基于LCL濾波的三電平濾波器在煤礦電網的應用

王 峰

(徐州工程學院，江蘇 徐州 221111)

1 概 述

隨著電力電子技術與控制技術的不斷發展，以及大功率電力電子器件的大量使用，在我國煤礦提升機電控設備尤其是直流提升機電控系統中，采用以晶閘管整流電路為基礎的全數字電控設備成為主流控制方式。采用晶閘管整流系統為提升機系統提供電源，在提升機運行過程中，勢必會產生諧波，污染電網，嚴重時甚至會影響到其他電氣設備的正常運轉。對于煤礦電網中諧波產生的原因與危害，文獻[1-6]從不同的角度，對晶閘管等電力電子設備供電的提升機電控系統會產生諧波，導致電網功率因數降低、電能質量變差、影響煤礦電網的安全運行問題進行了系統的分析。

對于煤礦電網諧波的治理，最早采用靜態補償方案，后來發展成通過安裝高壓動態無功補償及濾波裝置[6]等方法來解決。隨著電力電子技術的發展，M.Lindgren和 J.Svensson于1995年首先提出了用三階的LCL濾波器代替傳統的單電感濾波器，從而達到了良好的濾波效果，并兼顧低頻段的增益和高頻段的衰減[7，8]。本文為了解決煤礦電網的諧波問題，采用NPC型三電平拓撲結構設計有源濾波器的主回路，采用電容電流反饋的有源阻尼方法實現對LCL濾波器的穩定性控制問題；對于APF的電流跟蹤控制技術，采用基于重復原理的復合控制方法，該方法不僅可以消除跟蹤靜差，而且實現簡單，易于工程應用，最后通過仿真與試驗平臺對LCL濾波器的性能以及文中所提出了電流跟蹤控制策略進行實驗驗證。通過實驗驗證，該系統能夠有效降低煤礦電網諧波，滿足礦井提升機安全運行的需要。

2 基于LCL濾波的APF系統總體設計與數學模型

2.1 系統總體設計

為了解決煤礦電網中提升機類負載電壓相對較高、容量大的特點，而電力電子器件特別是IGBT耐壓不高，提高有源濾波器的容量，本設計所采用的NPC型三電平變換器作為主電路拓撲結構，并和LCL濾波器一起應用于本文所設計有源濾波器中。基于LCL濾波的NPC型三電平有源濾波器拓撲結構如圖1所示。變流器通過LCL濾波器與電網連接，通過改變三電平變流器基本電壓空間矢量的組合，保證A、B、C三相橋臂1次只有一個開關器件動作，通過選擇合理的矢量組合，就可以得到需要的電流輸出，從而達到消除煤礦電網諧波的目的。通過選擇合適的冗余矢量，達到降低開關損耗，降低散熱設備體積以及提高系統穩定性的目的。

圖1 基于LCL濾波的三電平APF拓撲結構

2.2 LCL濾波器數學模型

如果三電平變流器側等效內阻和電感用R1和L1表示，電網側等效內阻和電感為R2和L2，濾波電容及其等效內阻用Cd和Rd表示，es為網側電壓，ui為變流器輸出電壓；就可以得出LCL濾波器的單相等效電路如圖2所示。

圖2 LCL濾波器等效電路

如果在計算過程中，忽略電感的等效電阻R1和R2，Rd為濾波電容的等效內阻，可以得到APF的輸出電壓ui到補償電流i2的傳遞函數G(s)為：

可求得諧振頻率為：

3 LCL濾波器穩定控制與電流跟蹤控制策略

3.1 LCL濾波器的穩定性控制

為了保證煤礦電網運行的穩定性，在采用直流供電系統的提升機電網采用基于LCL的APF進行濾波后，為保證濾波器性能的穩定，有多中控制方法。針對無源阻尼方法會增加系統損耗，同時在一定程度上降低濾波效果，本文采用基于濾波電容電流反饋有源阻尼方法來提高其穩定性，通過增加額外的反饋控制來實現諧振抑制，該方法沒有附加損耗，且濾除高頻諧波的能力優于無源阻尼方法。

