基于LCL滤波的三电平滤波器在煤矿电网的应用

王 峰

(徐州工程学院，江苏 徐州 221111)

1 概 述

随着电力电子技术与控制技术的不断发展，以及大功率电力电子器件的大量使用，在我国煤矿提升机电控设备尤其是直流提升机电控系统中，采用以晶闸管整流电路为基础的全数字电控设备成为主流控制方式。采用晶闸管整流系统为提升机系统提供电源，在提升机运行过程中，势必会产生谐波，污染电网，严重时甚至会影响到其他电气设备的正常运转。对于煤矿电网中谐波产生的原因与危害，文献[1-6]从不同的角度，对晶闸管等电力电子设备供电的提升机电控系统会产生谐波，导致电网功率因数降低、电能质量变差、影响煤矿电网的安全运行问题进行了系统的分析。

对于煤矿电网谐波的治理，最早采用静态补偿方案，后来发展成通过安装高压动态无功补偿及滤波装置[6]等方法来解决。随着电力电子技术的发展，M.Lindgren和 J.Svensson于1995年首先提出了用三阶的LCL滤波器代替传统的单电感滤波器，从而达到了良好的滤波效果，并兼顾低频段的增益和高频段的衰减[7，8]。本文为了解决煤矿电网的谐波问题，采用NPC型三电平拓扑结构设计有源滤波器的主回路，采用电容电流反馈的有源阻尼方法实现对LCL滤波器的稳定性控制问题；对于APF的电流跟踪控制技术，采用基于重复原理的复合控制方法，该方法不仅可以消除跟踪静差，而且实现简单，易于工程应用，最后通过仿真与试验平台对LCL滤波器的性能以及文中所提出了电流跟踪控制策略进行实验验证。通过实验验证，该系统能够有效降低煤矿电网谐波，满足矿井提升机安全运行的需要。

2 基于LCL滤波的APF系统总体设计与数学模型

2.1 系统总体设计

为了解决煤矿电网中提升机类负载电压相对较高、容量大的特点，而电力电子器件特别是IGBT耐压不高，提高有源滤波器的容量，本设计所采用的NPC型三电平变换器作为主电路拓扑结构，并和LCL滤波器一起应用于本文所设计有源滤波器中。基于LCL滤波的NPC型三电平有源滤波器拓扑结构如图1所示。变流器通过LCL滤波器与电网连接，通过改变三电平变流器基本电压空间矢量的组合，保证A、B、C三相桥臂1次只有一个开关器件动作，通过选择合理的矢量组合，就可以得到需要的电流输出，从而达到消除煤矿电网谐波的目的。通过选择合适的冗余矢量，达到降低开关损耗，降低散热设备体积以及提高系统稳定性的目的。

图1 基于LCL滤波的三电平APF拓扑结构

2.2 LCL滤波器数学模型

如果三电平变流器侧等效内阻和电感用R1和L1表示，电网侧等效内阻和电感为R2和L2，滤波电容及其等效内阻用Cd和Rd表示，es为网侧电压，ui为变流器输出电压；就可以得出LCL滤波器的单相等效电路如图2所示。

图2 LCL滤波器等效电路

如果在计算过程中，忽略电感的等效电阻R1和R2，Rd为滤波电容的等效内阻，可以得到APF的输出电压ui到补偿电流i2的传递函数G(s)为：

可求得谐振频率为：

3 LCL滤波器稳定控制与电流跟踪控制策略

3.1 LCL滤波器的稳定性控制

为了保证煤矿电网运行的稳定性，在采用直流供电系统的提升机电网采用基于LCL的APF进行滤波后，为保证滤波器性能的稳定，有多中控制方法。针对无源阻尼方法会增加系统损耗，同时在一定程度上降低滤波效果，本文采用基于滤波电容电流反馈有源阻尼方法来提高其稳定性，通过增加额外的反馈控制来实现谐振抑制，该方法没有附加损耗，且滤除高频谐波的能力优于无源阻尼方法。

