基于有源濾波器的玻璃廠諧波治理研究

韓衛華

（江蘇蘇華達新材料有限公司，江蘇 宿遷223800）

0 引言

隨著現代工業的發展，人們對供電質量的要求也越來越高［1－2］。玻璃生產廠存在大量的電力電子設備，這些設備在日常運行過程中會產生一定的諧波，從而大大縮短其使用壽命。因此，通過諧波治理來提高玻璃生產商的競爭力，成為各廠家關注的問題，有必要對其進行研究。

本文通過對江蘇蘇華達新材料有限公司玻璃生產線的調研，根據玻璃廠非線性負載裝機容量的實際情況，確定了包括APF容量、交流濾波電感、直流母線電容等在內的元器件參數，設計了基于比例多諧振PR調節器的諧波電流控制環路。最后在Matlab／Simulink軟件平臺上搭建APF諧波補償系統仿真模型，仿真結果證明，系統諧波治理效果良好，為玻璃廠實際的諧波治理提供了參考。

1 諧波檢測算法

式中，C32為a—b—c坐標系到α—β坐標系的Clark變換。經過C變換，有功及無功電流為：

經過低通濾波器后得到有功及無功電流中的直流量，三相靜止a—b—c坐標系中基波電流值為：

基波電流值與負載電流相減可得APF所需補償的諧波電流參考值。

2 諧波電流跟蹤控制

在三相靜止坐標系中建立APF主電路輸出電流的微分方程［3］：

變換到兩相旋轉d—q坐標系為：

本文采用多諧振PR控制器跟蹤諧波電流，其傳遞函數表達式為：

3 仿真分析

江蘇蘇華達新材料有限公司玻璃生產線最大裝機功率為8 000kW，相電壓有效值220V條件下單相最大基波負載電流有效值為12 000A。對于諧波畸變率約為30%的三相不控整流負載，按最大裝機功率設計APF容量，則需要APF單相最大輸出電流有效值為3 600A，三相總容量為2 400kVA。

交流側濾波電感選型依據以下經驗公式：

式中，直流母線電壓Udc＝800V；開關頻率fs＝20kHz；最大輸出電流有效值I＝3 600A；輸出電流紋波系數dIm＝10%。

APF交流側電感取10μH。

直流母線電容選取參考文獻［4］，其表達式為：

式中，三相 APF容量S＝2 400kVA；Udc為直流母線電壓；ΔU為直流母線電壓波動，這里取10V。

經計算，APF直流母線電容值取400mF。

本文用Matlab／Simulink建立APF補償系統模型。諧波負載及APF主電路參數如表1所示。

表1 APF補償系統參數

圖1（a）所示為半負載條件下投入APF前后A相電流波形。當t＝0～0.04s時，電流 THD為28.67%。t＝0.04s時投入APF，t＝0.10s以后A相電流THD為1.21%，滿足諧波畸變率小于5%的要求。

圖1（b）所示為投入APF條件下負載由半載變為滿載時A相電流波形。t＝0～0.04s時，THD為1.21%。t＝0.04s時由半負載切為滿負載運行，t＝0.06s以后電流THD為0.93%。

圖1（c）所示為投入APF條件下滿負載運行時APF直流母線電壓波形。穩態時直流母線電壓穩定在800V左右，最大波動電壓為8V，符合設計初ΔU＜10V的要求。

圖1 仿真波形

該公司生產玻璃日產量20 000重箱，出廠價格80元／重箱，未進行諧波治理時，由于電能質量對玻璃生產質量的影響，玻璃出廠平均價格折損1%，因此通過諧波治理，可為公司減少月損失48萬元，減少年損失576萬元，大大提高了生產效益。

4 結語

本文根據玻璃廠非線性負載裝機容量實際情況，設計了元器件參數。采用基于PR調節器的控制方法，仿真結果表明，該控制算法跟蹤精度高、響應速度快。投入基于該控制算法的APF達到了良好的諧波治理效果，為玻璃廠實際諧波治理提供了參考。

［1］王兆安，楊君，劉進軍，等.諧波抑制與無功功率補償［M］.北京：機械工業出版社，2005

［2］林海雪.電能質量指標的完善化及其展望［J］.中國電機工程學報，2014，34（29）：5 073～5 079

［3］徐德鴻.電力電子系統建模及控制［M］.北京：機械工業出版社，2005

［4］張國榮.有源電力濾波器直流側電容的選擇方法［J］.電測與儀表，2010，47（12）：1～3，64