并聯(lián)有源濾波器在煤礦諧波抑制中的研究與應(yīng)用

馬 誠，李彥斌

(西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，西安 710048)

隨著煤礦大功率運輸設(shè)備與采煤機組數(shù)量的增加以及大功率高性能開關(guān)器件的出現(xiàn)，變頻調(diào)速和串級調(diào)速系統(tǒng)變得更加實用，但同時也給礦井電網(wǎng)增加了一定的諧波分量，造成礦井電網(wǎng)污染［1］。這種情況不僅會影響設(shè)備正常運行及其使用壽命，還會造成自動控制裝置、通信、保護裝置的不正常工作。諧波抑制是提高電能質(zhì)量、保證安全生產(chǎn)的重要手段之一［2］。因此，無論從保障正常運行，還是從井下安全的角度出發(fā)，有效治理諧波都具有重要的理論和實際意義。

1 諧波抑制的方法

對負荷電壓、電流、功率選定進行仿真，并在變電所進行實時監(jiān)測。通過計算機仿真和數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn):礦井通風(fēng)機串級調(diào)速裝置有諧波存在，并在總進線測試中發(fā)現(xiàn):主要是5、7、11和13次諧波電流，諧波總畸變率嚴重超標(biāo)［2］。

通常從以下兩方面進行諧波抑制:一是對電力系統(tǒng)中主要諧波源的電氣設(shè)備進行改造，減少諧波的產(chǎn)生;二是采用諧波補償裝置補償非線性負載電流，安裝濾波裝置。本文采用諧波補償裝置進行抑制。補償裝置有無源濾波器PPF、有源濾波器 APF［3］。

1.1 無源濾波器

無源濾波器(passive power filter)又稱LC濾波器，是由電感、電容與電阻按照一定的參數(shù)配置，組合設(shè)計而成的濾波電路。其實質(zhì)是保留基波而使諧波短路，通過濾波器直接流回諧波源而不注入系統(tǒng)。

1.2 有源濾波器

有源濾波器(active power filter)補償電網(wǎng)中的諧波和無功功率，可以對幅值和頻率實時變化的諧波進行動態(tài)跟蹤補償，且不會被系統(tǒng)的阻抗所影響［4］。按照不同的連接方式可分為串聯(lián)型、并聯(lián)型和混合型，根據(jù)礦井負載的形式，本文通過并聯(lián)有源濾波器進行負載的諧波補償。

2 并聯(lián)有源濾波器的工作原理

并聯(lián)有源濾波器的控制電路由指令電流運算電路和補償電流發(fā)生器組成［5］。檢測補償對象的電流，經(jīng)指令電流運算電路計算，再由補償電流發(fā)生電路的放大得出補償電流。補償電流與負載電流中要補償?shù)闹C波電流相抵消，相當(dāng)于一個諧波電流發(fā)生器，產(chǎn)生與之相反的電流，從而抵消負載的有害電流。補償電流發(fā)生器的主電路采用電壓型 PWM 變流［6］。

并聯(lián)型有源濾波器系統(tǒng)的原理如圖1所示。圖1中:is為電源電流;iL為負載電流;ic為補償電流;i*c為指令電流;icL為補償電流與負載電流之和，即 icL=ic+iL。上述原理用一組公式可表述為:

圖1 并聯(lián)有源濾波器原理

3 諧波電流的檢測

諧波檢測方法直接影響到濾波器的濾波補償效果，檢測越準(zhǔn)確，補償?shù)木仍礁?諧波電流檢測得越快，補償?shù)膭討B(tài)響應(yīng)也會越迅速［7］。有源濾波器需要實時、準(zhǔn)確地檢測并計算出信號電流，然后進行補償電流的放大，計算出補償電流。

日本學(xué)者赤木泰文于1984年提出了瞬時無功功率理論，分別對瞬時實功率P和瞬時虛功率Q、瞬時有功電流ip和瞬時無功電流iq進行了定義，故將其稱為p-q理論。又通過計算ip和iq得到ip-iq理論，并將其應(yīng)用于諧波檢測［8］。這兩種方法都可以實時、精確地檢測對稱三相電路的諧波值，并且可省去鎖相環(huán)電路。本文信號電流檢測采用三相電路瞬時無功功率的ip-iq法。

把三相電路的電壓瞬時值分別設(shè)為ea，eb，ec，電流瞬時值分別設(shè)為ia，ib，ic。為分析方便，對其進行α-β兩相正交變換［9］，有:

其中:

該方法的原理如圖2所示［10］。圖2中:

該方法的優(yōu)點在于:只要與a相電網(wǎng)電壓ea相位相同的正弦信號和與之對應(yīng)的余弦信號，通過一個正、余弦信號和一個鎖相環(huán)(PLL)發(fā)生電路即可得到，無需檢測三相電壓。根據(jù)定義可以計算出 ip和 iq［11］。

經(jīng)LPF濾波得出ip和iq的直流分量和。這里，是由 iaf，ibf，icf產(chǎn)生:

即可計算出iaf，ibf，icf:

