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盛麗萍
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：zhenduimuqianyouyuanlvboqiyingyongyukuangquxiebozhilishidianwangpinlvshiyingnenglijiaodidewenti，zhenduidingcaiyangdianshuzikongzhixitongtichuleyizhongjuyoupinlvzishiyingnenglidexiezhenkongzhicelve。gaicelvebujinkeyishixianduidianwangpinlvbodongdezishiying，tigaolvboqibuchangxiaoguo，erqiebuxuyaozaixianduikongzhiqicanshujinxinggengxin，suanfajiandan。*後通過實驗驗證了所提方法的可行性和有效性。
關鍵詞：礦區諧波治理；有源濾波器；頻率波動；自適應
0引言
隨(sui)著(zhe)電(dian)力(li)電(dian)子(zi)技(ji)術(shu)的(de)快(kuai)速(su)發(fa)展(zhan)，以(yi)晶(jing)閘(zha)管(guan)為(wei)代(dai)表(biao)的(de)相(xiang)控(kong)整(zheng)流(liu)裝(zhuang)置(zhi)在(zai)礦(kuang)業(ye)生(sheng)產(chan)中(zhong)得(de)到(dao)越(yue)來(lai)越(yue)廣(guang)泛(fan)的(de)應(ying)用(yong)。然(ran)而(er)，相(xiang)控(kong)整(zheng)流(liu)器(qi)在(zai)運(yun)行(xing)時(shi)會(hui)在(zai)電(dian)網(wang)中(zhong)產(chan)生(sheng)大(da)量(liang)諧(xie)波(bo)，尤(you)其(qi)是(shi)礦(kuang)區(qu)電(dian)網(wang)通(tong)常(chang)位(wei)於(yu)相(xiang)對(dui)偏(pian)遠(yuan)的(de)地(di)區(qu)，電(dian)網(wang)等(deng)效(xiao)阻(zu)抗(kang)較(jiao)大(da)，諧(xie)波(bo)電(dian)流(liu)的(de)注(zhu)入(ru)會(hui)導(dao)致(zhi)機(ji)端(duan)電(dian)壓(ya)的(de)進(jin)一(yi)步(bu)畸(ji)變(bian)，嚴(yan)重(zhong)影(ying)響(xiang)到(dao)礦(kuang)區(qu)電(dian)網(wang)的(de)質(zhi)量(liang)，威(wei)脅(xie)到(dao)敏(min)感(gan)用(yong)電(dian)負(fu)荷(he)的(de)安(an)全(quan)運(yun)行(xing)，給(gei)整(zheng)個(ge)礦(kuang)區(qu)的(de)生(sheng)產(chan)帶(dai)來(lai)安(an)全(quan)隱(yin)患(huan)。
caiyonganzhuangwuyuanlvboqidefangfayidingchengdushangkeshixianlvbodezuoyong，danshiqilvboxiaoguohuishoudaodianwangdengzhizukangdengcanshudeyingxiang，ciwai，zaicanshuxuanzebuheshishikenengyinfaxiezhen，daozhilvboqishaohui。yuwuyuanlvboqixiangbi，yiIGBT為開關元件的有源濾波器（APF）具有多種優點，比如補償效果不受電路參數影響、可選次諧波濾除等，近年來在礦區電網中的應用越來越廣泛。
為(wei)了(le)提(ti)高(gao)有(you)源(yuan)濾(lv)波(bo)器(qi)對(dui)諧(xie)波(bo)指(zhi)令(ling)的(de)跟(gen)蹤(zong)精(jing)度(du)，目(mu)前(qian)通(tong)常(chang)采(cai)用(yong)基(ji)於(yu)內(nei)模(mo)原(yuan)理(li)的(de)諧(xie)振(zhen)控(kong)製(zhi)器(qi)。