基于有源电力滤波器的多功能电子负载设计*

李新元, 高 鹏, 于浩然, 申振东, 王佰超, 林 焱

(1.许继电源有限公司, 河南 许昌 461000;2.国网福建省电力有限公司 电力科学研究院, 福建 福州 350000)

0 引 言

电力电子设备在工厂供电、民用住宅和城市供电等电力系统中广泛应用,使得各种非线性、波动性和不对称负载大量增加,造成诸如电压波动、功率因数低、三相不平衡及谐波等电能质量污染日趋严重[1-2]。随着电能质量问题逐渐引起人们的关注,各种电能质量治理装置如谐波及间谐波补偿装置有源电力滤波器(Active Power Filter,APF)、静止无功发生器(Static Var Generator,SVG)及三相不平衡补偿装置等被广泛应用。电能质量治理设备在研发与生产过程中都需要针对电流谐波、间谐波、无功及不平衡补偿功能配置相应的负载,用于验证电能质量治理装置的性能和补偿效果。

目前电能质量常用的负载设备基本分为两类[3-4]:一类是电阻、电感和电容线性元件以及将这些线性元件串联或者并联组成的各种性质的线性负载;另一类是用不控整流接LR、LCR直流元件或者采用可控晶闸管带阻感负载来模拟非线性负载。在设备研发生产过程中或者产品出厂前,检验设备无功补偿功能常采用电感或者电容线性负载,不平衡补偿功能常使用可调电阻箱作为负载,谐波及间谐波补偿功能测试一般会购置谐波、间谐波补偿装置(非线性负载)。采用上述传统方式不仅成本高,而且大多数负载属于耗能型负载,既耗资又耗能。目前专门针对电能质量治理装置的负载装置未见相关研究,但关于电源产品的负载装置已取得一些研究成果。文献[5]提出采用二极管全桥整流加晶闸管控制的有源逆变电路组成的负载装置,通过控制晶闸管的导通角来实现输出功率的控制。文献[6]提出采用DC/AC变换器和AC/DC变换器构成的负载装置,两个环节可以分开控制,通过对输出电流的控制模拟各种特性的负载。文献[7-8]提出能量回馈性交流负载的一般结构,由两级式负载特性模拟单元和能量回馈单元组成,能够准确快速地控制输入电流,同时将试验电能回馈给电网。

上述研究方法存在一定的弊端,且不能同时满足电能质量治理设备所有补偿功能验证的需求。如何同时产生谐波电流、间谐波电流、无功电流、有功电流和不平衡电流以供理论研究和装置检验,已成为电能质量产品研制过程中急需解决的问题。本文在现有的研究基础上,利用电能质量厂家都有的APF模块,提出了一种基于APF多功能电子负载装置,通过监控来切换装置的工作模式即可实现灵活调节和控制;装置节能、回馈电网功率因数高、整体效率高;装置通过变压器隔离,抗干扰能力强、可靠性高。最后,通过仿真和实验验证了该策略的可行性和实用性。

1 电子负载的系统组成

电子负载应用示意图如图1所示。虚线框中表示的是基于APF多功能电子负载的组成。在应用中电子负载与被测试的电能质量设备并联接入电网。该电子负载由两台APF模块(1#APF和2#APF)、一台隔离变压器和一个WiFi模块组成;共用一组输入端和输出端,直接与三相四线制电网(U、V、W和N)连接;1#APF模块用于稳压和中点平衡控制;2#APF模块用于输出需要的负载电流;变压器主要用于电隔离;WiFi模块用于装置与手机、iPad和笔记本电脑等通信。

图1 电子负载应用示意图

电子负载使用APF的主电路拓扑如图2所示。主电路采用NPC三电平逆变电路。

图2 电子负载使用APF的主电路拓扑

电路的中性点从直流母线电容中点抽出,VT1～VT3是三相IGBT器件,Udc为直流母线电压,E1是正母线电容,E2是负母线电容,Udc1为正母线电压,Udc2为负母线电压,Uina～Uinc为逆变侧三相电压,Usa～Usc为电网侧三相电压,RELAY1～RELAY3为三相主继电器。滤波电路采用LCL滤波器或者LCLLC滤波器,与LCL滤波器相比,LCLLC滤波器增加了谐振电感和谐振电容。

2 电子负载的控制策略

由于基于APF的多功能电子负载使用了两台APF实现不同功能,因此两台APF模块采用不同的控制策略。

2.1 1#APF模块控制策略

1#APF模块控制策略如图3所示。采用双电压环控制结构,控制策略包括稳压环控制策略和均压环控制策略[9-10]。稳压环用于稳定直流母线电压Udc,均压环用于中点平衡控制,实现正、负母线电压Udc1和Udc2均衡。

图3 1#APF模块控制策略

稳压环通过将直流侧总电压Udc(Udc1+Udc2)与基准电压Udcref比较,将误差信号经过PI(比例积分)调节器后乘以与电网各相同步的正弦信号(PLL锁相电路输出信号)作为有功分量叠加到反馈的输出电流上,用于调节直流母线电压稳定。采用PI控制器,采样频率取12.5 kHz。

(1)

式中: PI(s)——PI控制器传递系数;

K——增益;

T——转折频率的倒数;

r——积分阻尼系数。

离散化后的传递函数为

(2)

