并联有源滤波器在煤矿谐波抑制中的研究与应用

马 诚，李彦斌

(西安工程大学电子信息学院，西安 710048)

随着煤矿大功率运输设备与采煤机组数量的增加以及大功率高性能开关器件的出现，变频调速和串级调速系统变得更加实用，但同时也给矿井电网增加了一定的谐波分量，造成矿井电网污染［1］。这种情况不仅会影响设备正常运行及其使用寿命，还会造成自动控制装置、通信、保护装置的不正常工作。谐波抑制是提高电能质量、保证安全生产的重要手段之一［2］。因此，无论从保障正常运行，还是从井下安全的角度出发，有效治理谐波都具有重要的理论和实际意义。

1 谐波抑制的方法

对负荷电压、电流、功率选定进行仿真，并在变电所进行实时监测。通过计算机仿真和数据分析发现:矿井通风机串级调速装置有谐波存在，并在总进线测试中发现:主要是5、7、11和13次谐波电流，谐波总畸变率严重超标［2］。

通常从以下两方面进行谐波抑制:一是对电力系统中主要谐波源的电气设备进行改造，减少谐波的产生;二是采用谐波补偿装置补偿非线性负载电流，安装滤波装置。本文采用谐波补偿装置进行抑制。补偿装置有无源滤波器PPF、有源滤波器 APF［3］。

1.1 无源滤波器

无源滤波器(passive power filter)又称LC滤波器，是由电感、电容与电阻按照一定的参数配置，组合设计而成的滤波电路。其实质是保留基波而使谐波短路，通过滤波器直接流回谐波源而不注入系统。

1.2 有源滤波器

有源滤波器(active power filter)补偿电网中的谐波和无功功率，可以对幅值和频率实时变化的谐波进行动态跟踪补偿，且不会被系统的阻抗所影响［4］。按照不同的连接方式可分为串联型、并联型和混合型，根据矿井负载的形式，本文通过并联有源滤波器进行负载的谐波补偿。

2 并联有源滤波器的工作原理

并联有源滤波器的控制电路由指令电流运算电路和补偿电流发生器组成［5］。检测补偿对象的电流，经指令电流运算电路计算，再由补偿电流发生电路的放大得出补偿电流。补偿电流与负载电流中要补偿的谐波电流相抵消，相当于一个谐波电流发生器，产生与之相反的电流，从而抵消负载的有害电流。补偿电流发生器的主电路采用电压型 PWM 变流［6］。

并联型有源滤波器系统的原理如图1所示。图1中:is为电源电流;iL为负载电流;ic为补偿电流;i*c为指令电流;icL为补偿电流与负载电流之和，即 icL=ic+iL。上述原理用一组公式可表述为:

图1 并联有源滤波器原理

3 谐波电流的检测

谐波检测方法直接影响到滤波器的滤波补偿效果，检测越准确，补偿的精度越高;谐波电流检测得越快，补偿的动态响应也会越迅速［7］。有源滤波器需要实时、准确地检测并计算出信号电流，然后进行补偿电流的放大，计算出补偿电流。

日本学者赤木泰文于1984年提出了瞬时无功功率理论，分别对瞬时实功率P和瞬时虚功率Q、瞬时有功电流ip和瞬时无功电流iq进行了定义，故将其称为p-q理论。又通过计算ip和iq得到ip-iq理论，并将其应用于谐波检测［8］。这两种方法都可以实时、精确地检测对称三相电路的谐波值，并且可省去锁相环电路。本文信号电流检测采用三相电路瞬时无功功率的ip-iq法。

把三相电路的电压瞬时值分别设为ea，eb，ec，电流瞬时值分别设为ia，ib，ic。为分析方便，对其进行α-β两相正交变换［9］，有:

其中:

该方法的原理如图2所示［10］。图2中:

该方法的优点在于:只要与a相电网电压ea相位相同的正弦信号和与之对应的余弦信号，通过一个正、余弦信号和一个锁相环(PLL)发生电路即可得到，无需检测三相电压。根据定义可以计算出 ip和 iq［11］。

经LPF滤波得出ip和iq的直流分量和。这里，是由 iaf，ibf，icf产生:

即可计算出iaf，ibf，icf:

进而计算出 iah，ibh，ich。

图2 ip，iq运算方式原理图

4 有源滤波器的控制方法

检测出负载电流中的谐波分量后，有源滤波器要由控制电路来完成对谐波电流的补偿［12］。通过指令信号i*c和实际补偿电流ic瞬时值的比较来控制开关器件的关断与导通，使实际的电流跟踪指令电流信号变化而输出补偿电流。本文采用滞环比较控制法，图3是滞环比较器的瞬时值比较方式原理。将补偿电流的指令信号i*c和实际的补偿电流信号ic进行比较，滞环比较器的输入为两者的偏差Δic。通过滞环比较器产生控制主电路中开关通断的PWM信号，该信号经驱动电路来控制开关器件的通断，从而控制补偿电流ic的变化［13］。

图3 滞环比较器的瞬时值比较方式原理图

5 有源滤波器的仿真及结果分析

利用Matlab仿真软件建立仿真模型。采用Simulink的Powersystems工具箱建立三相电源、谐波负载、检测系统、控制系统以及变流器主电路的仿真模型。

未连接APF时系统中的电流电压波形如图4所示。通过基于瞬时无功功率的ip-iq检测电路，系统检测到的三相中的谐波如图5所示。系统接入APF进行谐波补偿后，负载电流电压的波形如图6所示。

图4 未连接APF时系统中的电流电压波形图

图5 三相电路中的谐波

图6 负载电流电压的波形

表1为给矿井供电系统安装滤波器前后，谐波电流成分、谐波电流含有率及电流总谐波畸变率(THDi)。

表1 电流主要谐波成分 %

滤波前电流发生严重畸变，其中 5，7，11，13次谐波含量都非常大，电流的总畸变率THD为25.09%，投入并联有源滤波器后 THD减小到4.82%，同时系统电流中的各次谐波的含有率降低，系统输入电流已接近正弦波，基本符合标准。

以上仿真结果表明:并联型有源电力滤波器能够对井下负荷产生的谐波进行较好的补偿。证明本文并联有源电力滤波器仿真的正确性和检测及控制方式的可行性，具有实际的应用价值。

6 结束语

为了使矿井供电系统有效运行，同时具有较高的电能质量，需要对谐波进行抑制。本文搭建了三相并联有源滤波器动态仿真模型并进行了仿真试验。通过分析发现:补偿电流能够有效地治理谐波电流，减少了 5、7、11、13次谐波的含量。证明并联有源滤波器能有效抑制谐波，适宜在矿井供电系统中广泛应用。

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