基于二重化技术的三相四线制APF研究

陈楠楠

（海军驻沪东中华造船(集团)有限公司军代表室，上海 200129）

基于二重化技术的三相四线制APF研究

陈楠楠

（海军驻沪东中华造船(集团)有限公司军代表室，上海 200129）

通过对比分析三相四线制有源电力滤波器(APF)的两种拓扑结构的优缺点，选择了补偿效果更好的四桥臂拓扑结构。采用改进的ip-iq型检测算法对特指的次谐波进行检测，分次进行补偿，可以灵活选择补偿谐波的次数，以适应不同的工业现场的需要。仿真结果表明，设计的三相四线制二重化APF具有很好的谐波效果并能有效地抑制中线电流。

缓冲结构；Matlab；压力补偿；稳定性

0 引言

随着电力电子技术的广泛应用，大量的电力电子设备给电网带来了严重的谐波和无功危害。在现有的低压配电网中，谐波和无功的补偿大都用无源滤波器，存在与系统谐振的风险；有源电力滤波器(Active Power Filter，APF)作为一种新型的谐波抑制装置，可以动态地补偿谐波，具有很大的应用前景[1-2]。工业现场的负载谐波容量日益增大，急切需要更大容量的有源电力滤波器；单个逆变桥的容量难以满足要求，二重化的有源电力滤波器就应运而生。三相三线制的二重化APF的研究已经取得很多成果，已在工业现场得到应用[3]，三相四线制的二重化APF的研究和产品的研发也越来越受到关注[4]。本文介绍了三相四线制二重化APF系统结构，采用四桥臂的拓扑结构，详细阐述了谐波检测算法，建立了系统仿真模型，仿真结果表明所设计的APF具有很好的谐波和零序电流补偿效果。

1 系统结构和工作原理

1.1 系统结构

三相四线制APF拓扑结构根据中线的连接方式分为四桥臂结构和分裂电容三桥臂结构两种。分裂电容式三桥臂结构有源滤波器的中线接在直流侧电容中点，中线电流从直流电容中流过，拓扑电路结构简单，控制也比较容易；但中线电流是交流量，往往含有大量谐波，对直流侧电容要求很高，而且流过直流电容的电流也不能太大；另外，还要对直流侧电容进行均压控制，会显著增加系统控制的复杂性，且存在直流电压利用率低等缺点[5]。四桥臂结构在系统主回路中增加了一对桥臂，对中线电流是直接进行控制的，也没有直流侧均压控制的问题，直流电压利用率高，补偿效果较分裂电容三桥臂结构的好。

本文采用四桥臂拓扑结构，如图1所示。二重化结构中，两组电压型PWM变流器模块并联构成，这两个模块共用一组直流侧电容器，经过 LCL接入电网。电压型PWM变流器模块采用四桥臂结构，使控制方法更简单，补偿效果更好。LCL滤波电路较L和LC滤波电路有较好的滤波效果，对开关次谐波抑制作用更强。二重化的主电路结构可以在保证装置容量的同时降低单个变流器模块的容量，采用载波移相技术可以提高装置的等效开关频率。

图1 主电路结构图

1.2 工作原理

三相四线制二重化APF系统控制框图如图2所示。

图2 系统控制框图

系统采用双环控制即直流侧电压外环控制和电流内环控制。直流侧电压反馈值与给定电压值闭环控制产生稳压指令iDC，通过谐波检测算法检测出负载电流含有的谐波电流指令i*，稳压指令与谐波电流指令之和为电流内环的指令。二重化两个模块共用电流内环指令，分别与各自输出电流形成闭环控制，产生PWM波驱动IGBT，向电网输出等量的谐波电流，抑制非线性负载电流流入电网，使电网电流不含有谐波。