在负载不平衡的情况下,基波无功电流在直流侧会导致100 Hz纹波电流,直流母线电压存在一定的100 Hz纹波,综合考虑带宽、纹波衰减及系统的参数,选取稳压环PI控制器的增益K=1.5,转折频率10 Hz,控制器阻尼r=0.005。稳压环开环频率特性如图4所示。开环截止频率为27.9 Hz,相角裕度为70°。PI控制器离散化后的参数为A=1.503 7,B=1.496 2,C=0.999 97。

图4 稳压环开环频率特性

均压环是通过将正、负母线电压的差信号(Udc2-Udc1)经过PI调节器之后作为零序分量,与装置实际输出的电流(Ica、Icb和Icc)作差送入控制器,用于调节正、负母线电容电压均衡。

均压环也是采用PI控制器。均压环只对中线电流的直流分量进行控制,不应该影响正常中线电流的通过。而中线电流含有最低50 Hz的基波成分,因此其开环截止频率需要控制在10 Hz以内。选取中点稳压环PI控制器比例系数为0.6,均压环开环频率特性如图5所示。开环截止频率为6.53 Hz,相角裕度为68°。PI控制器离散化后的参数为A=0.600 4,B=0.599 6,C=0.999 993。

图5 均压环开环频率特性

2.2 2#APF模块控制策略

2#APF模块控制策略如图6所示。采用单电流环控制加电网电压前馈控制结构。

图6 2#APF模块控制策略

电流环由PI控制器和准PR控制器构成,用以保证系统的动态性能和稳态补偿精度。电网电压前馈(Usa、Usb和Usc),用于提高系统的动态性能和减轻电网电压波动对直流母线电压的冲击和输出精度的影响。装置的指令电流作为给定电流信号(Irefa、Irefb和Irefc),可以设置为有功电流、感性无功电流、容性无功电流、不平衡电流、谐波电流及间谐波电流。装置实际输出的电流信号作为反馈信号(Ica、Icb和Icc),将给定电流与反馈信号之差送入电流控制器(PI+准PR),经SPWM模块生成PWM驱动信号驱动开关管工作,实现装置实际输出电流跟踪指令电流的目的。

电流环PI控制器的设计主要关注低频段增益,控制系统对高频段谐波及间谐波指令电流的精准跟踪输出由准PR控制器实现。为了保证系统的稳定性,选取PI控制器参数为K=0.4,取转折频率为70 Hz,r=0.001,PI控制器离散化后的参数为A=0.402 4,B=0.397 6,C=0.999 988。

准PR控制器传递函数G(s)为

(3)

式中:ω0——基波角频率;

nω0——待消去的n次谐波及间谐波频率;

Krn——n倍频谐振控制器的增益系数;

ωc——截止频率。

准PR控制器离散化后的传递函数为

(4)

各次谐波离散化后的准PR参数如表1所示。

表1 各次谐波离散化后的准PR参数

不同指令电流的给定形式如表2所示。Am、Bm和Cm为三相电流的幅值,ω为角频率。对于有功电流,Am、Bm和Cm相等,若不全相等则表示不平衡电流;对于无功电流,Am、Bm和Cm都为正数时表示感性无功电流,都为负数时表示容性无功电流;对于谐波及间谐波电流,当k>0且k为整数时表示谐波电流,当k>0且k为非整数时表示间谐波电流。

表2 不同指令电流的给定形式

3 仿真实验验证

针对本文提出的方法,利用MATLAB/Simulink搭建基于APF多功能电子负载的仿真模型。对装置输出无功电流、有功电流、谐波电流及间谐波电流进行验证。该电子负载容量为100 kW,变压器变比为0.4 kV/0.4 kV,使用的两台APF的参数:电网电压为380 V,频率为50 Hz,容量为150 A,直流侧电压给定值Udc为700 V,开关频率为12.5 kHz,逆变侧电感L1～L3为200 μH,网侧电感L4～L6为40 μH,C1～C3为30 μF,R1～R3为0.1 Ω,Lf1～Lf3为8.2 μH,Cf1～Cf3为20 μF。

无功电流、有功电流、谐波电流及不平衡电流仿真波形分别如图7～图10所示。

图7 无功电流仿真波形

图8 有功电流仿真波形

图9 谐波电流仿真波形

图10 不平衡电流仿真波形

由图7～图10可见,装置能够正常运行,能够按照需求产生有功电流、无功电流、谐波电流及不平衡电流。

按照仿真参数,试制电子负载样机。电子负载样机如图11所示。进行实验验证,无功电流、有功电流、谐波电流及不平衡电流试验波形分别如图12～图15所示。由图12～图15可见,研制的电子负载运行正常,实验时能够按照指令需求产生相应大小的有功、无功、谐波及不平衡电流,且实验结果与仿真结果完全一致。

图11 电子负载样机

图12 无功电流试验波形

图13 有功电流试验波形

图14 谐波电流试验波形

图15 不平衡电流试验波形

4 结 语

本文利用电能质量治理厂家都有的APF模块,提出一种基于APF多功能电子负载,仿真和试验结果表明了该方法的可行性和有效性,电子负载能够同时产生谐波、间谐波、无功、有功和不平衡电流,可供电能质量治理装置理论研究和产品检验,支持实验平台和生产调试老化平台,具有极其重要的实际意义。