諧(xie)振(zhen)控(kong)製(zhi)器(qi)具(ju)有(you)對(dui)諧(xie)振(zhen)頻(pin)率(lv)處(chu)交(jiao)流(liu)信(xin)號(hao)無(wu)靜(jing)差(cha)跟(gen)蹤(zong)的(de)能(neng)力(li)，然(ran)而(er)，實(shi)際(ji)中(zhong)電(dian)網(wang)的(de)頻(pin)率(lv)並(bing)非(fei)固(gu)定(ding)不(bu)變(bian)，而(er)是(shi)在(zai)50Hz（對我國電網來講）附近波動，通常波動範圍為±0.5Hz。實shi際ji中zhong電dian網wang頻pin率lv的de波bo動dong將jiang導dao致zhi諧xie振zhen控kong製zhi器qi的de頻pin率lv與yu實shi際ji諧xie波bo頻pin率lv不bu一yi致zhi，降jiang低di控kong製zhi器qi的de跟gen蹤zong能neng力li，進jin而er影ying響xiang到dao有you源yuan濾lv波bo器qi的de諧xie波bo補bu償chang效xiao果guo。為wei此ci，本ben文wen針zhen對dui定ding采cai樣yang點dianAPF控kong製zhi係xi統tong，提ti出chu了le一yi種zhong具ju有you電dian網wang頻pin率lv自zi適shi應ying能neng力li的de諧xie振zhen控kong製zhi器qi數shu字zi算suan法fa。由you於yu充chong分fen利li用yong了le定ding采cai樣yang點dian控kong製zhi係xi統tong的de特te點dian，在zai實shi現xian頻pin率lv自zi適shi應ying的de同tong時shi，保bao證zheng了le諧xie振zhen控kong製zhi算suan法fa中zhong參can數shu的de常chang數shu化hua，即ji無wu需xu在zai電dian網wang頻pin率lv變bian化hua時shi對dui控kong製zhi參can數shu進jin行xing調tiao整zheng，不bu僅jin算suan法fa簡jian單dan，而er且qie增zeng強qiang了leAPF對電網頻率的魯棒性。*後通過實驗驗證了改進控製策略的可行性和有效性。
1APF控製係統的數學模型與比例係數設計
三相APF的主電路及自然坐標係下的電流控製原理如圖1所示。三相MPR控製器的輸出首先與對應相的電網電壓疊加在一起構成電網電壓前饋，再和三角載波進行比較生產各開關管的PWM信號。
假設三相係統對稱，此時可將三相係統等效為3個獨立的單相係統進行建模，以A相為例，此時根據圖1可得自然坐標係下APF的輸出電流控製框圖。
如圖2所示
圖1APF係統中電流諧振控製原理
uga、ugb、ugc，三相電源電壓Lf、Rf，並網濾波電感及其等值電阻iga、igb、igc，APF的三相輸出電流Udc、直流側電壓MPR、多諧振控製器iga、ref、igb、ref、igc、ref，APF的三相輸出電流給定，其中包含了控製直流側電壓平均值恒定所需的有功電流分量和諧波電流指令。
圖2自然坐標係下APF輸出電流控製框圖GMPR（s）
GMPR（s）：多諧振控製器的傳遞函數，Gd（s）：數字控製和PWM調製引入的延時傳遞函數，通常取1.5個開關周期GL（s）被控對象傳遞函數，即APF輸出濾波電感
式中Ts———采樣周期。
本文APF在1個基波周期的采樣點數為200，對應的采樣周期Ts=0.0001s。
多(duo)諧(xie)振(zhen)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)主(zhu)要(yao)作(zuo)用(yong)是(shi)在(zai)相(xiang)應(ying)諧(xie)振(zhen)頻(pin)率(lv)下(xia)提(ti)供(gong)較(jiao)大(da)增(zeng)益(yi)，使(shi)得(de)係(xi)統(tong)的(de)穩(wen)態(tai)誤(wu)差(cha)較(jiao)小(xiao)，為(wei)了(le)保(bao)證(zheng)係(xi)統(tong)在(zai)暫(zan)態(tai)過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)響(xiang)應(ying)速(su)度(du)，實(shi)際(ji)中(zhong)應(ying)將(jiang)多(duo)諧(xie)振(zhen)控(kong)製(zhi)器(qi)與(yu)比(bi)例(li)控(kong)製(zhi)器(qi)並(bing)聯(lian)使(shi)用(yong)。