進而計算出 iah，ibh，ich。

圖2 ip，iq運算方式原理圖

4 有源濾波器的控制方法

檢測出負載電流中的諧波分量后，有源濾波器要由控制電路來完成對諧波電流的補償［12］。通過指令信號i*c和實際補償電流ic瞬時值的比較來控制開關(guān)器件的關(guān)斷與導(dǎo)通，使實際的電流跟蹤指令電流信號變化而輸出補償電流。本文采用滯環(huán)比較控制法，圖3是滯環(huán)比較器的瞬時值比較方式原理。將補償電流的指令信號i*c和實際的補償電流信號ic進行比較，滯環(huán)比較器的輸入為兩者的偏差Δic。通過滯環(huán)比較器產(chǎn)生控制主電路中開關(guān)通斷的PWM信號，該信號經(jīng)驅(qū)動電路來控制開關(guān)器件的通斷，從而控制補償電流ic的變化［13］。

圖3 滯環(huán)比較器的瞬時值比較方式原理圖

5 有源濾波器的仿真及結(jié)果分析

利用Matlab仿真軟件建立仿真模型。采用Simulink的Powersystems工具箱建立三相電源、諧波負載、檢測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及變流器主電路的仿真模型。

未連接APF時系統(tǒng)中的電流電壓波形如圖4所示。通過基于瞬時無功功率的ip-iq檢測電路，系統(tǒng)檢測到的三相中的諧波如圖5所示。系統(tǒng)接入APF進行諧波補償后，負載電流電壓的波形如圖6所示。

圖4 未連接APF時系統(tǒng)中的電流電壓波形圖

圖5 三相電路中的諧波

圖6 負載電流電壓的波形

表1為給礦井供電系統(tǒng)安裝濾波器前后，諧波電流成分、諧波電流含有率及電流總諧波畸變率(THDi)。

表1 電流主要諧波成分 %

濾波前電流發(fā)生嚴重畸變，其中 5，7，11，13次諧波含量都非常大，電流的總畸變率THD為25.09%，投入并聯(lián)有源濾波器后 THD減小到4.82%，同時系統(tǒng)電流中的各次諧波的含有率降低，系統(tǒng)輸入電流已接近正弦波，基本符合標(biāo)準(zhǔn)。

以上仿真結(jié)果表明:并聯(lián)型有源電力濾波器能夠?qū)仑摵僧a(chǎn)生的諧波進行較好的補償。證明本文并聯(lián)有源電力濾波器仿真的正確性和檢測及控制方式的可行性，具有實際的應(yīng)用價值。

6 結(jié)束語

為了使礦井供電系統(tǒng)有效運行，同時具有較高的電能質(zhì)量，需要對諧波進行抑制。本文搭建了三相并聯(lián)有源濾波器動態(tài)仿真模型并進行了仿真試驗。通過分析發(fā)現(xiàn):補償電流能夠有效地治理諧波電流，減少了 5、7、11、13次諧波的含量。證明并聯(lián)有源濾波器能有效抑制諧波，適宜在礦井供電系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。

［1］亓躍峰.煤礦生產(chǎn)中電網(wǎng)諧波危害分析及濾波改進辦法［J］.電氣應(yīng)用，2006(4):55-57.

［2］趙雪林，周衛(wèi)偉，王建華，等.混合型有源濾波器在煤礦高壓供電系統(tǒng)的研究與應(yīng)用［J］.機械制造與自動化，2010(4):156-158.

［3］錢照明，葉忠明，董伯藩.諧波抑制技術(shù)［J］.電力系統(tǒng)自動化，1997(10):21-23.

［4］時斌.并網(wǎng)有源電力濾波器對諧波抑制的分析［J］.通信電源技術(shù)，2014(2):28-29.

［5］Jintakosnwit P，F(xiàn)ujita H，Akagi H.Control and performance of a fully-digital-controlled shunt active filter for installation on a power.Distribution system［J］.IEEE Transactions of Power Electronics，2002(1).

［6］帥定新，謝運翔.電網(wǎng)諧波電流檢測方法綜述［J］.電氣傳動，2008(38):27-28.

［7］馬占敖，江平，王琮澤，等.有源電力濾波器的諧波抑制技術(shù)在煤礦供電系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.煤礦技術(shù)，2011(4):25-27.

［8］黃青，唐忠.并聯(lián)有源濾波器檢測和控制方法的研究與仿真［J］.電測與儀表，2012(10):14-19.

［9］田治禮，張家勝.SVPWM在并聯(lián)有源電力濾波中的應(yīng)用研究及仿真［J］.黑龍江工程學(xué)院學(xué)報，2007(2):61-64.

［10］曾繁鵬.基于系統(tǒng)電流檢測的并聯(lián)有源電力濾波器數(shù)字控制方法［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2011(12):24-28.

［11］王萍，宋良瑜，孫栩.MATLAB應(yīng)用于并聯(lián)有源混合型濾波器的仿真［J］.計算機仿真，2003(11):128-130.

［12］張國軍.并聯(lián)型有源濾波器在煤礦供電系統(tǒng)的應(yīng)用研究［J］.電力電子技術(shù)，2012(11):66-68.

［13］徐建國.高壓有源電力濾波器在煤礦行業(yè)的應(yīng)用研究［J］.華東電力，2013(10):2217-2220.