2 谐波电流检测

2.1 正负序谐波电流检测

本文采用改进型ip- iq检测算法对特定次谐波进行检测，分次补偿。谐波检测框图如图3所示，其中n′代表检测的谐波次数。

图3 谐波检测框图

图中：

il为三相负载电流ila、ilb和ilc，含有正序、负序和零序谐波成分，可以表示为：

式中：n′=3m±1，m为自然数；φ为初相角；Iln为负载谐波电流有效值。

可以求出ip、iq如下：

式中：n′=3m+1时取减号，n′=3m-1时取加号。

直流分量为：

经过反变换可以得到

式中：n′=3m±1，当n′=3m+1时，检测结果为负载电流含有的正序谐波；当n′=3m-1时，检测结果为负载电流含有的负序谐波。

2.2 零序电流检测

三相四线制电路中负载电流包含零序电流且三相所含零序分量相等，中线零序分量为三相零序分量之和：

式中：n′=3m，ilnn’为中线零序分量。

3 仿真分析

3.1 仿真模型和仿真参数

为了验证装置设计的合理性和可行性，考察其补偿性能，本文使用了matlab/simulink仿真软件对系统进行了仿真，采用二重化技术的三相四线制APF仿真模型如图4所示。为了仿真电路更加清晰直观，采用了模块化设计。系统由电网模块(Grid)、负载模块(Load)、逆变模块(Inverter)、滤波模块(LC)和控制模块(Current control)构成。图 5是负载模块，三相整流桥带 RLC负载，R=1Ω，L=0.2mH，C=1000μF；单相整流桥带阻性负载接在C相和中线之间以制造负序和零序负载，其中R=2Ω。表1为系统仿真参数。

图4 三相四线制二重化APF仿真模型

图5 负载模块

表1 仿真参数

3.2 仿真结果及分析

为了检验装置的稳态补偿效果，进行了稳态仿真，三相电流的稳态仿真波形如图6所示，其中由上向下依次是负载电流、电网电流、补偿电流。负载电流波形严重畸变且三相不平衡，C相明显比A、B两相电流大。图7为负载电流、电网电流的频谱分析，负载电流的 5、7、11、13次谐波含量比较高，其中5次高达20.09%，负载电流总THD为24.36%；经过补偿后电网电流的5、7、11、13次谐波含量大大降低了，电网电流总THD降为2.34%。图6、7仿真结果表明，所设计的三相四线制二重化APF具有很好的稳态谐波补偿效果。

图7 负载电流、电网电流的频谱分析

图8为中线电流的仿真波形，由上往下依次是中线负载电流，中线电网电流和中线补偿电流。可以看出，APF的补偿电流很好的补偿了中线电流，中线电网电流几乎为零，说明APF在补偿谐波的同时可以补偿不平衡的电流，且具有较好的补偿性能。

为了检验所设计装置的动态响应速度，进行了动态仿真实验，动态仿真实验三相电流波形如图9所示。在0.08s时负载突增，动态响应时间在5ms以内，可见APF可以迅速捕获负载电流的变化并发出相应的补偿电流，具有较快的响应速度。

图8 中线电流仿真波形

图9 动态仿真实验三相电流波形

图10 为两个逆变桥发出的三相补偿电流，可见两个逆变桥发出相等的补偿电流，两个逆变桥输出均匀，具有较好的均流效果，防止了输出不均产生的过流故障。

图10 二重化逆变桥的三相补偿电流

4 结论

本文中三相四线制二重化APF采用改进型ip-iq检测算法对负载谐波进行了准确的检测，电压外环控制使直流侧电压稳定，二重化两个模块共用电流内环指令，分别与各自输出电流形成闭环控制，保证了二重化两个模块输出均匀。matlab/simulink仿真实验结果表明，所设计的APF具有很好的补偿效果。

[1] 王兆安, 杨君, 刘进军. 谐波抑制和无功功率补偿[M]. 北京: 机械工业出版社, 1998.

[2] Akagi H. New treends in active filters for power condi-tioning [J]. IEEE Trans on IA, 1996, 32(6):312-1322.

[3] 占奇志, 董文娟, 卓放, 等. 采用二重化技术实现的谐波电压源研制[J].电力电子技术, 2006, 40(5): 1-3.