由(you)於(yu)係(xi)統(tong)的(de)響(xiang)應(ying)速(su)度(du)，即(ji)係(xi)統(tong)的(de)開(kai)環(huan)穿(chuan)越(yue)頻(pin)率(lv)基(ji)本(ben)不(bu)受(shou)多(duo)諧(xie)振(zhen)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)影(ying)響(xiang)，其(qi)主(zhu)要(yao)受(shou)比(bi)例(li)係(xi)數(shu)的(de)影(ying)響(xiang)，因(yin)此(ci)在(zai)設(she)計(ji)係(xi)統(tong)開(kai)環(huan)穿(chuan)越(yue)頻(pin)率(lv)時(shi)可(ke)以(yi)不(bu)考(kao)慮(lv)多(duo)諧(xie)振(zhen)控(kong)製(zhi)器(qi)，僅(jin)僅(jin)考(kao)慮(lv)比(bi)例(li)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)作(zuo)用(yong)，根(gen)據(ju)圖(tu)2可得此時係統的開環傳遞函數為：
式中Kp——比例係數。
對於數字控製的電力電子變流器，綜合考慮係統的穩定裕度和動態響應速度，通常將係統的開環穿越頻率設置為采樣頻率的1/10。文中APF係統的主要參數：
 
根據以上參數，結合式（1）、式（2）和式（3）可知，將係統的開環穿越頻率設置在1kHz時，應取比例係數Kp=3.1，此時係統的開環bode圖如圖3所示。
圖3僅比例控製器下APF開環控製係統的bode圖
2傳統和改進選振控製器的離散域描述及其電網頻率魯棒性分析
(1)傳統PR控製器的離散域描述及其電網頻率魯棒性分析
單一的諧振控製器能夠在其諧振頻率下提供較大的增益可大幅提高控製係統對諧振頻率下交流信號的跟蹤能力。其在，s域下可表示為：
在數字控製係統中，首先要將式（4）所描述的PR控製算法進行離散化。需要注意的是，不同的離散化算法對PR控製器的性能會有較大影響，比如，采用後向差分或雙線性變換對式（4）進行離散化時會導致諧振峰偏移，且這種影響隨著PR控製器諧振頻率的增大而增大，因此，實際中多采用預修正的Tustin變換對式（4）進行離散化，從而避免離散化後PR控製器諧振峰的偏移。采用預修正Tustin變換時s域到z域的映射關係。
將式（5）代入到式（4）可得傳統諧振控製器的離散域描述
式(6)和式(7)表明,傳統的諧振控製器離散城算法中包含了采樣周期T、以及諧振頻率,對於定采樣頻率APF控製係統來講,由於T是不變的,PR控製器的諧振頻率隻與有關。如果在控製中采用恒定的,當實際中電網頻率出現波動時,兩者將出現偏差，從而降低諧振控製器的跟蹤性能。以諧振頻率為7次諧波為例,傳統PR的幅頻特性如圖4所示。可見當電網頻率為理想的50Hz時控製器在350Hz處具有非常大的增益,說明此時PR控製器對7次諧波的跟蹤能力較強,但是當電網頻率在+0.5Hz範圍內波動時,將導致7次諧波的頻率在+3.5Hz範圍內波動。由圖4中諧振頻率附近的放大圖可知。隨著電網頻率的波動,PR控製器的增益將發生劇烈變化,比如在346.5Hz及353.5Hz處的增益下降至接近0。說明此時APF係統對7次諧波的跟蹤能力大幅下降。可見傳統的PR控製器對電網頻率的魯棒性較低,電網頻率微小的波動可能導致APF補償效果大幅下降。
（2）改進PR控製器的離散域描述及其電網頻率魯棒性分析
目前並網變流器的數字控製係統主要有定采樣頻率控製係統和定采樣點數控製係統2種。對於定采樣點數控製係統來講，即使電網頻率發生波動，通過鎖相環的調節作用也可保證1個工頻周期的采樣點數不變。為了充分利用固定基波周期采樣點數控製係統的特點，此處引入改進型PR控製器，其離散域描述為：
本文中APF的控製周期為10kHz，1個工頻周期的采樣點數n=200。式（8）表明，在定采樣點數控製係統中，改進後PR控製器數字化算法中的所有參數均為常數，即當電網頻率存在波動時，不必根據變化後的電網頻率對PR控製器的諧振頻率進行頻繁的調節，大大簡化了控製係統的結構，實現了PR控製器諧振頻率與電網頻率的自適應。
以7次諧波為例，電網頻率在±0.5Hz範圍內波動時PR控製器幅頻特性的變化如圖5所示，可見當電網頻率為50Hz，即7次諧波頻率為350Hz時PR控製器的諧振頻率為350Hz；當電網頻率為49.5Hz，即7次諧波頻率為346.5Hz時PR控製器的諧振頻率自動減小至346.5Hz；當電網頻率為50.5Hz，即7次諧波頻率為353.5Hz時PR控製器的諧振頻率則自動增大至353.5Hz。可見電網頻率的波動不會影響到PR控製器在7次諧波處的增益，即不會影響APF係統對7次諧波的跟蹤能力，說明改進的PR控製器對電網頻率的魯棒性較強，電網頻率的波動不會影響APF係統的諧波補償效果。
圖5改進PR控製器的電網頻率魯棒性分析
3實驗驗證
為了進一步驗證上述理論分析的正確性,搭建了額定電流為100A的APF實驗平台,係統開關頻率為10kHz,即係統在1個周波內的采樣點數為200由於實驗條件限製,實驗中無法對電網頻率進行修改,鑒於正常工況下電網頻率並不是嚴格的50Hz.因此采用對比的方法驗證改進諧振控製策略的有效性。將傳統PR控製諧振頻率設定為固定的50Hz時的實驗結果如圖6所示,由圖6可見補償後的網側電流雖得到一定程度的改善,但是仍含有較大的諧波,通過將示波器數據導出至MATLAB後分析表明,此時網側電流的THD為8.3%。作為對比,相同工況下采用改進PR控製後的實驗結果如圖7所示,由圖7可見補償後的網側電流質量得到明顯提高,說明具有頻率自適應能力的諧振控製算法對給定指令的跟蹤能力較強,此時網側電流的THD為3.7%。
