓有效值為3 000 V、頻率變化的電源，經過三繞組3 000/87/87 V變壓器接整流橋負載，負載為60 mΩ、50 μH電感線圈負載。直流側電壓900 V，開關頻率選擇為10 kHz，與系3統連接的電抗為0.1 mH。仿真時間為7 s，主要觀察和分析2～4 s濾波器前后交流線路的電流波形和有源電力濾波器逆變電路輸出電流的大小，同時還對部分支路電流進行了頻譜分析，結果如圖7～圖14所示。

圖5 電流檢測環節Fig.5Current detection circuit

圖6 主電路仿真模型Fig.6Simulated model of main circuit

圖7 2s濾波前電流波形Fig.7Current waveform at 2 s before filtering

圖8 2s濾波前電流諧波Fig.8Current harmonics at 2 s before filtering

圖9 2s濾波后電流波形Fig.9Current waveform at 2 s after filtering

圖10 2s濾波后電流諧波Fig.10Current harmonics at 2 s after filtering

圖11 4s濾波前電流波形Fig.11Current waveform at 4 s before filtering

圖12 4s濾波前電流諧波Fig.12Current harmonics at 4 s before filtering

圖13 4s濾波后電流波形Fig.13Current waveform at 4 s after filtering

圖14 4s濾波后電流諧波Fig.14Current harmonics at 4 s after filtering

由圖7～圖14可以看出，2～4 s之間，負載頻率從94 Hz變化到88 Hz。在變化的過程中帶鎖相環的諧波頻率檢測電路可以一直迅速且準確地跟蹤系統頻率的變化，從而輸出相同頻率的諧波補償電流。由圖8、圖10、圖12、圖14對濾波前后電流的諧波分析可知，通過對電流波形進行快速傅里葉變換，計算其諧波電流大小。通過FFT分析的結果，看出電流諧波濾除效果很明顯，濾波前電流諧波畸變率為29%左右，通過APF后其諧波畸變率減小到6%左右。

4 結語

對125 MVA發電機水平場電源系統進行可變頻率有源電力濾波器設計，通過仿真分析可知，并聯有源濾波器可以使水平場變壓器副邊的諧波得到比較明顯地消除。在有源電力濾波器中利用鎖相環實時跟蹤系統頻率變化，并通過計算得到對應頻率和相位的補償電流控制信號，再控制逆變電路輸出跟蹤補償電流信號，可以很好地實現對頻率快速變化電源系統的諧波治理。

[1]陸秀令，曹才開，張松華（Lu Xiuling，Cao Caikai，Zhang Songhua）.基于Matlab的串聯型有源電力濾波器建模與仿真（Modeling and simulation of series active power filter based on Matlab）[J].長沙電力學院學報：自然科學版（Journal of Changsha University of Electric Power：Natural Science），2006，21（2）：1-5.

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

Design and Simulation of Active Power Filter for Power System of HL-2A

LI Hong1，2，LI Hua-jun1，WANG Ying-qiao1，XUAN Wei-min1，YAO Lie-ying1
（1.Center for Fusion Science，Southwestern Institute of Physics，Chengdu 610041，China；2.College of Electrical and Electronic Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China）

The power system of poloidal fields and auxiliary heating systems of HL-2A is supplied by a frequencyvariable 125 MVA flywheel pulse motor-generator.There is a great deal of harmonic current in its output buses，and a filter should be designed to dampen the harmonic current.Firstly，considering the frequency-variability of the power system，a phase-locked loop is added to track the change of system frequency in the design of active power filter.Subsequently，the harmonic components is analyzed on the basis of varying frequency，and then the main filter circuit is manipulated to filter out the harmonics.Finally，on the basis of theoretical analysis，the Matlab software is utilized to carry out the simulation，so that the effect caused by active power filter installed in the variable-frequency power system is appraised.The simulated results verify the correctness and feasibility of the theoretical analysis.

active power filter；variable frequency；harmonic detection；simulation

TN713.8

A

1003-8930（2014）09-0076-05

李洪（1989—），男，碩士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動。Email：lih@swip.ac.cn

2012-03-13；

2012-08-22

李華俊（1970—）男，博士，碩士生導師，研究員級高工，研究方向為脈沖供電及電機拖動。Email：lihj@swip.ac.cn

王英翹（1980—），男，博士，副研究員級高工，研究方向為脈沖供電技術和高電壓技術。Email：wangyq@swip.ac.cn