有源電力濾波在助航燈光供電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

袁偉

中航賽博（北京）機(jī)場(chǎng)建設(shè)有限公司 北京 101308

1 有源電力濾波技術(shù)概述

近年來(lái)，電力電子負(fù)荷和非線性負(fù)荷在工業(yè)應(yīng)用和使用方面的發(fā)展給電力系統(tǒng)帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)對(duì)電能質(zhì)量帶來(lái)了負(fù)面影響。其中最重要的電能質(zhì)量問(wèn)題之一是諧波失真。造成這一問(wèn)題的主要原因可分為軟起動(dòng)整流器和半導(dǎo)體電路器件的增大。非線性負(fù)載會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)電流和電壓波形均勻失真。諧波導(dǎo)致許多問(wèn)題，如高溫電力系統(tǒng)、低功率因數(shù)電器和變壓器[1]。解決諧波問(wèn)題的方法有很多種，傳統(tǒng)的方法是無(wú)源電力濾波器(PPF)。PPF結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由電感電容和電阻組成。這些元素的重新排列給出了一個(gè)新的順序，每個(gè)順序求出特定的諧波。這些濾光片有許多缺點(diǎn)，如共振和不穩(wěn)定性。

有源電力濾波器(APF)為網(wǎng)絡(luò)表示一個(gè)可變電感，其值為諧波放電所需。并聯(lián)型有源濾波器代表了眾所周知的結(jié)構(gòu)，改進(jìn)了畸變機(jī)制、功率因數(shù)、均衡網(wǎng)絡(luò)電流，使零相電流達(dá)到零值。有源濾波器與非線性負(fù)載并聯(lián)。其基本功能是注入相反的負(fù)載電流，以抵消負(fù)載諧波電流。有源電力濾波器由一個(gè)高頻率控制的直流靜態(tài)變換器和一個(gè)測(cè)量負(fù)載電流并為半導(dǎo)體元件產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)以在網(wǎng)絡(luò)中注入適當(dāng)?shù)碾娏鞯乃惴ńM成。

2 助航燈光供電系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

信標(biāo)燈是安裝在某些航標(biāo)上的一種交通信號(hào)燈，為夜間航行的船舶提供安全保障。信標(biāo)燈大多使用電池作為能源，有些使用風(fēng)能和機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。大型燈塔大多使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。電池電源存在容量有限、供電時(shí)間短、供電補(bǔ)充時(shí)間長(zhǎng)、補(bǔ)充困難、補(bǔ)充成本高等問(wèn)題[1-2]。隨著新能源技術(shù)的發(fā)展，太陽(yáng)能成為一種取之不盡、用之不竭的環(huán)境友好能源，極大地解決了能源問(wèn)題，大大降低了使用成本。國(guó)外對(duì)太陽(yáng)能組合導(dǎo)航燈的研究比國(guó)內(nèi)要早得多。美國(guó)、日本、新西蘭等國(guó)早在20世紀(jì)90年代末就開(kāi)始了這項(xiàng)研究，并取得了很大的成果。然而，由于太陽(yáng)能電池板的強(qiáng)指向性，它不易吸收太陽(yáng)，體積大。這只適用于燈塔，海岸標(biāo)志和海洋標(biāo)志。與此同時(shí)，在我國(guó)的內(nèi)河航道上廣泛推廣這一技術(shù)既昂貴又困難。波浪能是一種可再生、清潔的能源，儲(chǔ)量豐富，是一種潛力巨大的新能源。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的成熟為解決波浪能發(fā)電不穩(wěn)定問(wèn)題提供了支持。從能量密度的角度來(lái)看，波浪能是風(fēng)能的4至30倍。如果海洋中的波浪能得到有效開(kāi)發(fā)，其帶來(lái)的效益將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)風(fēng)能和太陽(yáng)能。波浪能商業(yè)化的主要障礙是成本。

3 系統(tǒng)建模分析

3.1 方案設(shè)計(jì)

并聯(lián)型電力有源濾波器廣泛應(yīng)用于非線性不對(duì)稱(chēng)負(fù)荷的三相供電系統(tǒng)中，以減小上述特定負(fù)荷對(duì)其他用戶(hù)的影響，提高電能質(zhì)量。目前，有許多方法可以綜合電力有源濾波器控制系統(tǒng)，其中大多數(shù)方法可以創(chuàng)造出具有所需性能的高效算法。所有PAF控制算法的基礎(chǔ)是補(bǔ)償器電流的開(kāi)發(fā)，補(bǔ)償器電流的計(jì)算借助于三相PSS電壓電流傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行。通常，補(bǔ)償器電流按照供電系統(tǒng)相電壓的比例計(jì)算。對(duì)科學(xué)出版物的分析揭示了確定相電壓測(cè)量位置的兩種根本不同的方法：第一種方法位于電源終端（即變電站）；第二種方法位于兼容負(fù)載連接位置參考電壓值的顯著不同對(duì)利用PAF進(jìn)行相電流的定性補(bǔ)償有不同的影響；然而，這兩種電壓傳感器安裝方式的比較尚未在科學(xué)出版物中進(jìn)行過(guò)研究。