上述仿真和實驗結果驗證了改進PR控製算法的有效性。
  
4 安科瑞APF有源濾波器產品選型
4.1產品特點
(1)DSP+FPGA控製方式，響應時間短，全數字控製算法，運行穩定；
(2)一機多能，既可補諧波，又可兼補無功，可對2～51次諧波進行全補償或特定次諧波進行補償；
(3)具有完善的橋臂過流保護、直流過壓保護、裝置過溫保護功能；
(4)模塊化設計，體積小，安裝便利，方便擴容；
(5)采用7英寸大屏幕彩色觸摸屏以實現參數設置和控製，使用方便，易於操作和維護；
(6)輸出端加裝濾波裝置，降低高頻紋波對電力係統的影響；
(7)多機並聯，達到較高的電流輸出等級；
4.2型號說明
4.3尺寸說明
4.4產品實物展示
 
ANAPF有源濾波器
5安科瑞智能電容器產品選型
5.1產品概述
AZC/AZCL係列智能電容器是應用於0.4kV、50Hz低壓配電中用於節省能源、降低線損、提ti高gao功gong率lv因yin數shu和he電dian能neng質zhi量liang的de新xin一yi代dai無wu功gong補bu償chang設she備bei。它ta由you智zhi能neng測ce控kong單dan元yuan，晶jing閘zha管guan複fu合he開kai關guan電dian路lu，線xian路lu保bao護hu單dan元yuan，兩liang台tai共gong補bu或huo一yi台tai分fen補bu低di壓ya電dian力li電dian容rong器qi構gou成cheng。可ke替ti代dai常chang規gui由you熔rong絲si、複合開關或機械式接觸器、熱繼電器、低壓電力電容器、指(zhi)示(shi)燈(deng)等(deng)散(san)件(jian)在(zai)櫃(gui)內(nei)和(he)櫃(gui)麵(mian)由(you)導(dao)線(xian)連(lian)接(jie)而(er)組(zu)成(cheng)的(de)自(zi)動(dong)無(wu)功(gong)補(bu)償(chang)裝(zhuang)置(zhi)。具(ju)有(you)體(ti)積(ji)更(geng)小(xiao)，功(gong)耗(hao)更(geng)低(di)，維(wei)護(hu)方(fang)便(bian)，使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)長(chang)，可(ke)靠(kao)性(xing)高(gao)的(de)特(te)點(dian)，適(shi)應(ying)現(xian)代(dai)電(dian)網(wang)對(dui)無(wu)功(gong)補(bu)償(chang)的(de)更(geng)高(gao)要(yao)求(qiu)。
AZC/AZCL係列智能電容器采用定式LCD液晶顯示器，可顯示三相母線電壓、三相母線電流、三相功率因數、頻率、電容器路數及投切狀態、有功功率、無功功率、諧波電壓總畸變率、電容器溫度等。通過內部晶閘管複合開關電路，自動尋找適宜投入（切除）點，實現過零投切，具有過壓保護、缺相保護、過諧保護、過溫保護等保護功能。
5.2型號說明
AZC係列智能電容器選型：
AZCL係列智能電容器選型：
5.3產品實物展示
 
AZC係列智能電容模塊AZCL係列智能電容模塊
安科瑞無功補償裝置智能電容方案
6結語
本文首先建立了三相APF的數學模型,並對傳統PR控製器的電網頻率魯棒性進行了分析,針對傳統PR控製器電網頻率魯棒性較低的問題和固定基波周期采樣點數控製係統的特點引入了改進的PR控製器離散化算法,該算法不僅實現了PR控製算法中參數的常數化，避免了電網頻率變化時對控製算法的頻繁調節，而且對電網頻率的變化具有自適應性，使得PR控製器的諧振頻率能夠自動追蹤電網頻率的變化，從而減小電網頻率波動對APF補償性能的影響。大幅提高諧振控製器對電網頻率的魯棒性，改善礦“區電網的質量，實驗結果驗證了改進PR控製算法的有效性。
參考文獻
[1]唐筠.基於SVPWM算法的三電平有源電力濾波器的電壓空間矢量調製策略[J].煤礦機械,2017,38(8):14-127.
[2]侯梁,李博森,井敬.自適應有源濾波器在礦區配電網中的應用研究[J].煤礦機械,2020,41(01):145-148.DOI:10.13436/j.mkjx.202001049.
[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.05版.
作者簡介
盛麗萍，女,現任職於安科瑞電氣股份有限公司
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