HL-2A装置电源系统有源电力滤波器的设计与仿真

李洪，李华俊，王英翘，宣伟民，姚列英

（1.核工业西南物理研究院聚变科学所，成都610041；2.华中科技大学电气与电子工程学院，武汉430074）

HL-2A装置电源系统有源电力滤波器的设计与仿真

李洪1，2，李华俊1，王英翘1，宣伟民1，姚列英1

（1.核工业西南物理研究院聚变科学所，成都610041；2.华中科技大学电气与电子工程学院，武汉430074）

HL-2A装置极向场及二级加热电源系统由1台输出频率可变的125 MVA飞轮脉冲发电机组供电，其输出母线上存在大量谐波成分，需要设计一个滤波器对其线路进行谐波治理。首先针对于频率可变的电源系统，在设计有源电力滤波器时，需加入锁相环追踪电源系统频率的变化；再以此变化的频率为基础分析其谐波成分，通过控制有源电力滤波器主电路滤除谐波；最后在理论分析的基础上，使用Matlab/Simulink软件进行仿真分析，观察在频率可变系统下有源电力滤波器的谐波滤除效果。仿真结果验证了理论分析的正确性和可行性。

有源电力滤波器；可变频率；谐波检测；仿真

HL-2A装置电源系统主要由3台脉冲发电机组为许多直流负载供电，其中125 MVA发电机组供电对象是所有极向场电源系统和二级加热高压电源系统，大部分都是经过变压器与晶闸管全控整流设备为负载供电，因此在发电机母线输出上会产生大量的谐波成分。对HL-2A装置所采集到的电压电流数据进行快速傅里叶变换FFT（fast Fourier transformation），发现125 MVA发电机交流母线电流谐波畸变严重，电流总谐波畸变率9%以上，重载时其电流畸变率更大。

125 MVA机组由1台2 500 kW拖动电机、1个33.5 t飞轮及1台125 MVA双Y相移30°发电机同轴连接，电动机的同步转速3 000 r/min。发电机是脉冲工作方式，从开始励磁到灭磁大约7 s。脉冲放电时，机械能转化为电能，机组转速相应快速下降，发电机输出频率也随之变化。机组规定的转速变化范围为3 000～2 400 r/min，发电机输出频率变化范围为100～80 Hz，频率变化速度为1～3 Hz/s。

随着HL-2A装置参数的提高，发电机非线性负荷增加，其谐波的影响加剧，甚至不能正常工作，难以实现等离子体电流波形、位置和形状的稳定和可靠控制，同时谐波过大也会引起发电机线圈的非正常发热而破坏绝缘，加速老化。治理谐波最有效的措施是采用有源电力滤波器APF（active power filter）[1]，电力系统中基波频率是50 Hz，在±0.5 Hz之内变化，而125 MVA发电机输出频率变化范围为100～80 Hz。另外由于125 MVA发电机系统的谐波容量很大，如果直接治理发电机母线谐波，难度和成本非常高，现阶段采取对系统中各个负载进行单独谐波滤除的方法。HL-2A装置水平场电源负载是125 MVA发电机系统下的一个最小负载，由2台250 kVA的变压器降压后，通过2组三相全桥整流转换成直流，串并联组合后给水平场线圈供电[2]。

本文针对在水平场电源变压器阀侧并联的有源电力滤波器进行设计与仿真分析。

1 谐波电流检测

HL-2A装置水平场变流器输入电源频率是快速变化的，对电流频率及相位的快速跟踪是谐波电流检测环节的重点。APF指令补偿电流获取的准确性将直接影响APF的谐波滤除效果。为了能够实时跟踪频率的变化，谐波检测环节中加入锁相环[3]，其结构由鉴相器、低通滤波器、压控振荡器、分频器组成，如图1所示。通过鉴相器来鉴别输入信号Ui与输出信号Uo之间的相位差，并输出误差电压Ud。Ud中的噪声和干扰成分被低通性质的环路滤波器滤除，形成压控振荡器（VCO）的控制电压Uc。Uc作用于压控振荡器的结果是将其输出振荡频率fo拉向环路输入信号频率fi，从而达到不断跟踪变化频率的作用。

图1 锁相环电路框图Fig.1Block diagram of phase-locked loop circuit

图2 谐波电流检测原理Fig.2Schematic of harmonic current detection

谐波检测电路其基本工作原理[4-6]如图2所示。首先将三相负载电流经3/2变换、pq变换得到瞬时有功电流ip和瞬时无功电流iq；再经过低通滤波器LPF得到瞬时有功电流ip和瞬时无功电流iq的直流分量然后通过坐标反变换计算出负载电流的基波分量最后用负载电流减去计算出的基波分量得到负载电流中的谐波分量

根据仿真需求，设定一频率可变带有谐波的三相电流为

式中，In为线电流有效值。为了计算简便，设θ= 200π（1-0.015t）t，令a相电流相角θn=nθ+φn= 200nπ（1-0.015t）t+φn。其基波角频率为

从表达式中看出其频率变化率为3 Hz/s。

将三相电流从abc三相坐标系变换到α-β两相静止坐标系下，得到iα和iβ为

其中

瞬时有功电流ip和瞬时无功电流iq为

其中

经过坐标反变换得到iaf、ibf、icf为

由此可以看出，基波频率变化的谐波电流，通过锁相环电路跟踪系统电压频率的变化，得到与其对应的变换矩阵C，通过ip-iq法从负载电流波形中分离出基波电流，最终得到谐波电流指令波形。