3.2 LCL濾波器電流跟蹤控制策略

電流跟蹤控制技術是有源濾波器的關鍵技術，決定著有源濾波器性能的好壞。文獻[9-11]采用不同的方法，對APF電流控制與預測方法進行了相應的研究。重復控制源于內膜原理，具有對正弦給定信號近乎無靜差跟蹤的優勢，輸出波形畸變率低，性能穩定，魯棒性強，比較適合用于有源濾波器諧波電流跟蹤控制。重復控制對周期性出現的擾動信號具有較高的增益，但由于引入了周期性延遲環節，造成了較大的控制滯后，單純的重復控制并不能滿足有源濾波器實時性的要求。如果將傳統比例控制與重復控制相結合以達到更優越的控制效果，既保留了比例控制的快速性，又兼顧了重復控制抑制低頻諧波的能力，同時易于工程實現。因此，本文則針對傳統PI控制器進行有源濾波器內環電流跟蹤控制時，無法全頻段精確跟蹤諧波電流指令信號缺點與不足，一方面采用改進型準PR控制器消除指令電流跟蹤過程中的靜態誤差，并優化其數字化實現方法，另一方面將比例控制與重復控制組合成新型復合控制策略以達到簡化控制器的目的。比例控制與重復控制相結合構成的復合控制框圖如圖3所示。該控制是將比例控制與重復控制并聯使用，結構簡單，易于實現，在該圖中，只要在比例反饋控制穩定的前提下，引入重復控制而不影響原有系統的穩定性，即可保證基于比例重復的復合控制器穩定。

圖3 比例重復控制框圖

4 仿真與實驗驗證

4.1 仿真分析

為了驗證前述方法的效果，采用基于LCL濾波的有源濾波器控制框圖如圖4所示，通過采樣電容電流值，經一定的比例系數放大后將其反饋到復合控制器的輸出，然后疊加網側電壓前饋值，便得到了控制變流器的指令信號。

圖4 基于LCL濾波的有源濾波器控制框圖

系統仿真參數見表1。

補償前與補償后A相電流波形如圖5所示，補償后A相電流頻譜分析圖如圖6所示，電容電流反饋支路投入前后補償電流對比如圖7所示，仿真中設置電容電流反饋支路初始狀態斷開，在0.2s時投入使用。

由圖5和圖6可以看出，該采用基于LCL的APF系統進行補償后負載電流完全正弦，補償后電流中的毛刺明顯減少；由圖7可以看出，電容電流反饋指令投入使用前，補償電流振蕩嚴重，投入使用后振蕩立即消失，說明通過電容電流反饋的方法抑制LCL濾波器的諧振方法可行，效果明顯，且動態效果良好，完全能夠適應直流礦井提升機負載的諧波補償要求，滿足煤礦電網安全運行的需要。

表1 濾波器仿真參數

圖5 補償前后A相電流波形圖

圖6 補償后A相電流頻譜分析圖

圖7 突然投入電容電流反饋時A相電流波形圖

4.2 實驗驗證

為了驗證該基于LCL濾波的APF性能，搭建三電平有源濾波器實驗平臺對前述控制策略進行驗證。實驗裝置中的功率變換器為二極管箝位型三電平拓撲結構，開關器件選擇適用于中壓領域的IGBT，IGBT驅動板采用Concept公司2SP0320x2Ax集成模塊，直流側儲能電容采用薄膜電容，并通過電容串并聯的形式獲得較高的耐壓等級，諧波源為二極管不控整流帶阻感性負載。AD7606將上述模擬信號轉變成數字量，并通過DSP+FPGA數字控制系統運算得到IGBT的開關信號，經驅動電路控制IGBT的通斷。實驗時參數與表1實驗參數一致，得到波形如圖8所示。

圖8 LCL濾波時補償前、后A相電流波形

從圖8(b)中可以看出，采用LCL濾波的APF進行補償后A相電流波形正弦度良好，直流側母線電壓穩定在400V，與圖8(a)相比，APF輸出電流的毛刺較少，說明LCL濾波器濾除高頻諧波電流的能力優于傳統單電感濾波器。與此同時，由補償前后A相電流波形可以看出，當有源濾波器投入的瞬間，諧波電流就得到了有效的抑制，系統動態響應快，能夠滿足煤礦電網的需要。

5 結 語

本文針對煤礦電網尤其是直流提升機供電網采用電力電子裝置后，系統存在的諧波問題，設計采用基于LCL濾波的APF進行諧波治理，來達到降低煤礦電網諧波的目的。該濾波器主回路采用NPC型三電平拓撲結構，通過電容電流反饋的有源阻尼方法實現對LCL濾波器的穩定控制，采用比例控制與重復控制相結合構成的復合控制方法實現對諧波電流的跟蹤控制，最后通過Matlab對所設計的LCL濾波器與電流跟蹤控制方法進行仿真驗證，并通過實驗平臺對部分理論進行了實驗驗證。仿真與實驗結果表明，該濾波器能夠滿足煤礦提升機運行工況的需要，可以保證煤礦電網的安全可靠運行。