陳楠楠

（海軍駐滬東中華造船(集團(tuán))有限公司軍代表室，上海 200129）

基于二重化技術(shù)的三相四線制APF研究

陳楠楠

（海軍駐滬東中華造船(集團(tuán))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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇了補(bǔ)償效果更好的四橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。采用改進(jìn)的ip-iq型檢測算法對特指的次諧波進(jìn)行檢測，分次進(jìn)行補(bǔ)償，可以靈活選擇補(bǔ)償諧波的次數(shù)，以適應(yīng)不同的工業(yè)現(xiàn)場的需要。仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)；Matlab；壓力補(bǔ)償；穩(wěn)定性

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，大量的電力電子設(shè)備給電網(wǎng)帶來了嚴(yán)重的諧波和無功危害。在現(xiàn)有的低壓配電網(wǎng)中，諧波和無功的補(bǔ)償大都用無源濾波器，存在與系統(tǒng)諧振的風(fēng)險(xiǎn)；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(dòng)態(tài)地補(bǔ)償諧波，具有很大的應(yīng)用前景[1-2]。工業(yè)現(xiàn)場的負(fù)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(gè)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(yīng)運(yùn)而生。三相三線制的二重化APF的研究已經(jīng)取得很多成果，已在工業(yè)現(xiàn)場得到應(yīng)用[3]，三相四線制的二重化APF的研究和產(chǎn)品的研發(fā)也越來越受到關(guān)注[4]。本文介紹了三相四線制二重化APF系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用四橋臂的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，詳細(xì)闡述了諧波檢測算法，建立了系統(tǒng)仿真模型，仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的APF具有很好的諧波和零序電流補(bǔ)償效果。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

三相四線制APF拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)根據(jù)中線的連接方式分為四橋臂結(jié)構(gòu)和分裂電容三橋臂結(jié)構(gòu)兩種。分裂電容式三橋臂結(jié)構(gòu)有源濾波器的中線接在直流側(cè)電容中點(diǎn)，中線電流從直流電容中流過，拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)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(cè)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(cè)電容進(jìn)行均壓控制，會(huì)顯著增加系統(tǒng)控制的復(fù)雜性，且存在直流電壓利用率低等缺點(diǎn)[5]。四橋臂結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)主回路中增加了一對橋臂，對中線電流是直接進(jìn)行控制的，也沒有直流側(cè)均壓控制的問題，直流電壓利用率高，補(bǔ)償效果較分裂電容三橋臂結(jié)構(gòu)的好。

本文采用四橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。二重化結(jié)構(gòu)中，兩組電壓型PWM變流器模塊并聯(lián)構(gòu)成，這兩個(gè)模塊共用一組直流側(cè)電容器，經(jīng)過 LCL接入電網(wǎng)。電壓型PWM變流器模塊采用四橋臂結(jié)構(gòu)，使控制方法更簡單，補(bǔ)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(guān)次諧波抑制作用更強(qiáng)。二重化的主電路結(jié)構(gòu)可以在保證裝置容量的同時(shí)降低單個(gè)變流器模塊的容量，采用載波移相技術(shù)可以提高裝置的等效開關(guān)頻率。

圖1 主電路結(jié)構(gòu)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(cè)電壓外環(huán)控制和電流內(nèi)環(huán)控制。直流側(cè)電壓反饋值與給定電壓值閉環(huán)控制產(chǎn)生穩(wěn)壓指令iDC，通過諧波檢測算法檢測出負(fù)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(nèi)環(huán)的指令。二重化兩個(gè)模塊共用電流內(nèi)環(huán)指令，分別與各自輸出電流形成閉環(huán)控制，產(chǎn)生PWM波驅(qū)動(dòng)IGBT，向電網(wǎng)輸出等量的諧波電流，抑制非線性負(fù)載電流流入電網(wǎng)，使電網(wǎng)電流不含有諧波。

2 諧波電流檢測

2.1 正負(fù)序諧波電流檢測

本文采用改進(jìn)型ip- iq檢測算法對特定次諧波進(jìn)行檢測，分次補(bǔ)償。諧波檢測框圖如圖3所示，其中n′代表檢測的諧波次數(shù)。

圖3 諧波檢測框圖

圖中：

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

式中：n′=3m±1，m為自然數(shù)；φ為初相角；Iln為負(fù)載諧波電流有效值。

可以求出ip、iq如下：

式中：n′=3m+1時(shí)取減號，n′=3m-1時(shí)取加號。

直流分量為：

經(jīng)過反變換可以得到

式中：n′=3m±1，當(dāng)n′=3m+1時(shí)，檢測結(jié)果為負(fù)載電流含有的正序諧波；當(dāng)n′=3m-1時(shí)，檢測結(jié)果為負(fù)載電流含有的負(fù)序諧波。

2.2 零序電流檢測

三相四線制電路中負(fù)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(shù)