3.2 基于 PAF 的三相電力系統(tǒng)穩(wěn)定器建模分析

為了驗(yàn)證測(cè)量三相PSS的瞬時(shí)電壓值對(duì)負(fù)載端的正面影響，將使用額定功率為400kW的非線性非對(duì)稱(chēng)負(fù)載PSS的matlab模型。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中連接電纜線的電感值在1～100μH之間變化，并測(cè)量了電源的定量和定性指標(biāo)。分別測(cè)量電源端與負(fù)載端斷開(kāi)時(shí)的相電壓瞬時(shí)值和負(fù)載端的相電壓瞬時(shí)值；同時(shí)測(cè)量電源和負(fù)荷端的相電壓瞬時(shí)值。通過(guò)對(duì)帶有 PAF 的三相 PSS等效電路的分析，指出在電源系統(tǒng)運(yùn)行的對(duì)稱(chēng)模式下，對(duì)電源和負(fù)載端的相電壓瞬時(shí)值的測(cè)量在效率方面得到了相似的結(jié)果。當(dāng)電源系統(tǒng)在非對(duì)稱(chēng)模式下運(yùn)行時(shí)，測(cè)量負(fù)載端的瞬時(shí)相電壓值對(duì)提高效率有正面影響。如果在電源端測(cè)量相電壓，增加連接電纜線路的電感會(huì)對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)的效率和相電壓、電流的非線性畸變系數(shù)產(chǎn)生負(fù)面影響。測(cè)量負(fù)載端的相電壓消除了顯著的負(fù)面影響，使轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更能抵抗電源系統(tǒng)外部參數(shù)的變化。為了使并聯(lián)型電力有源濾波器在實(shí)際供電系統(tǒng)中得到實(shí)際應(yīng)用，應(yīng)充分利用電壓傳感器在負(fù)載端或PAF與供電網(wǎng)絡(luò)連接處的安裝。

4 三相四線配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)背景

三相四線制配電系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于辦公大樓、商業(yè)綜合體、制造設(shè)施等場(chǎng)所，用于低壓供電。三相四線制配電系統(tǒng)的典型負(fù)荷可能是計(jì)算機(jī)相關(guān)設(shè)備、辦公自動(dòng)化設(shè)備、可調(diào)速驅(qū)動(dòng)器、照明鎮(zhèn)流器和其他電力電子相關(guān)設(shè)備。這些負(fù)荷可以是單相或三相負(fù)荷。這些負(fù)載大多具有非線性輸入特性，可能產(chǎn)生高輸入電流諧波和嚴(yán)重的零序電流問(wèn)題。三相四線制配電系統(tǒng)的中性線是零序電流的電流通路。單相非線性負(fù)載的輸入電流中含有不同的諧波分量，其中一些諧波分量可能產(chǎn)生較大的零序電流。此外，三相單相負(fù)荷可能分布不均勻，導(dǎo)致嚴(yán)重的負(fù)荷不平衡和明顯的零序基波分量。由于不平衡負(fù)荷電流的零序諧波分量和零序基波分量均流入中性線，可能導(dǎo)致三相四線制配電系統(tǒng)中性線過(guò)載。因此，三相四線制配電系統(tǒng)存在諧波污染、負(fù)荷不平衡和中性線過(guò)載等問(wèn)題。解決三相四線制配電系統(tǒng)問(wèn)題的傳統(tǒng)方法有：

（1）采用高額定功率配電變壓器和中性導(dǎo)線，防止過(guò)載。然而，這種方法不能解決諧波問(wèn)題；

（2）安裝三個(gè)單相無(wú)源電力濾波器，但該方法存在串并聯(lián)諧振的隱患；

（3）采用之字形變壓器抑制中性電流。然而，這種方法雖然可以解決中性導(dǎo)線的問(wèn)題，但不能解決諧波問(wèn)題；

（4）安裝三相四線制有源電力濾波器。該方法能有效地解決中性點(diǎn)導(dǎo)線的諧波污染、負(fù)荷不平衡和過(guò)載等問(wèn)題。因此，只有三相四線制有源電力濾波器才能有效地解決三相四線制配電系統(tǒng)中的諧波污染、負(fù)荷不平衡和中性線過(guò)載等問(wèn)題。因此，三相四線制有源電力濾波器的性能優(yōu)于其他常規(guī)方法。然而，成本高于其他方法[3]。

