車志霞,張朋飛

(1.衡水電氣化鐵路學(xué)校，河北 衡水 053000；2.石家莊鐵道大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；3.中鐵建電氣化局集團北方工程有限公司，山西 太原 030053)

在我國低壓配電系統(tǒng)中廣泛使用的供電方式是三相四線制[1]，在此供電方式下的主要電氣設(shè)備均含電力電子器件，正是這些設(shè)備的使用，造成了電網(wǎng)諧波電流的產(chǎn)生。雖然這些設(shè)備單臺功率小，產(chǎn)生諧波含量少，但是由于使用數(shù)量龐大，使得三相四線系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重的諧波問題，對設(shè)備安全和用戶正常用電造成威脅。同時這些設(shè)備應(yīng)用在三相四線制系統(tǒng)，當三相負載不平衡時很容易使得中線電流過大，甚至燒毀中線，對系統(tǒng)安全造成嚴重威脅[2]。

因此，三相四線制系統(tǒng)中的諧波抑制、中線電流消除及三相電流平衡將成為三相四線制系統(tǒng)亟待解決的問題[3]。筆者以三相四橋臂有源電力濾波器為主要研究對象，用于治理三相四線制低壓配電系統(tǒng)的諧波問題。

1 有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 有源電力濾波器的工作原理

is=iL+ic=iLf+iLh-iLh=iLf

(1)

1.2 三相四橋臂有源電力濾波器數(shù)學(xué)模型

三相四橋臂APF結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中T1～T8為8個IGBT和反向二極管組成的功率開關(guān)器件，L為主電路輸出側(cè)電感，電容C為直流側(cè)儲能原件。電壓Ua、Ub、Uc、Un為APF主電路四個橋臂的中點相對于端點N的電位差，Udc為直流側(cè)電容兩端的電壓，Usa、Usb、Usc分別為電網(wǎng)中的電源電壓，ifa、ifb、ifc為APF主電路輸出的補償電流，ifn是中線電流。

因此，根據(jù)基爾霍夫電壓和電流定律可以得到其在abc坐標系下的方程式(2)：

(2)

將abc坐標系下數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換到dq0坐標系時需要進行Park變化[6-7]，其矩陣變換式為(3)。從而，可以得到四橋臂APF在dq0坐標系下的表達式為(4)：

(3)

(4)

將式(4)在dq0坐標系下的數(shù)學(xué)模型用框圖的形式表示，如圖3所示。

由圖3知，三相四橋臂主電路的PWM變換器由兩部分構(gòu)成[8-9]。一部分是由d、q相互耦合的兩個通道構(gòu)成，即在d軸通道中存在q通道的參數(shù)關(guān)系，當任一軸參數(shù)變化時均會引起另一軸的參數(shù)變化；另一部分是由完全獨立且與d、q軸無耦合關(guān)系的0軸通道組成。因此若實現(xiàn)各軸單獨控制，則需進行解耦控制，通過使用被控對象if的反饋值和電源電壓Us的前饋來達到各軸之間完全解耦的目的。圖4為電流交叉解耦的控制框圖。

明確了電流交叉解耦的控制方式后，需要確定諧波電流檢測算法，本文使用優(yōu)化的瞬時無功理論的檢測算法，而在檢測控制環(huán)節(jié)會用到電壓環(huán)控制輸出的變量。因此本節(jié)主要研究電壓環(huán)控制對于三相四線制APF諧波補償?shù)目刂菩Ч?/p>

2 電壓環(huán)控制

當明確了系統(tǒng)諧波電流檢測以及電流環(huán)控制方式的基礎(chǔ)上，需要確定電壓環(huán)的控制。當電壓外環(huán)使用傳統(tǒng)PI控制方式時，其控制原理框圖如圖5所示。通過此控制方式可以實現(xiàn)維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定的目的[10]。

經(jīng)理論分析，當有源電力濾波器直流側(cè)僅使用PI控制時，在APF接入電網(wǎng)瞬間，會產(chǎn)生一個很大的沖擊電壓和沖擊電流，從而對系統(tǒng)設(shè)備安全造成影響。因此，決定將軟啟動控制方式引入三相四橋臂APF的直流側(cè)電壓控制當中，在諧波補償裝置APF接入系統(tǒng)之前，通過限流電阻的接入，先對直流側(cè)電壓預(yù)充電，當電壓達到一定值后，再切除限流電阻，之后接入APF，再利用PI控制維持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。這樣將軟啟動和PI控制聯(lián)合使用，應(yīng)用在四橋臂APF直流側(cè)電壓的控制中，能起到減小沖擊電壓、沖擊電流，穩(wěn)定直流側(cè)電壓的目的。如圖6所示為直流側(cè)軟啟動控制原理圖。

