有源电力滤波器过流保护仿真研究

王杰

(1.华北电力大学电气与电子工程学院,河北保定 071003;2.国网衡水供电公司,河北衡水 053000)

有源电力滤波器过流保护仿真研究

王杰1,2

(1.华北电力大学电气与电子工程学院,河北保定 071003;2.国网衡水供电公司,河北衡水 053000)

有源电力滤波器(APF)是一种可以有效抑制电力系统谐波的电力电子装置。本文研究了当系统负荷突增或发生轻微故障时,APF补偿容量无法满足系统要求时的过流保护。仿真比较了脉冲闭锁保护策略和截断限流保护策略下的a相系统电流补偿情况,结果表明截断限流策略更加合理与有效。

APF 谐波抑制 过流保护 脉冲闭锁 截断限流

近年来随着炼钢电弧炉、变频器等大量具有非线性特性设备的投入，使得电网产生谐波、电压波动与闪变等电能质量[1]问题。电网谐波的增加将导致线路损耗增大，电气设备寿命缩短，通信受干扰以及继电保护装置的误动作等一系列问题。有源电力滤波器(Active Power Filter，APF)是通过动态补偿的方式向电网中注入反向谐波，从而进行谐波补偿的一种电力电子装置。

因此，APF成为近年来研究的热点，但是目前研究的重点多集中于APF本身的补偿性能方面，如主电路结构、谐波检测算法以及控制策略等[2]，而APF保护的研究却不多。本文则从限制装置参考电流的角度出发，研究了当系统发生短路故障或非线性负荷突增时APF补偿容量不足时的过流保护。

1 APF基本结构与工作原理

APF主电路主要分为并联型电压型桥式电路和串联型电流型桥式电路，由于串联型结构运行效率低，目前多采用并联型电压型桥式电路。

APF基本结构如图1所示， eaebec为三相电网电压， isaisbisc为三相电网电流， icaicbicc为APF输出的三相电流， iLaiLbiLc为三相负荷电流，C与 udc分别为直流侧电容与电压，L为滤波电感。

APF的工作原理是根据补偿目的，通过电流检测环节检测出需要补偿的电流，然后根据APF的跟踪控制回路产生一个与检测电流方向相反、大小相等的谐波量注入到系统中，使系统电流最终达到谐波要求标准。

2 APF过流保护

当非线性负荷突增或系统发生短路故障时，APF装置补偿容量可能无法满足系统的补偿需求，此时如果装置不采取有效保护措施，APF装置可能会由于电流过大而损坏。出现这种情况时，过去保护策略则是跳开系统与装置之间连接的主开关解除装置。然而主开关的跳开包含机械过程，整个断开过程为几十毫秒，较大的动作延迟难以满足系统微秒级的动态变化过程，且当主开关断开以后，装置重新启动投入使用的过程相当缓慢。因此这种保护方式渐渐被脉冲闭锁保护方式所取代。

2.1 脉冲闭锁保护

文献[3]提出的脉冲封锁保护是指在装置过流时，保护系统闭锁开关元件如IGBT的驱动脉冲信号，使所有IGBT处于关断状态以代替解除装置。经过短时过渡后重新给IGBT发送脉冲信号，若故障消失则装置自动恢复正常工作，若故障仍然存在则装置继续闭锁脉冲。若APF装置连续发出好几次脉冲信号，均未能恢复正常工作，判定此次故障为永久性故障，则将主开关断开，解除APF装置。这种保护速度通常为几十微秒，是对整个装置的工作状态进行控制干预的一种较快且有效的手段，因此它成为目前用于APF过流保护的主要方法之一。

但在脉冲封锁期间，APF将停止工作，使其补偿效果大受影响。因此如何使APF在过流情况下仍对系统进行部分补偿发挥其谐波抑制功能，是APF实用化过程中必须面对和解决的问题。

图1 并联型APF基本结构

2.2 截断限流保护

对于APF装置来说，造成APF的过流状况的原因主要是装置跟踪的参考电流超过参考电流的安全值，因此可以从限制参考电流的角度出发限制APF装置输出电流。截断限流的补偿方式的工作原理是将参考电流 iref中超过 imax的部分进行截断，使得参考电流始终在额定范围内。经过处理的参考补偿电流为

图2 各保护策略下的a相补偿电流图

图3 各保护策略下补偿后a相系统电流图

截断限流保护并没有把整个控制过程变复杂，仅仅在原参考电流的基础上进行限幅处理，把参考电流和限定的幅值进行比较，使超过限定幅值的部分固定为设定安全值的上限或下限，APF装置按照限幅后的进行补偿工作。按照截断限流策略，若非线性负荷产生的谐波电流在APF装置补偿能力范围内时，截断限流不起作用，谐波电流将由APF装置进行全补偿，当非线性负荷产生的谐波电流较大致使参考补偿电流超过APF允许的最大补偿电流时，截断限流才会起作用。因此这种方法原理简单，且容易实现。

3 仿真分析

本文使用Matlab/Simulink进行仿真，其中负载为三相桥式整流负载和AC相的单相桥式整流负载，仿真中APF装置指令电流检测环节采用的是基于瞬时无功功率理论的 ip-iq法，电流跟踪控制采用的是滞环比较方式。

仿真系统参数设置为：系统频率50Hz，系统电压220V；三相整流负载电阻为15Ω；单相整流负载电阻为10Ω；直流侧的电容为5000uF，直流电容电压参考值设置为700V；滤波电抗电感值为3mH。装置单相安全电流设置为20A。

单相整流桥在1.0s时投入、1.1s退出系统；类比实际电网运行中负荷突然增加的情况，造成APF输出过电流。以a相为例，图2(a)(b)(c)分别为进行无安全限制下、脉冲闭锁保护后以及截断限流保护后的a相补偿电流；如图3所示在1.0s-1.1s时间段：无安全限制下a相补偿电流最大值达到了50A，装置危险运行；闭锁保护时APF在此时间段不工作；截断限流保护时APF装置在安全值下可靠运行。

补偿后a相系统电流图如图3所示，在负荷突然变化装置输出电流未超过安全值时APF对系统进行了有效的谐波抑制，THD值由补偿前的19.75%降低为1.68%，达到了国家谐波标准。在1.0s-1.1s动态变化过程中，补偿前a相电流THD为13.65%；闭锁保护时APF未进行工作，a相THD仍为13.65%；截断限流保护时APF装置在安全运行范围内对系统进行了部分补偿，a相电流THD值将为7.13%。

4 结论

本文分析了实际运用中由于负荷突增或轻微故障时APF容量不足导致的过流情况。通过MATLAB仿真，对两种保护控制策略进行比较，仿真结果表明可以看出截断限流法能够保证装置安全运行的前提下还能继续对谐波电流进行补偿，证明了该方法更加合理与有效。

[1]罗安.电网谐波治理和无功补偿技术及装备[M].北京:中国电力出版社,2006.

[2]杨振宇,赵剑锋,唐国庆,等.并联型有源电力滤波器限流补偿策略研究[J].电力自动化设备,2006,26(3):21-25.

[3]刘北安,张立中.DSTATCOM的故障分析研究[J].中国电业,2012,11(11):50-54.