HL-2A裝置電源系統(tǒng)有源電力濾波器的設(shè)計(jì)與仿真

李洪，李華俊，王英翹，宣偉民，姚列英

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

HL-2A裝置電源系統(tǒng)有源電力濾波器的設(shè)計(jì)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(yè)西南物理研究院聚變科學(xué)所，成都610041；2.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢430074）

HL-2A裝置極向場及二級加熱電源系統(tǒng)由1臺輸出頻率可變的125 MVA飛輪脈沖發(fā)電機(jī)組供電，其輸出母線上存在大量諧波成分，需要設(shè)計(jì)一個(gè)濾波器對其線路進(jìn)行諧波治理。首先針對于頻率可變的電源系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)有源電力濾波器時(shí)，需加入鎖相環(huán)追蹤電源系統(tǒng)頻率的變化；再以此變化的頻率為基礎(chǔ)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(chǔ)上，使用Matlab/Simulink軟件進(jìn)行仿真分析，觀察在頻率可變系統(tǒng)下有源電力濾波器的諧波濾除效果。仿真結(jié)果驗(yàn)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(tǒng)主要由3臺脈沖發(fā)電機(jī)組為許多直流負(fù)載供電，其中125 MVA發(fā)電機(jī)組供電對象是所有極向場電源系統(tǒng)和二級加熱高壓電源系統(tǒng)，大部分都是經(jīng)過變壓器與晶閘管全控整流設(shè)備為負(fù)載供電，因此在發(fā)電機(jī)母線輸出上會產(chǎn)生大量的諧波成分。對HL-2A裝置所采集到的電壓電流數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換FFT（fast Fourier transformation），發(fā)現(xiàn)125 MVA發(fā)電機(jī)交流母線電流諧波畸變嚴(yán)重，電流總諧波畸變率9%以上，重載時(shí)其電流畸變率更大。

125 MVA機(jī)組由1臺2 500 kW拖動電機(jī)、1個(gè)33.5 t飛輪及1臺125 MVA雙Y相移30°發(fā)電機(jī)同軸連接，電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速3 000 r/min。發(fā)電機(jī)是脈沖工作方式，從開始勵(lì)磁到滅磁大約7 s。脈沖放電時(shí)，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，機(jī)組轉(zhuǎn)速相應(yīng)快速下降，發(fā)電機(jī)輸出頻率也隨之變化。機(jī)組規(guī)定的轉(zhuǎn)速變化范圍為3 000～2 400 r/min，發(fā)電機(jī)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(shù)的提高，發(fā)電機(jī)非線性負(fù)荷增加，其諧波的影響加劇，甚至不能正常工作，難以實(shí)現(xiàn)等離子體電流波形、位置和形狀的穩(wěn)定和可靠控制，同時(shí)諧波過大也會引起發(fā)電機(jī)線圈的非正常發(fā)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(tǒng)中基波頻率是50 Hz，在±0.5 Hz之內(nèi)變化，而125 MVA發(fā)電機(jī)輸出頻率變化范圍為100～80 Hz。另外由于125 MVA發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的諧波容量很大，如果直接治理發(fā)電機(jī)母線諧波，難度和成本非常高，現(xiàn)階段采取對系統(tǒng)中各個(gè)負(fù)載進(jìn)行單獨(dú)諧波濾除的方法。HL-2A裝置水平場電源負(fù)載是125 MVA發(fā)電機(jī)系統(tǒng)下的一個(gè)最小負(fù)載，由2臺250 kVA的變壓器降壓后，通過2組三相全橋整流轉(zhuǎn)換成直流，串并聯(lián)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(cè)并聯(lián)的有源電力濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)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(huán)節(jié)的重點(diǎn)。APF指令補(bǔ)償電流獲取的準(zhǔn)確性將直接影響APF的諧波濾除效果。為了能夠?qū)崟r(shí)跟蹤頻率的變化，諧波檢測環(huán)節(jié)中加入鎖相環(huán)[3]，其結(jié)構(gòu)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(zhì)的環(huán)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(jié)果是將其輸出振蕩頻率fo拉向環(huán)路輸入信號頻率fi，從而達(dá)到不斷跟蹤變化頻率的作用。

