基于有源滤波器的玻璃厂谐波治理研究

韩卫华

（江苏苏华达新材料有限公司，江苏 宿迁223800）

0 引言

随着现代工业的发展，人们对供电质量的要求也越来越高［1－2］。玻璃生产厂存在大量的电力电子设备，这些设备在日常运行过程中会产生一定的谐波，从而大大缩短其使用寿命。因此，通过谐波治理来提高玻璃生产商的竞争力，成为各厂家关注的问题，有必要对其进行研究。

本文通过对江苏苏华达新材料有限公司玻璃生产线的调研，根据玻璃厂非线性负载装机容量的实际情况，确定了包括APF容量、交流滤波电感、直流母线电容等在内的元器件参数，设计了基于比例多谐振PR调节器的谐波电流控制环路。最后在Matlab／Simulink软件平台上搭建APF谐波补偿系统仿真模型，仿真结果证明，系统谐波治理效果良好，为玻璃厂实际的谐波治理提供了参考。

1 谐波检测算法

式中，C32为a—b—c坐标系到α—β坐标系的Clark变换。经过C变换，有功及无功电流为：

经过低通滤波器后得到有功及无功电流中的直流量，三相静止a—b—c坐标系中基波电流值为：

基波电流值与负载电流相减可得APF所需补偿的谐波电流参考值。

2 谐波电流跟踪控制

在三相静止坐标系中建立APF主电路输出电流的微分方程［3］：

变换到两相旋转d—q坐标系为：

本文采用多谐振PR控制器跟踪谐波电流，其传递函数表达式为：

3 仿真分析

江苏苏华达新材料有限公司玻璃生产线最大装机功率为8 000kW，相电压有效值220V条件下单相最大基波负载电流有效值为12 000A。对于谐波畸变率约为30%的三相不控整流负载，按最大装机功率设计APF容量，则需要APF单相最大输出电流有效值为3 600A，三相总容量为2 400kVA。

交流侧滤波电感选型依据以下经验公式：

式中，直流母线电压Udc＝800V；开关频率fs＝20kHz；最大输出电流有效值I＝3 600A；输出电流纹波系数dIm＝10%。

APF交流侧电感取10μH。

直流母线电容选取参考文献［4］，其表达式为：

式中，三相 APF容量S＝2 400kVA；Udc为直流母线电压；ΔU为直流母线电压波动，这里取10V。

经计算，APF直流母线电容值取400mF。

本文用Matlab／Simulink建立APF补偿系统模型。谐波负载及APF主电路参数如表1所示。

表1 APF补偿系统参数

图1（a）所示为半负载条件下投入APF前后A相电流波形。当t＝0～0.04s时，电流 THD为28.67%。t＝0.04s时投入APF，t＝0.10s以后A相电流THD为1.21%，满足谐波畸变率小于5%的要求。

图1（b）所示为投入APF条件下负载由半载变为满载时A相电流波形。t＝0～0.04s时，THD为1.21%。t＝0.04s时由半负载切为满负载运行，t＝0.06s以后电流THD为0.93%。

图1（c）所示为投入APF条件下满负载运行时APF直流母线电压波形。稳态时直流母线电压稳定在800V左右，最大波动电压为8V，符合设计初ΔU＜10V的要求。

图1 仿真波形

该公司生产玻璃日产量20 000重箱，出厂价格80元／重箱，未进行谐波治理时，由于电能质量对玻璃生产质量的影响，玻璃出厂平均价格折损1%，因此通过谐波治理，可为公司减少月损失48万元，减少年损失576万元，大大提高了生产效益。

4 结语

本文根据玻璃厂非线性负载装机容量实际情况，设计了元器件参数。采用基于PR调节器的控制方法，仿真结果表明，该控制算法跟踪精度高、响应速度快。投入基于该控制算法的APF达到了良好的谐波治理效果，为玻璃厂实际谐波治理提供了参考。

［1］王兆安，杨君，刘进军，等.谐波抑制与无功功率补偿［M］.北京：机械工业出版社，2005

［2］林海雪.电能质量指标的完善化及其展望［J］.中国电机工程学报，2014，34（29）：5 073～5 079

［3］徐德鸿.电力电子系统建模及控制［M］.北京：机械工业出版社，2005

［4］张国荣.有源电力滤波器直流侧电容的选择方法［J］.电测与仪表，2010，47（12）：1～3，64