為了驗(yàn)證裝置設(shè)計(jì)的合理性和可行性，考察其補(bǔ)償性能，本文使用了matlab/simulink仿真軟件對系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，采用二重化技術(shù)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(shè)計(jì)。系統(tǒng)由電網(wǎng)模塊(Grid)、負(fù)載模塊(Load)、逆變模塊(Inverter)、濾波模塊(LC)和控制模塊(Current control)構(gòu)成。圖 5是負(fù)載模塊，三相整流橋帶 RLC負(fù)載，R=1?，L=0.2mH，C=1000μF；單相整流橋帶阻性負(fù)載接在C相和中線之間以制造負(fù)序和零序負(fù)載，其中R=2?。表1為系統(tǒng)仿真參數(shù)。

圖4 三相四線制二重化APF仿真模型

圖5 負(fù)載模塊

表1 仿真參數(shù)

3.2 仿真結(jié)果及分析

為了檢驗(yàn)裝置的穩(wěn)態(tài)補(bǔ)償效果，進(jìn)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(fù)載電流、電網(wǎng)電流、補(bǔ)償電流。負(fù)載電流波形嚴(yán)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(fù)載電流、電網(wǎng)電流的頻譜分析，負(fù)載電流的 5、7、11、13次諧波含量比較高，其中5次高達(dá)20.09%，負(fù)載電流總THD為24.36%；經(jīng)過補(bǔ)償后電網(wǎng)電流的5、7、11、13次諧波含量大大降低了，電網(wǎng)電流總THD降為2.34%。圖6、7仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的三相四線制二重化APF具有很好的穩(wěn)態(tài)諧波補(bǔ)償效果。

圖7 負(fù)載電流、電網(wǎng)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(fù)載電流，中線電網(wǎng)電流和中線補(bǔ)償電流。可以看出，APF的補(bǔ)償電流很好的補(bǔ)償了中線電流，中線電網(wǎng)電流幾乎為零，說明APF在補(bǔ)償諧波的同時(shí)可以補(bǔ)償不平衡的電流，且具有較好的補(bǔ)償性能。

為了檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)裝置的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)，動(dòng)態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)三相電流波形如圖9所示。在0.08s時(shí)負(fù)載突增，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間在5ms以內(nèi)，可見APF可以迅速捕獲負(fù)載電流的變化并發(fā)出相應(yīng)的補(bǔ)償電流，具有較快的響應(yīng)速度。

圖8 中線電流仿真波形

圖9 動(dòng)態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)三相電流波形

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

圖10 二重化逆變橋的三相補(bǔ)償電流

4 結(jié)論

本文中三相四線制二重化APF采用改進(jìn)型ip-iq檢測算法對負(fù)載諧波進(jìn)行了準(zhǔn)確的檢測，電壓外環(huán)控制使直流側(cè)電壓穩(wěn)定，二重化兩個(gè)模塊共用電流內(nèi)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(gè)模塊輸出均勻。matlab/simulink仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的APF具有很好的補(bǔ)償效果。

[1] 王兆安, 楊君, 劉進(jìn)軍. 諧波抑制和無功功率補(bǔ)償[M]. 北京: 機(jī)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(shù)實(shí)現(xiàn)的諧波電壓源研制[J].電力電子技術(shù), 2006, 40(5): 1-3.

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大宇造船和船舶工程公司授予羅克韋爾自動(dòng)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(dòng)化(NYSE:ROK)。依據(jù)此訂單，羅克韋爾自動(dòng)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(wù)國際領(lǐng)先供應(yīng)商 Transocean提供全集成安全解決方案。羅克韋爾自動(dòng)化將運(yùn)用在大規(guī)模項(xiàng)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(dòng)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(dòng)化授予價(jià)值600 多萬美元訂單之后的又一筆訂單，當(dāng)時(shí)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(dòng)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(jìn)鉆井船和鉆機(jī)等海上應(yīng)用的安全系統(tǒng)。

“羅克韋爾自動(dòng)化在海上產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、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(xiàng)目，能由羅克韋爾自動(dòng)化負(fù)責(zé)信息、控制、動(dòng)力和安全集成系統(tǒng)的交付和調(diào)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?yàn)檫@能展現(xiàn)出我們?yōu)楹Ｉ洗缓豌@機(jī)提供控制及安全解決方案的出眾實(shí)力”，羅克韋爾自動(dòng)化全球解決方案副總裁兼總經(jīng)理 Terry Gebert介紹說，“憑借在石油與天然氣行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識，以及全球的工程資源，我們將幫助 DSME 和Transocean 實(shí)現(xiàn)并維持高效、安全且可持續(xù)的運(yùn)營”。

計(jì)劃交付時(shí)間為 2014 年初。第一艘船所有核心解決方案預(yù)計(jì)在2014 年 6 月前完工，其余三艘預(yù)計(jì)在 2015 年 10 月前完工。

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

在中國，羅克韋爾自動(dòng)化擁有超過2000多名雇員，并設(shè)有37個(gè)銷售機(jī)構(gòu)（包括香港和臺灣地區(qū)）。目前已成立5個(gè)培訓(xùn)中心，1個(gè)研發(fā)中心，大連軟件開發(fā)中心，深圳、上海和北京OEM應(yīng)用開發(fā)中心，三個(gè)生產(chǎn)基地。公司與國內(nèi)幾十家授權(quán)渠道伙伴及55所重點(diǎn)大學(xué)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(chǎn)品與解決方案、服務(wù)支持及技術(shù)培訓(xùn)。

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(wǎng)絡(luò)電子。