圖1 鎖相環(huán)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(fù)載電流經(jīng)3/2變換、pq變換得到瞬時(shí)有功電流ip和瞬時(shí)無功電流iq；再經(jīng)過低通濾波器LPF得到瞬時(shí)有功電流ip和瞬時(shí)無功電流iq的直流分量然后通過坐標(biāo)反變換計(jì)算出負(fù)載電流的基波分量最后用負(fù)載電流減去計(jì)算出的基波分量得到負(fù)載電流中的諧波分量

根據(jù)仿真需求，設(shè)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(jì)算簡便，設(shè)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(dá)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(biāo)系變換到α-β兩相靜止坐標(biāo)系下，得到iα和iβ為

其中

瞬時(shí)有功電流ip和瞬時(shí)無功電流iq為

其中

經(jīng)過坐標(biāo)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(huán)電路跟蹤系統(tǒng)電壓頻率的變化，得到與其對應(yīng)的變換矩陣C，通過ip-iq法從負(fù)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(lián)型有源濾波器系統(tǒng)原理，系統(tǒng)主要由諧波電流檢測環(huán)節(jié)、電流跟蹤控制環(huán)節(jié)和逆變電路3部分組成。

圖3 并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)原理Fig.3Schematic of shunt active power filter system

通過Matlab/Simulink軟件對其進(jìn)行仿真分析，進(jìn)一步驗(yàn)證方案的可行性[7]。

在實(shí)驗(yàn)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(shè)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(zhuǎn)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(jù)ip-iq諧波電流檢測法，采集三相電壓信號和三相負(fù)載電流信號。電壓信號經(jīng)過鎖相環(huán)后得到頻率變化的正弦和余弦信號，負(fù)載電流信號經(jīng)過變換，即可把三相電流信號轉(zhuǎn)化成ip和iq。經(jīng)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(fù)載中所含的基波電流[8]。基波電流與負(fù)載電流相減，便可得到期望補(bǔ)償?shù)闹C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(gè)Subsystem之后，按照并聯(lián)型有源濾波器系統(tǒng)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(jīng)過三相整流接電感電阻負(fù)載的電路進(jìn)行仿真。系統(tǒng)電源采用線電壓有效值為3 000 V、頻率變化的電源，經(jīng)過三繞組3 000/87/87 V變壓器接整流橋負(fù)載，負(fù)載為60 mΩ、50 μH電感線圈負(fù)載。直流側(cè)電壓900 V，開關(guān)頻率選擇為10 kHz，與系3統(tǒng)連接的電抗為0.1 mH。仿真時(shí)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(shí)還對部分支路電流進(jìn)行了頻譜分析，結(jié)果如圖7～圖14所示。

圖5 電流檢測環(huán)節(jié)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(fù)載頻率從94 Hz變化到88 Hz。在變化的過程中帶鎖相環(huán)的諧波頻率檢測電路可以一直迅速且準(zhǔn)確地跟蹤系統(tǒng)頻率的變化，從而輸出相同頻率的諧波補(bǔ)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(jìn)行快速傅里葉變換，計(jì)算其諧波電流大小。通過FFT分析的結(jié)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(jié)語

對125 MVA發(fā)電機(jī)水平場電源系統(tǒng)進(jìn)行可變頻率有源電力濾波器設(shè)計(jì)，通過仿真分析可知，并聯(lián)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(huán)實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)頻率變化，并通過計(jì)算得到對應(yīng)頻率和相位的補(bǔ)償電流控制信號，再控制逆變電路輸出跟蹤補(bǔ)償電流信號，可以很好地實(shí)現(xiàn)對頻率快速變化電源系統(tǒng)的諧波治理。

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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?yàn)殡娏﹄娮优c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(dǎo)師，研究員級高工，研究方向?yàn)槊}沖供電及電機(jī)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?yàn)槊}沖供電技術(shù)和高電壓技術(shù)。Email：wangyq@swip.ac.cn