馬 誠(chéng)，李彥斌

(西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，西安 710048)

隨著煤礦大功率運(yùn)輸設(shè)備與采煤機(jī)組數(shù)量的增加以及大功率高性能開(kāi)關(guān)器件的出現(xiàn)，變頻調(diào)速和串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)變得更加實(shí)用，但同時(shí)也給礦井電網(wǎng)增加了一定的諧波分量，造成礦井電網(wǎng)污染［1］。這種情況不僅會(huì)影響設(shè)備正常運(yùn)行及其使用壽命，還會(huì)造成自動(dòng)控制裝置、通信、保護(hù)裝置的不正常工作。諧波抑制是提高電能質(zhì)量、保證安全生產(chǎn)的重要手段之一［2］。因此，無(wú)論從保障正常運(yùn)行，還是從井下安全的角度出發(fā)，有效治理諧波都具有重要的理論和實(shí)際意義。

1 諧波抑制的方法

對(duì)負(fù)荷電壓、電流、功率選定進(jìn)行仿真，并在變電所進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真和數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn):礦井通風(fēng)機(jī)串級(jí)調(diào)速裝置有諧波存在，并在總進(jìn)線測(cè)試中發(fā)現(xiàn):主要是5、7、11和13次諧波電流，諧波總畸變率嚴(yán)重超標(biāo)［2］。

通常從以下兩方面進(jìn)行諧波抑制:一是對(duì)電力系統(tǒng)中主要諧波源的電氣設(shè)備進(jìn)行改造，減少諧波的產(chǎn)生;二是采用諧波補(bǔ)償裝置補(bǔ)償非線性負(fù)載電流，安裝濾波裝置。本文采用諧波補(bǔ)償裝置進(jìn)行抑制。補(bǔ)償裝置有無(wú)源濾波器PPF、有源濾波器 APF［3］。

1.1 無(wú)源濾波器

無(wú)源濾波器(passive power filter)又稱LC濾波器，是由電感、電容與電阻按照一定的參數(shù)配置，組合設(shè)計(jì)而成的濾波電路。其實(shí)質(zhì)是保留基波而使諧波短路，通過(guò)濾波器直接流回諧波源而不注入系統(tǒng)。

1.2 有源濾波器

有源濾波器(active power filter)補(bǔ)償電網(wǎng)中的諧波和無(wú)功功率，可以對(duì)幅值和頻率實(shí)時(shí)變化的諧波進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償，且不會(huì)被系統(tǒng)的阻抗所影響［4］。按照不同的連接方式可分為串聯(lián)型、并聯(lián)型和混合型，根據(jù)礦井負(fù)載的形式，本文通過(guò)并聯(lián)有源濾波器進(jìn)行負(fù)載的諧波補(bǔ)償。

2 并聯(lián)有源濾波器的工作原理

并聯(lián)有源濾波器的控制電路由指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生器組成［5］。檢測(cè)補(bǔ)償對(duì)象的電流，經(jīng)指令電流運(yùn)算電路計(jì)算，再由補(bǔ)償電流發(fā)生電路的放大得出補(bǔ)償電流。補(bǔ)償電流與負(fù)載電流中要補(bǔ)償?shù)闹C波電流相抵消，相當(dāng)于一個(gè)諧波電流發(fā)生器，產(chǎn)生與之相反的電流，從而抵消負(fù)載的有害電流。補(bǔ)償電流發(fā)生器的主電路采用電壓型 PWM 變流［6］。

并聯(lián)型有源濾波器系統(tǒng)的原理如圖1所示。圖1中:is為電源電流;iL為負(fù)載電流;ic為補(bǔ)償電流;i*c為指令電流;icL為補(bǔ)償電流與負(fù)載電流之和，即 icL=ic+iL。上述原理用一組公式可表述為:

圖1 并聯(lián)有源濾波器原理

3 諧波電流的檢測(cè)

諧波檢測(cè)方法直接影響到濾波器的濾波補(bǔ)償效果，檢測(cè)越準(zhǔn)確，補(bǔ)償?shù)木仍礁?諧波電流檢測(cè)得越快，補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)響應(yīng)也會(huì)越迅速［7］。有源濾波器需要實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)并計(jì)算出信號(hào)電流，然后進(jìn)行補(bǔ)償電流的放大，計(jì)算出補(bǔ)償電流。

日本學(xué)者赤木泰文于1984年提出了瞬時(shí)無(wú)功功率理論，分別對(duì)瞬時(shí)實(shí)功率P和瞬時(shí)虛功率Q、瞬時(shí)有功電流ip和瞬時(shí)無(wú)功電流iq進(jìn)行了定義，故將其稱為p-q理論。又通過(guò)計(jì)算ip和iq得到ip-iq理論，并將其應(yīng)用于諧波檢測(cè)［8］。這兩種方法都可以實(shí)時(shí)、精確地檢測(cè)對(duì)稱三相電路的諧波值，并且可省去鎖相環(huán)電路。本文信號(hào)電流檢測(cè)采用三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率的ip-iq法。