傳統(tǒng)的三相三線制有源電力濾波器，包括三臂功率變換器或帶有分裂電容器的兩臂功率變換器，用于補(bǔ)償三相三線制配電系統(tǒng)中的諧波電流。相比之下，三相四線制有源電力濾波器，包括四臂功率變換器或三臂分體電容功率變換器，用于補(bǔ)償三相四線制配電系統(tǒng)中的諧波電流。如果三相有源電力濾波器能同時(shí)應(yīng)用于三相三線制和三相四線制配電系統(tǒng)，廠家只需研制三相三線制有源電力濾波器。因此，它們可以節(jié)省時(shí)間，降低研究和開(kāi)發(fā)三相四線制有源電力濾波器的成本。本文提出了一種由三相三線制有源電力濾波器和鋸齒型變壓器組成的三相四線制電力濾波器。這種配置的優(yōu)點(diǎn)是不再需要開(kāi)發(fā)三相四線制有源電力濾波器技術(shù)。此外，與三相四線制有源電力濾波器相比，功率變換器的額定功率也有所降低。實(shí)現(xiàn)了一個(gè)硬件樣機(jī)并進(jìn)行了測(cè)試，驗(yàn)證了該三相四線制電力濾波器的性能。

4.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理

該電力濾波器由三相三線制有源電力濾波器和鋸齒型變壓器組成。之字形變壓器作為負(fù)載電流零序分量的通路。三相三線制有源電力濾波器的主要作用是濾除負(fù)載引起的正、負(fù)序諧波電流分量，并迫使負(fù)載電流與負(fù)載電壓的正序分量同時(shí)平衡和同步。由于負(fù)載電流的零序分量會(huì)流入z字形變壓器，而且不需要有源電力濾波器對(duì)負(fù)載電流的零序分量進(jìn)行補(bǔ)償，因此可以有效地降低功率變換器的額定功率。三相四線制電力濾波器中，功率變換器的節(jié)能額定值是由負(fù)載電流的零序分量決定的?；静僮麟娐肥疽鈭D如下：

圖1 電路示意圖

4.3 三相三線制有源電力濾波器設(shè)計(jì)

有源濾波器的作用是同時(shí)補(bǔ)償無(wú)功功率和消除非線性負(fù)載引起的諧波分量。換句話說(shuō)，有源電力濾波器是用來(lái)迫使電力公司的電流是一個(gè)正弦波形，并在電力公司的電壓時(shí)，平衡。因此，擬議的 APF 的控制對(duì)象是直接的效用電流。這種方法的要點(diǎn)是，控制器中的命令是效用電流，而不是轉(zhuǎn)換器的輸出電流，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)其他有源電力濾波器控制方法使用。由于之字形變壓器是連接有源電力濾波器和負(fù)載之間，它可以補(bǔ)償負(fù)載電流的零序分量。有源電力濾波器的三相負(fù)載電流只包含正序和負(fù)序分量，進(jìn)一步分析，有源電力濾波器具有補(bǔ)償無(wú)功功率和抑制諧波電流的功能，所以補(bǔ)償后的期望三相效用電流為正弦平衡電流。因此，補(bǔ)償后的期望效用電流只包含正序基本分量，這種方法的基本概念是，在不考慮負(fù)載特性的情況下，迫使三相效用電流達(dá)到平衡。因此，期望的三相效用電流的波形和相位是預(yù)先知道的，唯一未知的參數(shù)是它們的振幅。三相效用電流的幅值可以通過(guò)效用、有源濾波器和負(fù)載之間的功率平衡來(lái)確定。功率變換器直流側(cè)的直流電容起到能量緩沖的作用，在穩(wěn)態(tài)條件下為功率變換器提供穩(wěn)定的直流電壓。如果電力公司提供的實(shí)際功率不能滿(mǎn)足要求的實(shí)際負(fù)載功率，必須將實(shí)際功率的差值注入直流電容器或由直流電容器提供。負(fù)荷的動(dòng)用電壓幅值和實(shí)際功率需求是不可控的，只有通過(guò)控制動(dòng)用電流的幅值才能控制實(shí)際功率的差值。如果直流電容電壓低于穩(wěn)態(tài)值，則必須增大實(shí)用電流的幅值，以增加實(shí)際功率的差值。相反，當(dāng)直流電容電壓大于穩(wěn)態(tài)值時(shí)，為了減小實(shí)際功率的差值，必須減小實(shí)用電流的幅值。因此，可以通過(guò)控制直流電容電壓的幅值來(lái)獲得實(shí)用電流的幅值。控制電路只能用來(lái)確定實(shí)用電流的幅值。此外，由于傳統(tǒng)有源電力濾波器中的電流傳感器僅檢測(cè)三相電力電流，因此可以避免傳統(tǒng)有源電力濾波器中用于檢測(cè)負(fù)載電流和有源電力濾波器輸出電流的電流傳感器的匹配調(diào)整。這簡(jiǎn)化了控制電路，減少了電流傳感器的數(shù)量[4]。

5 結(jié)束語(yǔ)

三相四線制配電系統(tǒng)不僅面臨著諧波污染問(wèn)題，而且還面臨著中性線過(guò)載電流問(wèn)題。本文提出了一種由三相三線有源電力濾波器和鋸齒型變壓器組成的三相四線制電力濾波器。三相四線制電力濾波器與三相四線制有源電力濾波器的比較結(jié)果見(jiàn)表二。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在有限的零序效用電壓下，該電力濾波器具有理想的性能。