[4] 饶云堂, 王英哲. 基于双DSP的三相四线制二重化SVG研制[J]. 低压电器, 2010, 17(8): 43-47.

[5] 乐健, 姜齐荣, 韩英铎. 三相四线并联 APF 的电流滞环控制策略分析[J]. 电力系统自动化, 2006, 30(17):70-75.

大宇造船和船舶工程公司授予罗克韦尔自动化 670 多万美元大订单

成立于1973年的韩国造船商大宇造船和船舶工程公司(Daewoo Shipbuilding & Marine Engineering, DSME) 已将一份 670多万美元的订单授予罗克韦尔自动化(NYSE:ROK)。依据此订单，罗克韦尔自动化将为 DSME 的重要客户，即面向能源企业的海上合约钻井服务国际领先供应商 Transocean提供全集成安全解决方案。罗克韦尔自动化将运用在大规模项目交付管理上的专长，提供基于 AADvance 过程安全系统的 PlantPAx 集成控制动力和安全解决方案。

该合同涵盖为四艘全新Transocean 钻井船交付系统，并可选择额外追加六艘。这是继 2011 年DSME 向罗克韦尔自动化授予价值600 多万美元订单之后的又一笔订单，当时也是为四搜新海上钻井船提供解决方案。

DSME 表示，罗克韦尔自动化可提供整套海上解决方案以及成熟可靠的系统，这将帮助 DSME 提升系统可用性，并改进钻井船和钻机等海上应用的安全系统。

“罗克韦尔自动化在海上产业自动化系统的设计、开发和交付方面拥有丰富的专业知识，对于此次Transocean 的重要项目，能由罗克韦尔自动化负责信息、控制、动力和安全集成系统的交付和调试，我们非常放心”，DSME 的一名发言人表示。

“此次赢得合约意义重大，因为这能展现出我们为海上船只和钻机提供控制及安全解决方案的出众实力”，罗克韦尔自动化全球解决方案副总裁兼总经理 Terry Gebert介绍说，“凭借在石油与天然气行业的经验和专业知识，以及全球的工程资源，我们将帮助 DSME 和Transocean 实现并维持高效、安全且可持续的运营”。

计划交付时间为 2014 年初。第一艘船所有核心解决方案预计在2014 年 6 月前完工，其余三艘预计在 2015 年 10 月前完工。

罗克韦尔自动化有限公司(NYSE:ROK)是全球最大的致力于工业自动化与信息的公司。其使命是帮助客户提高生产力并且推动世界的可持续发展。罗克韦尔自动化公司整合了工业自动化领域的知名品牌，其中包括艾伦-布拉德利（Allen-Bradley®）的控制产品和工程服务及罗克韦尔软件（Rockwell Software®）开发的自动化管理软件。罗克韦尔自动化总部位于美国威斯康星州密尔沃基市，在80多个国家设有分支机构，现有雇员约22000人。

在中国，罗克韦尔自动化拥有超过2000多名雇员，并设有37个销售机构（包括香港和台湾地区）。目前已成立5个培训中心，1个研发中心，大连软件开发中心，深圳、上海和北京OEM应用开发中心，三个生产基地。公司与国内几十家授权渠道伙伴及55所重点大学开展了积极的合作，共同为制造业提供广泛的世界一流的产品与解决方案、服务支持及技术培训。

Reearch on Three-phase Four-wire System APF Based on Dual Technology

CHEN Nan-nan
(Navy Representative Office at Hudong-Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China)

Through contrasting and analyzing the advantages and disadvantages of two kinds of topologies of three-phase four-wire system active power filter (APF), the four legs topology structure with better compensation effect is chosen. Designated sub harmonics are checked by adopting the improved ip- iq type detection algorithm and gradation compensates. It can neatly select the number of compensating harmonics to suit the needs of different industrial application. The simulation results show that designed three-phase four wire system with dual APF has very good harmonic effect and can effectively inhibit neutral current.

active power filter(APF);three-phase four-wire system; dual technology

TM464

A

陈楠楠（1980-），女，本科，研究方向：无线通信、网络电子。