大功率滤波装置的设计及仿真

摘   要：文章针对某10 kV变电站谐波治理的工程需求，设计了一种新型的基波串联谐振注入式混合型有源电力滤波器SRITHAPF，对滤波器进行了软硬件设计和参数整定，并采用Matlab进行仿真验证。结果证明，SRITHAPF对变电站的谐波治理是有效的。

关键词：SRITHAPF;谐波治理;Matlab仿真

在电网中，谐波形成的主要原因有供电品质不高、输配电环节及大量应用非线性设施。由于大量谐波的存在，对电网造成了污染。为了提高电能质量，减少谐波危害，通过引入一些滤波装置，如无源滤波器PF、有源滤波器APF或混合型有源电力滤波器HAPF来抑制谐波的产生。

1    实际工况及方案

10 kV变电站母线低压侧短路容量为130 MVA，其中，主变容量为31 500 kVA，电压为66 kV/10 kV。10 kV母线拥有一条专用轧制线和6台中频炉，装机容量315 kVA，负荷电压0.38 kV。因一些非线性器件在中频炉上的使用，对生产线造成严重的谐波污染。为了提高电能质量保证电网的可靠运行，该站采用电能质量分析仪进行检测，测得该母线中5，7，11谐波值分别为27.085，19.105，13.885，都超过了国家标准值，必须进行治理。在仔细研究了各种类型的HAPF后，提出一种大功率混合型有源滤波器—基波串联谐振注入式混合有源滤波器SRITHAPF，它兼顾了PF和APF的长处，比较适合对中高压系统进行大容量的谐波抑制和无功抵偿[1-2]。SRITHAPF的拓扑结构如图1所示。

SRITHAPF由APF和PF组成。PF由LC支路和谐振注入支路FSRC构成。APF选择PWM电压型智能IGBT模块，其输出端接输出滤波器，目的是消除开关器件开合时产生的毛刺。

2    硬件设计

2.1  APF设计

2.1.1  主电路确定

本文采用三相电压型PWM主电路，型号为CM1000HA-24H，如图2所示。设三相电源电压之和ea+eb+ec=0，由该电路有ica+icb+icc=0可得出描述主电路的微分方程为：

上式中，kaUdc，kbUdc，kcUdc每个桥臂的中点与电源的中点之间的电压;ka，kb，kc为开合系数，ka+kb+kc=0。对于a相当ica

为了使实际抵偿电流ica很好地追踪指令电流i*ca，要满足式（5）：

则直流侧电压表示为：

通常为了防止开关器件工作时的冲击电压，应把直流端电容额定电压选大一些，可取Udc =1 100 V。在工程中APF直流端电容的计算公式为：

由式（8）确定直流侧电容值为5 000 uF。

2.1.2  IGBT器件选择及驱动电路

门极可关断晶体管（Gate Turn Off thruster，GTO）和IGBT是目前广泛应用的主要半导体器件。根据该站的实际情况，本文选用三菱公司的IGBT模块CM1000HA-24H，它的性价比高。主电路与控制电路由驱动电路连接。为了提高系统的兼容性，驱动芯片也选三菱M57962L[3]。

输出滤波器设计。输出滤波器（Output Filter，OF）用于消除高频信号。文中选择LC滤波器。对于APF而言在动态情况下，电容的大小影响跟踪速度及补偿效果。因此，在设计开关纹波滤波器时应使C值不能过大。总之OF的参数整定具体可参考相关文献。

2.2  PF设计

PF由L，C和R组成，其功能是通过对一定频率的谐波发生串联共振，来实现谐波抑制。

2.2.1  容量确定

在工程中，为了保证滤波设备的可靠运行，所在电网基频和调谐频率电流决定PF中L和C的值。LC的容量方程为：

式中U2为基波相电压，In为n次谐波电流。

2.2.2  价格及品质因数确定

为了保证设备的性价比较高，若L，C的单位容量造价是P与H，那么PF滤波器的造价可表示为：

在工程中，品质因数Q的最优值可以通过以下方法确定：

其中，e和t是电网的最大阻抗角及最大频率偏差。

3    软件设计

文中选用德州仪器公司开发的32位定点数字信号处理技术（Digital Signal Processing，DSP）芯片TMS320F2812作为主控芯片。为了保证抵偿电流跟踪的实时性，本文选用PI控制的三角波跟踪控制方式，电流检测方法选择基于瞬时无功功率理论的ip-iq检测算法。