把三相電路的電壓瞬時(shí)值分別設(shè)為ea，eb，ec，電流瞬時(shí)值分別設(shè)為ia，ib，ic。為分析方便，對(duì)其進(jìn)行α-β兩相正交變換［9］，有:

其中:

該方法的原理如圖2所示［10］。圖2中:

該方法的優(yōu)點(diǎn)在于:只要與a相電網(wǎng)電壓ea相位相同的正弦信號(hào)和與之對(duì)應(yīng)的余弦信號(hào)，通過(guò)一個(gè)正、余弦信號(hào)和一個(gè)鎖相環(huán)(PLL)發(fā)生電路即可得到，無(wú)需檢測(cè)三相電壓。根據(jù)定義可以計(jì)算出 ip和 iq［11］。

經(jīng)LPF濾波得出ip和iq的直流分量和。這里，是由 iaf，ibf，icf產(chǎn)生:

即可計(jì)算出iaf，ibf，icf:

進(jìn)而計(jì)算出 iah，ibh，ich。

圖2 ip，iq運(yùn)算方式原理圖

4 有源濾波器的控制方法

檢測(cè)出負(fù)載電流中的諧波分量后，有源濾波器要由控制電路來(lái)完成對(duì)諧波電流的補(bǔ)償［12］。通過(guò)指令信號(hào)i*c和實(shí)際補(bǔ)償電流ic瞬時(shí)值的比較來(lái)控制開(kāi)關(guān)器件的關(guān)斷與導(dǎo)通，使實(shí)際的電流跟蹤指令電流信號(hào)變化而輸出補(bǔ)償電流。本文采用滯環(huán)比較控制法，圖3是滯環(huán)比較器的瞬時(shí)值比較方式原理。將補(bǔ)償電流的指令信號(hào)i*c和實(shí)際的補(bǔ)償電流信號(hào)ic進(jìn)行比較，滯環(huán)比較器的輸入為兩者的偏差Δic。通過(guò)滯環(huán)比較器產(chǎn)生控制主電路中開(kāi)關(guān)通斷的PWM信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制開(kāi)關(guān)器件的通斷，從而控制補(bǔ)償電流ic的變化［13］。

圖3 滯環(huán)比較器的瞬時(shí)值比較方式原理圖

5 有源濾波器的仿真及結(jié)果分析

利用Matlab仿真軟件建立仿真模型。采用Simulink的Powersystems工具箱建立三相電源、諧波負(fù)載、檢測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及變流器主電路的仿真模型。

未連接APF時(shí)系統(tǒng)中的電流電壓波形如圖4所示。通過(guò)基于瞬時(shí)無(wú)功功率的ip-iq檢測(cè)電路，系統(tǒng)檢測(cè)到的三相中的諧波如圖5所示。系統(tǒng)接入APF進(jìn)行諧波補(bǔ)償后，負(fù)載電流電壓的波形如圖6所示。

圖4 未連接APF時(shí)系統(tǒng)中的電流電壓波形圖

圖5 三相電路中的諧波

圖6 負(fù)載電流電壓的波形

表1為給礦井供電系統(tǒng)安裝濾波器前后，諧波電流成分、諧波電流含有率及電流總諧波畸變率(THDi)。

表1 電流主要諧波成分 %

濾波前電流發(fā)生嚴(yán)重畸變，其中 5，7，11，13次諧波含量都非常大，電流的總畸變率THD為25.09%，投入并聯(lián)有源濾波器后 THD減小到4.82%，同時(shí)系統(tǒng)電流中的各次諧波的含有率降低，系統(tǒng)輸入電流已接近正弦波，基本符合標(biāo)準(zhǔn)。

以上仿真結(jié)果表明:并聯(lián)型有源電力濾波器能夠?qū)仑?fù)荷產(chǎn)生的諧波進(jìn)行較好的補(bǔ)償。證明本文并聯(lián)有源電力濾波器仿真的正確性和檢測(cè)及控制方式的可行性，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

6 結(jié)束語(yǔ)

為了使礦井供電系統(tǒng)有效運(yùn)行，同時(shí)具有較高的電能質(zhì)量，需要對(duì)諧波進(jìn)行抑制。本文搭建了三相并聯(lián)有源濾波器動(dòng)態(tài)仿真模型并進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn):補(bǔ)償電流能夠有效地治理諧波電流，減少了 5、7、11、13次諧波的含量。證明并聯(lián)有源濾波器能有效抑制諧波，適宜在礦井供電系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。

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