3.2 LCL滤波器电流跟踪控制策略

电流跟踪控制技术是有源滤波器的关键技术，决定着有源滤波器性能的好坏。文献[9-11]采用不同的方法，对APF电流控制与预测方法进行了相应的研究。重复控制源于内膜原理，具有对正弦给定信号近乎无静差跟踪的优势，输出波形畸变率低，性能稳定，鲁棒性强，比较适合用于有源滤波器谐波电流跟踪控制。重复控制对周期性出现的扰动信号具有较高的增益，但由于引入了周期性延迟环节，造成了较大的控制滞后，单纯的重复控制并不能满足有源滤波器实时性的要求。如果将传统比例控制与重复控制相结合以达到更优越的控制效果，既保留了比例控制的快速性，又兼顾了重复控制抑制低频谐波的能力，同时易于工程实现。因此，本文则针对传统PI控制器进行有源滤波器内环电流跟踪控制时，无法全频段精确跟踪谐波电流指令信号缺点与不足，一方面采用改进型准PR控制器消除指令电流跟踪过程中的静态误差，并优化其数字化实现方法，另一方面将比例控制与重复控制组合成新型复合控制策略以达到简化控制器的目的。比例控制与重复控制相结合构成的复合控制框图如图3所示。该控制是将比例控制与重复控制并联使用，结构简单，易于实现，在该图中，只要在比例反馈控制稳定的前提下，引入重复控制而不影响原有系统的稳定性，即可保证基于比例重复的复合控制器稳定。

图3 比例重复控制框图

4 仿真与实验验证

4.1 仿真分析

为了验证前述方法的效果，采用基于LCL滤波的有源滤波器控制框图如图4所示，通过采样电容电流值，经一定的比例系数放大后将其反馈到复合控制器的输出，然后叠加网侧电压前馈值，便得到了控制变流器的指令信号。

图4 基于LCL滤波的有源滤波器控制框图

系统仿真参数见表1。

补偿前与补偿后A相电流波形如图5所示，补偿后A相电流频谱分析图如图6所示，电容电流反馈支路投入前后补偿电流对比如图7所示，仿真中设置电容电流反馈支路初始状态断开，在0.2s时投入使用。

由图5和图6可以看出，该采用基于LCL的APF系统进行补偿后负载电流完全正弦，补偿后电流中的毛刺明显减少；由图7可以看出，电容电流反馈指令投入使用前，补偿电流振荡严重，投入使用后振荡立即消失，说明通过电容电流反馈的方法抑制LCL滤波器的谐振方法可行，效果明显，且动态效果良好，完全能够适应直流矿井提升机负载的谐波补偿要求，满足煤矿电网安全运行的需要。

表1 滤波器仿真参数

图5 补偿前后A相电流波形图

图6 补偿后A相电流频谱分析图

图7 突然投入电容电流反馈时A相电流波形图

4.2 实验验证

为了验证该基于LCL滤波的APF性能，搭建三电平有源滤波器实验平台对前述控制策略进行验证。实验装置中的功率变换器为二极管箝位型三电平拓扑结构，开关器件选择适用于中压领域的IGBT，IGBT驱动板采用Concept公司2SP0320x2Ax集成模块，直流侧储能电容采用薄膜电容，并通过电容串并联的形式获得较高的耐压等级，谐波源为二极管不控整流带阻感性负载。AD7606将上述模拟信号转变成数字量，并通过DSP+FPGA数字控制系统运算得到IGBT的开关信号，经驱动电路控制IGBT的通断。实验时参数与表1实验参数一致，得到波形如图8所示。

图8 LCL滤波时补偿前、后A相电流波形

从图8(b)中可以看出，采用LCL滤波的APF进行补偿后A相电流波形正弦度良好，直流侧母线电压稳定在400V，与图8(a)相比，APF输出电流的毛刺较少，说明LCL滤波器滤除高频谐波电流的能力优于传统单电感滤波器。与此同时，由补偿前后A相电流波形可以看出，当有源滤波器投入的瞬间，谐波电流就得到了有效的抑制，系统动态响应快，能够满足煤矿电网的需要。

5 结 语

本文针对煤矿电网尤其是直流提升机供电网采用电力电子装置后，系统存在的谐波问题，设计采用基于LCL滤波的APF进行谐波治理，来达到降低煤矿电网谐波的目的。该滤波器主回路采用NPC型三电平拓扑结构，通过电容电流反馈的有源阻尼方法实现对LCL滤波器的稳定控制，采用比例控制与重复控制相结合构成的复合控制方法实现对谐波电流的跟踪控制，最后通过Matlab对所设计的LCL滤波器与电流跟踪控制方法进行仿真验证，并通过实验平台对部分理论进行了实验验证。仿真与实验结果表明，该滤波器能够满足煤矿提升机运行工况的需要，可以保证煤矿电网的安全可靠运行。