在系統(tǒng)啟動之前，三相交流接觸器S1的觸點斷開，此時三相電源通過三相限流電阻給直流側(cè)電容預(yù)充電，當充電一定時間后直流側(cè)電壓達到預(yù)定值，此時軟件控制接觸器S1觸點閉合，使限流電阻短路，將APF主電路接入系統(tǒng)，電網(wǎng)電源繼續(xù)給電容充電，并通過PI控制，維持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。

3 仿真對比分析

為了驗證所選控制方式的控制效果，需要搭建整體仿真模型，并通過對單獨PI控制和PI+軟啟動控制兩種方式對比分析，從而確定更好的電壓控制方式。本文搭建的仿真模型的諧波源為三相不平衡負載。本系統(tǒng)的部分仿真參數(shù)如下：電源為三相交流電，頻率50 Hz；負載為三相不可控整流橋帶RL負載，B相又連接了一個單相RL負載的整流橋；直流側(cè)電壓為700 V。如圖7所示是APF整體的仿真模型。

3.1 單獨PI控制仿真分析

在搭建的整體仿真模型下，直流側(cè)電壓只使用PI控制，當APF諧波補償裝置在0.035 s時刻接入系統(tǒng)。通過仿真可以得到圖8的直流側(cè)電壓變化曲線。圖9是在此控制下，最終得到的補償后網(wǎng)側(cè)電流波形。

由圖8和圖9可得，在直流側(cè)電壓達到穩(wěn)定的700 V之前，存在一個很大的沖擊電壓，最大值可以高達900 V。并且在此控制下的補償后網(wǎng)側(cè)電流也存在很大的沖擊電流，可以由補償前的負載電流45 A，突變到?jīng)_擊電流600 A，然而這樣大的沖擊電流很容易造成器件的損壞。因此，針對系統(tǒng)啟動時因直流側(cè)單獨PI控制所引起的電壓、電流過沖問題，需要找到更好的解決方法。為此，提出將軟啟動控制方式引入三相四橋臂的APF諧波補償裝置的研究中，它能起到減小電壓、電流沖擊波，穩(wěn)定直流側(cè)電壓的目的。

3.2 PI+軟啟動控制仿真分析

為了驗證軟啟動在APF設(shè)計中的控制效果，在其他條件不變的前提下，將軟啟動控制引入系統(tǒng)，進行仿真分析。加入軟啟動之后的補償后網(wǎng)側(cè)電流波形如圖10所示。

由圖10得，將軟啟動引入四橋臂APF的電壓控制中，直流側(cè)不再存在沖擊電壓，且網(wǎng)側(cè)最大沖擊電流為70 A。

綜合對比兩種直流側(cè)控制方式，可得：1)直流側(cè)電壓在單獨PI控制時，在電壓穩(wěn)定在700 V以前，會存在一個很大的沖擊電壓且高達900 V。而加入軟啟動之后，直流側(cè)電壓可以平穩(wěn)到達700 V，整個過程不存在沖擊電壓，且電壓波動較小。2)補償后的網(wǎng)側(cè)電流，在加入軟啟動的控制方式與單獨PI控制時相比，最大沖擊電流由600 A降到70 A左右。

因此可以證明，直流側(cè)電壓控制時，將軟啟動控制和PI控制聯(lián)合使用，可以有效減少APF系統(tǒng)接入電網(wǎng)時產(chǎn)生的沖擊電壓和沖擊電流對電網(wǎng)的影響。從而降低了對設(shè)備的損耗以及對電網(wǎng)的沖擊，為其更好應(yīng)用到工程實踐中起到了一定的意義。

4 總結(jié)

針對低壓配電系統(tǒng)廣泛使用三相四線制供電方式，所產(chǎn)生的負載不平衡、電壓畸變導(dǎo)致的電網(wǎng)電流諧波含量高且存在中線電流等情況，設(shè)計了三相四橋臂的有源電力濾波器作為補償電網(wǎng)諧波的裝置。在補償裝置設(shè)計過程中，主要對電壓環(huán)的控制進行研究，并通過仿真的方式對比分析了單獨PI控制和PI+軟啟動的控制方式的控制效果，最終確定了電壓環(huán)選用PI+軟啟動的控制方式。