2 使用Matlab/Simulink搭建仿真模型

图3为水平场电源并联型有源滤波器系统原理，系统主要由谐波电流检测环节、电流跟踪控制环节和逆变电路3部分组成。

图3 并联型有源电力滤波器系统原理Fig.3Schematic of shunt active power filter system

通过Matlab/Simulink软件对其进行仿真分析，进一步验证方案的可行性[7]。

在实验过程中频率变化并非线性，为了简化仿真模型采用线性变化的频率，并设定其频率变化率为3 Hz/s。则可变频率电源模块的三相电压为

编写S-function模块，并通过可控电压源转化为电信号输出，将其作为仿真信号三相频率可变电源，如图4所示。

图4 利用S-function编写的可变频率电源模块Fig.4Variable-frequency power module coded by the S-function

根据ip-iq谐波电流检测法，采集三相电压信号和三相负载电流信号。电压信号经过锁相环后得到频率变化的正弦和余弦信号，负载电流信号经过变换，即可把三相电流信号转化成ip和iq。经过低通滤波器LPF滤除ip和iq中的交流成分，得到直流再作反变换，还原成abc三相电流，即为负载中所含的基波电流[8]。基波电流与负载电流相减，便可得到期望补偿的谐波电流，即为输出的指令电流。仿真模型如图5所示。

搭建完各个Subsystem之后，按照并联型有源滤波器系统原理完成有源滤波器的主电路仿真模型的搭建，仿真模型如图6所示。

3 仿真分析

对经过三相整流接电感电阻负载的电路进行仿真。系统电源采用线电压有效值为3 000 V、频率变化的电源，经过三绕组3 000/87/87 V变压器接整流桥负载，负载为60 mΩ、50 μH电感线圈负载。直流侧电压900 V，开关频率选择为10 kHz，与系3统连接的电抗为0.1 mH。仿真时间为7 s，主要观察和分析2～4 s滤波器前后交流线路的电流波形和有源电力滤波器逆变电路输出电流的大小，同时还对部分支路电流进行了频谱分析，结果如图7～图14所示。

图5 电流检测环节Fig.5Current detection circuit

图6 主电路仿真模型Fig.6Simulated model of main circuit

图7 2s滤波前电流波形Fig.7Current waveform at 2 s before filtering

图8 2s滤波前电流谐波Fig.8Current harmonics at 2 s before filtering

图9 2s滤波后电流波形Fig.9Current waveform at 2 s after filtering

图10 2s滤波后电流谐波Fig.10Current harmonics at 2 s after filtering

图11 4s滤波前电流波形Fig.11Current waveform at 4 s before filtering

图12 4s滤波前电流谐波Fig.12Current harmonics at 4 s before filtering

图13 4s滤波后电流波形Fig.13Current waveform at 4 s after filtering

图14 4s滤波后电流谐波Fig.14Current harmonics at 4 s after filtering

由图7～图14可以看出，2～4 s之间，负载频率从94 Hz变化到88 Hz。在变化的过程中带锁相环的谐波频率检测电路可以一直迅速且准确地跟踪系统频率的变化，从而输出相同频率的谐波补偿电流。由图8、图10、图12、图14对滤波前后电流的谐波分析可知，通过对电流波形进行快速傅里叶变换，计算其谐波电流大小。通过FFT分析的结果，看出电流谐波滤除效果很明显，滤波前电流谐波畸变率为29%左右，通过APF后其谐波畸变率减小到6%左右。

4 结语

对125 MVA发电机水平场电源系统进行可变频率有源电力滤波器设计，通过仿真分析可知，并联有源滤波器可以使水平场变压器副边的谐波得到比较明显地消除。在有源电力滤波器中利用锁相环实时跟踪系统频率变化，并通过计算得到对应频率和相位的补偿电流控制信号，再控制逆变电路输出跟踪补偿电流信号，可以很好地实现对频率快速变化电源系统的谐波治理。

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[8]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.

Design and Simulation of Active Power Filter for Power System of HL-2A

LI Hong1，2，LI Hua-jun1，WANG Ying-qiao1，XUAN Wei-min1，YAO Lie-ying1
（1.Center for Fusion Science，Southwestern Institute of Physics，Chengdu 610041，China；2.College of Electrical and Electronic Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China）

The power system of poloidal fields and auxiliary heating systems of HL-2A is supplied by a frequencyvariable 125 MVA flywheel pulse motor-generator.There is a great deal of harmonic current in its output buses，and a filter should be designed to dampen the harmonic current.Firstly，considering the frequency-variability of the power system，a phase-locked loop is added to track the change of system frequency in the design of active power filter.Subsequently，the harmonic components is analyzed on the basis of varying frequency，and then the main filter circuit is manipulated to filter out the harmonics.Finally，on the basis of theoretical analysis，the Matlab software is utilized to carry out the simulation，so that the effect caused by active power filter installed in the variable-frequency power system is appraised.The simulated results verify the correctness and feasibility of the theoretical analysis.

active power filter；variable frequency；harmonic detection；simulation

TN713.8

A

1003-8930（2014）09-0076-05

李洪（1989—），男，硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动。Email：lih@swip.ac.cn

2012-03-13；

2012-08-22

李华俊（1970—）男，博士，硕士生导师，研究员级高工，研究方向为脉冲供电及电机拖动。Email：lihj@swip.ac.cn

王英翘（1980—），男，博士，副研究员级高工，研究方向为脉冲供电技术和高电压技术。Email：wangyq@swip.ac.cn