基于軟啟動控制的三相四線制有源電力濾波器

車志霞,張朋飛

(1.衡水電氣化鐵路學校，河北 衡水 053000；2.石家莊鐵道大學 電氣與電子工程學院，河北 石家莊 050043；3.中鐵建電氣化局集團北方工程有限公司，山西 太原 030053)

在我國低壓配電系統中廣泛使用的供電方式是三相四線制[1]，在此供電方式下的主要電氣設備均含電力電子器件，正是這些設備的使用，造成了電網諧波電流的產生。雖然這些設備單臺功率小，產生諧波含量少，但是由于使用數量龐大，使得三相四線系統產生嚴重的諧波問題，對設備安全和用戶正常用電造成威脅。同時這些設備應用在三相四線制系統，當三相負載不平衡時很容易使得中線電流過大，甚至燒毀中線，對系統安全造成嚴重威脅[2]。

因此，三相四線制系統中的諧波抑制、中線電流消除及三相電流平衡將成為三相四線制系統亟待解決的問題[3]。筆者以三相四橋臂有源電力濾波器為主要研究對象，用于治理三相四線制低壓配電系統的諧波問題。

1 有源電力濾波器的結構設計

1.1 有源電力濾波器的工作原理

is=iL+ic=iLf+iLh-iLh=iLf

(1)

1.2 三相四橋臂有源電力濾波器數學模型

三相四橋臂APF結構如圖2所示。其中T1～T8為8個IGBT和反向二極管組成的功率開關器件，L為主電路輸出側電感，電容C為直流側儲能原件。電壓Ua、Ub、Uc、Un為APF主電路四個橋臂的中點相對于端點N的電位差，Udc為直流側電容兩端的電壓，Usa、Usb、Usc分別為電網中的電源電壓，ifa、ifb、ifc為APF主電路輸出的補償電流，ifn是中線電流。

因此，根據基爾霍夫電壓和電流定律可以得到其在abc坐標系下的方程式(2)：

(2)

將abc坐標系下數學模型轉換到dq0坐標系時需要進行Park變化[6-7]，其矩陣變換式為(3)。從而，可以得到四橋臂APF在dq0坐標系下的表達式為(4)：

(3)

(4)

將式(4)在dq0坐標系下的數學模型用框圖的形式表示，如圖3所示。

由圖3知，三相四橋臂主電路的PWM變換器由兩部分構成[8-9]。一部分是由d、q相互耦合的兩個通道構成，即在d軸通道中存在q通道的參數關系，當任一軸參數變化時均會引起另一軸的參數變化；另一部分是由完全獨立且與d、q軸無耦合關系的0軸通道組成。因此若實現各軸單獨控制，則需進行解耦控制，通過使用被控對象if的反饋值和電源電壓Us的前饋來達到各軸之間完全解耦的目的。圖4為電流交叉解耦的控制框圖。

明確了電流交叉解耦的控制方式后，需要確定諧波電流檢測算法，本文使用優化的瞬時無功理論的檢測算法，而在檢測控制環節會用到電壓環控制輸出的變量。因此本節主要研究電壓環控制對于三相四線制APF諧波補償的控制效果。

2 電壓環控制

當明確了系統諧波電流檢測以及電流環控制方式的基礎上，需要確定電壓環的控制。當電壓外環使用傳統PI控制方式時，其控制原理框圖如圖5所示。通過此控制方式可以實現維持直流側電壓穩定的目的[10]。

經理論分析，當有源電力濾波器直流側僅使用PI控制時，在APF接入電網瞬間，會產生一個很大的沖擊電壓和沖擊電流，從而對系統設備安全造成影響。因此，決定將軟啟動控制方式引入三相四橋臂APF的直流側電壓控制當中，在諧波補償裝置APF接入系統之前，通過限流電阻的接入，先對直流側電壓預充電，當電壓達到一定值后，再切除限流電阻，之后接入APF，再利用PI控制維持直流側電壓的穩定。這樣將軟啟動和PI控制聯合使用，應用在四橋臂APF直流側電壓的控制中，能起到減小沖擊電壓、沖擊電流，穩定直流側電壓的目的。如圖6所示為直流側軟啟動控制原理圖。

在系統啟動之前，三相交流接觸器S1的觸點斷開，此時三相電源通過三相限流電阻給直流側電容預充電，當充電一定時間后直流側電壓達到預定值，此時軟件控制接觸器S1觸點閉合，使限流電阻短路，將APF主電路接入系統，電網電源繼續給電容充電，并通過PI控制，維持直流側電壓的穩定。

3 仿真對比分析

為了驗證所選控制方式的控制效果，需要搭建整體仿真模型，并通過對單獨PI控制和PI+軟啟動控制兩種方式對比分析，從而確定更好的電壓控制方式。本文搭建的仿真模型的諧波源為三相不平衡負載。本系統的部分仿真參數如下：電源為三相交流電，頻率50 Hz；負載為三相不可控整流橋帶RL負載，B相又連接了一個單相RL負載的整流橋；直流側電壓為700 V。如圖7所示是APF整體的仿真模型。

3.1 單獨PI控制仿真分析

在搭建的整體仿真模型下，直流側電壓只使用PI控制，當APF諧波補償裝置在0.035 s時刻接入系統。通過仿真可以得到圖8的直流側電壓變化曲線。圖9是在此控制下，最終得到的補償后網側電流波形。

由圖8和圖9可得，在直流側電壓達到穩定的700 V之前，存在一個很大的沖擊電壓，最大值可以高達900 V。并且在此控制下的補償后網側電流也存在很大的沖擊電流，可以由補償前的負載電流45 A，突變到沖擊電流600 A，然而這樣大的沖擊電流很容易造成器件的損壞。因此，針對系統啟動時因直流側單獨PI控制所引起的電壓、電流過沖問題，需要找到更好的解決方法。為此，提出將軟啟動控制方式引入三相四橋臂的APF諧波補償裝置的研究中，它能起到減小電壓、電流沖擊波，穩定直流側電壓的目的。

3.2 PI+軟啟動控制仿真分析

為了驗證軟啟動在APF設計中的控制效果，在其他條件不變的前提下，將軟啟動控制引入系統，進行仿真分析。加入軟啟動之后的補償后網側電流波形如圖10所示。

由圖10得，將軟啟動引入四橋臂APF的電壓控制中，直流側不再存在沖擊電壓，且網側最大沖擊電流為70 A。

綜合對比兩種直流側控制方式，可得：1)直流側電壓在單獨PI控制時，在電壓穩定在700 V以前，會存在一個很大的沖擊電壓且高達900 V。而加入軟啟動之后，直流側電壓可以平穩到達700 V，整個過程不存在沖擊電壓，且電壓波動較小。2)補償后的網側電流，在加入軟啟動的控制方式與單獨PI控制時相比，最大沖擊電流由600 A降到70 A左右。

因此可以證明，直流側電壓控制時，將軟啟動控制和PI控制聯合使用，可以有效減少APF系統接入電網時產生的沖擊電壓和沖擊電流對電網的影響。從而降低了對設備的損耗以及對電網的沖擊，為其更好應用到工程實踐中起到了一定的意義。

4 總結

針對低壓配電系統廣泛使用三相四線制供電方式，所產生的負載不平衡、電壓畸變導致的電網電流諧波含量高且存在中線電流等情況，設計了三相四橋臂的有源電力濾波器作為補償電網諧波的裝置。在補償裝置設計過程中，主要對電壓環的控制進行研究，并通過仿真的方式對比分析了單獨PI控制和PI+軟啟動的控制方式的控制效果，最終確定了電壓環選用PI+軟啟動的控制方式。