一種分析APF直流側電壓諧波含量的新方法

竇金生，朱進華

(1.中國人民解放軍鎮江船艇學院，江蘇省鎮江市 212003；2.江蘇科技大學電子信息學院，江蘇省鎮江市 212003)

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一種分析APF直流側電壓諧波含量的新方法

竇金生1，朱進華2

(1.中國人民解放軍鎮江船艇學院，江蘇省鎮江市 212003；2.江蘇科技大學電子信息學院，江蘇省鎮江市 212003)

摘 要：有源電力濾波器在船舶電網中得到了廣泛的應用。然而有源電力濾波器在補償電流時實際發出的電流存在靜差、直流側電壓存在波動。為了提高有源電力濾波器的補償精度，找出補償時存在誤差的根本原因，本文圍繞APF的數學模型、補償機理、瞬時功率理論來具體討論在船舶電網不平衡下的APF直流側電壓波動成分，并對以往的儲能電容的計算公式進行修正。

關鍵詞：有源電力濾波器 APF的數學模型 瞬時功率理論

0 引言

為解決船舶電網不平衡和諧波污染的問題，應用了三相四線制三電平并聯型有源電力濾波器。這種有源電力濾波器具有直流電壓利用率高、電容需求量低、能夠為零序電流提供通路等優點[1-3]。然而在工程實踐中，補償電流時APF裝置直流側電壓存在波動，這種波動增加了直流側電壓的控制難度。文獻[4]給出在船舶電網平衡時的儲能電容計算公式，通過對儲能電容的選取來抑制直流側電壓波動，但是這種方法在船舶電網不平衡時存在缺陷。本文圍繞APF的數學模型、補償機理、瞬時功率理論來具體討論在船舶電網不平衡下的APF直流側電壓波動成分并對儲能電容計算公式進行修正。

1 三電平APF數學模型

如圖1所示，假設C1、C2儲能電容上的電壓為Udc1、Udc2、，開關側輸出電壓為usa、usb、usc，三相供電系統的電壓為uan、ubn、ucn，流過濾波電感La、Lb、Lc、Ln的電流為ia、ib、ic、in，流過三相供電系統的電流為ian、ibn、icn，流過非線性負載的電流為iLa、iLb、iLc、iLn，流過C1、C2儲能電容的電流為idc1、idc2。Sk表示開關管通斷狀態值，Sk可取值為2、1、0。其中k=a、b、c，La=Lb=Lc=Lcn=L。利用基爾霍夫電壓定律(KVL)可以得出三相四線制三電平APF拓撲結構在a-b-c坐標系下的數學模型表達式為：

忽略開關側輸出電流中頻率為開關頻率的電流分量，根據APF補償機理可認為這里的ia、ib、ic、in等于需要補償的電流。

2 船舶電網電壓不平衡APF補償時的諧波分析

船舶電網電壓不平衡時，船舶電網電壓可以表示為：

其中2k+1不為3的倍數。

其中2k+1不為3的倍數。

式(8)中：[PPPa,PPPb,PPPc]表示正序基波電壓與2k+1次正序諧波電流的瞬時功率。負號表示開關側從直流側儲能電容中吸收瞬時功率。[PPPa,PPPb,PPPc]由兩部分瞬時功率組成：一組頻率為ω2k零序三相瞬時功率與一組頻率為ω2k+ 2負序三相平衡瞬時功率，分別在相與相之間、相內進行能量傳遞。APF運作時是通過吸收直流側儲能電容C1、C2中的無功功率來補償船舶電網中的諧波功率，也就是說開關側的瞬時功率與儲能電容C1、C2的瞬時功率是等價的，直流側儲能電容電壓必包含偶次波動電壓，Udc1、Udc2可表示為：其中：Udc為C1、C2上電壓的平均值，U2i為偶次波動電壓峰值。假設船舶電網電壓無相位畸變，結合電壓、電流不平衡度、THD計算公式與能量守恒定律計算得到△Udc的表達式為(10)、(11)、(12)、(13)：

3 MATLAB仿真驗證

為進一步驗證數學方法的正確性，本文用MATLAB搭建了三相四線制三電平并聯型有源電力濾波器(εuN=εu0=0)實驗平臺。選擇仿真實驗參數如表1。負載電流平衡的實驗結果圖2、3、4、5、6、7、8。

結合表1參數、仿真結果圖與表達式(10)、(11)、(12)、(13)可得到補償時理論電壓波動值與實際電壓波動值如表2。

表1仿真與實驗參數

表2電壓波動值對比

圖2 突加負載網側A相電流情況

圖3 補償后網側A相電流諧波含量5.3%

圖4 A相負載側電流

圖5補償前負載電流諧波含量26.43%

圖6電容為1000 μF直流電壓波形

4 結論

本文提出了一種基于瞬時功率計算的定性分析APF直流側電壓的諧波含量的數學方法，對以往的儲能電容的計算公式進行了修正。結合推導公式和MATLAB仿真實驗的結果來看，基于瞬時功率計算的定性分析APF直流側電壓的諧波含量的數學方法是確實可行的，這種數學方法將為APF直流側電壓控制發展提供一定的理論依據，從而為提高APF直流側電壓控制精度提供新的思路。

圖7電容為2200 μF直流電壓波形

圖8 直流側電壓的諧波含量

參考文獻：

[1]王平陽,賴曉陽,徐紅成.電力推進船舶電網諧波控制[M].船電技術,2015,35(3):48-51

[2]張佳佳,石東源．分布式電源用四橋臂變換器中點電壓漂移控制[J].電工技術學報,2013,28(2):225-232

[3]劉秀翀,張化光,陳宏志.四橋臂逆變器中第四橋臂的控制策略[J].中國電機工程學報，2007，27(33):87-92

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[5]葉珠環,肖國春,曾忠,等.基于電流狀態反饋的串聯電壓質量調節器比例諧振和諧波補償控制[J].電工技術學報,2011,26(10):84-92.

A Novel Method for Analyzing the Harmonic Component of Active Power Filter at DC-voltage Side

Dou Jinsheng1,Zhu Jinhua2
(1.Zhenjiang Watercraft college of PLA,School of Electrical and Information,Zhenjiang 212003,Jiangsu,China; 2.Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003,Jiangsu,China)

Abstract:Nowadays active power filter has been widely used in marine power system.However,there are current static difference and fluctuations in DC-voltage side when the active power filter in compensating current.In order to improve the accuracy of active power filter and find the reason of fluctuations at DC-voltage side,the mathematical model,the compensation mechanism of active power filter and the instantaneous power theory are used to discuss the harmonic component at DC-voltage side in the ship power system,and the calculation formula of the energy storage capacitor is modified.

Keywords:active power filter; the mathematical model of active power filter; instantaneous power theory

作者簡介：竇金生（1965-），男，博士研究生，教授，研究方向：智能控制技術。朱進華（1990-），男，碩士研究生，研究方向：電能質量智能控制技術。

收稿日期：2015-10-26

中圖分類號：TM921 TM315

文獻標識碼：A

文章編號：1003-4862(2016)02-0049-04