（1）主程序主要完成系统的初始化，如图3所示。

（2）子程序包括初始化子程序和中断子程序，如图4—5所示。

4    仿真验证

4.1  SRITHAPF的参数及仿真模型

SRITHAPF系统的Matlab仿真参数设为：三相电源线电压为10 kV，频率50 Hz;非线性负载为三相感性整流桥，基波串聯谐振支路的电感为14.55 mH，电容为69 μF，注入电容为19.63 μF。输出滤波器的电感和电容分别为0.5 mH和120 μF;PF的参数为：5次PF的电感、电容为6.5 mH，66.4 μF;7次PF的电感、电容为13.66 mH，15.42 μF，逆变器直流侧电压为1 100 V。通过Matlab软件搭建的模型如图6所示。

4.2  仿真結果

根据给定的仿真参数以A相为例得到SRITHAPF投入前后的波形如下所示。其中，LPF为二阶滤波器，开关频率为10 kHz，采样间隔为1/5 096。

（1）APF直流侧电容电压波形如图7所示。

从波形看出，系统从0.01 s开始运行到1 100 V设定值，所需时间约为0.05 s，可见直流端电压反应迅速。

（2）SRITHAPF投入前后A相负荷电流及频谱如图8所示。

（3）谐波跟踪关系如图9所示。

由图8看出，补偿前A相负载电流波形畸变为双峰波，负载中主要包含基波、5次、7次、11次等奇次谐波，总畸变率为24.72%。虽然在接入SRITHAPF装置后各环节之间会产生一定的延时误差，但在经过0.04 s后，补偿效果是令人满意的，波形接近正弦波，总失真率下降到2.60%。如图9所示的抵偿电流可以实时准确地跟踪谐波电流[4]。

4.3  SRITHAPF的功能验证

为了测试SRITHAPF在混合电流模式下谐波的产生能力，搭建了实物并使用高清数字成像仪测试。使IGBT的开关频率为6.4 kHz，非线性负荷作为谐波发生装置，能发出任意次的谐波电流。图10是所测波形，I1是电网电流，I2是模拟负荷电流，I3是抵偿设备SRITHAPF的电流。当无功补偿电流为303.2 A和600.7 A时，波形如图10所示。

在两种补偿条件下电流波形的对称性好，抑制后电网电流是13.1 A和27.6 A，波形畸变率降为12.9%和2.9%，若忽略空载时的电流，实际治理后的电网电流更小[5]，补偿效果良好。

通过仿真及实验测试表明，SRITHAP系统能够很好地抑制该变电站谐波，满足工况需求。

[参考文献]

[1]张晓霞.基于DSP控制的10 kV变电站谐波抑制装置的设计及应用[D].兰州：兰州理工大学，2018.

[2]柴鹏飞.电能质量综合评估方法研究[D].郑州：郑州大学，2014.

[3]夏向阳.大功率注入式有源电力滤波器的理论研究及工程应用[D].长沙：湖南大学，2009.

[4]高云广.矿井电网有源电力滤波器电流控制策略研究[D].太原：太原理工大学，2017.

[5]党存禄，张艳超，周明星.注入式混合型有源电力滤波器谐波检测方法研究[J].电气自动化，2012（1）：90-93.

Abstract：In this paper， a new SRITHAPF hybrid active power filter with fundamental wave series resonance injection is designed to meet the engineering requirements of harmonic control in a 10 kV substation. The software and hardware design and parameter setting of the filter are carried out， and Matlab is used for simulation verification. The results prove that SRITHAPF is effective for harmonic control of substations.

Key words：SRITHAPF; harmonic control; Matlab simulation