有源电力滤波在助航灯光供电系统中的应用研究

袁伟

中航赛博（北京）机场建设有限公司 北京 101308

1 有源电力滤波技术概述

近年来，电力电子负荷和非线性负荷在工业应用和使用方面的发展给电力系统带来了诸多挑战，这些挑战对电能质量带来了负面影响。其中最重要的电能质量问题之一是谐波失真。造成这一问题的主要原因可分为软起动整流器和半导体电路器件的增大。非线性负载会导致电力系统电流和电压波形均匀失真。谐波导致许多问题，如高温电力系统、低功率因数电器和变压器[1]。解决谐波问题的方法有很多种，传统的方法是无源电力滤波器(PPF)。PPF结构简单，由电感电容和电阻组成。这些元素的重新排列给出了一个新的顺序，每个顺序求出特定的谐波。这些滤光片有许多缺点，如共振和不稳定性。

有源电力滤波器(APF)为网络表示一个可变电感，其值为谐波放电所需。并联型有源滤波器代表了众所周知的结构，改进了畸变机制、功率因数、均衡网络电流，使零相电流达到零值。有源滤波器与非线性负载并联。其基本功能是注入相反的负载电流，以抵消负载谐波电流。有源电力滤波器由一个高频率控制的直流静态变换器和一个测量负载电流并为半导体元件产生开关信号以在网络中注入适当的电流的算法组成。

2 助航灯光供电系统发展现状

信标灯是安装在某些航标上的一种交通信号灯，为夜间航行的船舶提供安全保障。信标灯大多使用电池作为能源，有些使用风能和机械能转换成电能。大型灯塔大多使用柴油发动机。电池电源存在容量有限、供电时间短、供电补充时间长、补充困难、补充成本高等问题[1-2]。随着新能源技术的发展，太阳能成为一种取之不尽、用之不竭的环境友好能源，极大地解决了能源问题，大大降低了使用成本。国外对太阳能组合导航灯的研究比国内要早得多。美国、日本、新西兰等国早在20世纪90年代末就开始了这项研究，并取得了很大的成果。然而，由于太阳能电池板的强指向性，它不易吸收太阳，体积大。这只适用于灯塔，海岸标志和海洋标志。与此同时，在我国的内河航道上广泛推广这一技术既昂贵又困难。波浪能是一种可再生、清洁的能源，储量丰富，是一种潜力巨大的新能源。风力发电技术的成熟为解决波浪能发电不稳定问题提供了支持。从能量密度的角度来看，波浪能是风能的4至30倍。如果海洋中的波浪能得到有效开发，其带来的效益将远远超过风能和太阳能。波浪能商业化的主要障碍是成本。

3 系统建模分析

3.1 方案设计

并联型电力有源滤波器广泛应用于非线性不对称负荷的三相供电系统中，以减小上述特定负荷对其他用户的影响，提高电能质量。目前，有许多方法可以综合电力有源滤波器控制系统，其中大多数方法可以创造出具有所需性能的高效算法。所有PAF控制算法的基础是补偿器电流的开发，补偿器电流的计算借助于三相PSS电压电流传感器的测量数据进行。通常，补偿器电流按照供电系统相电压的比例计算。对科学出版物的分析揭示了确定相电压测量位置的两种根本不同的方法：第一种方法位于电源终端（即变电站）；第二种方法位于兼容负载连接位置参考电压值的显著不同对利用PAF进行相电流的定性补偿有不同的影响；然而，这两种电压传感器安装方式的比较尚未在科学出版物中进行过研究。

3.2 基于 PAF 的三相电力系统稳定器建模分析

为了验证测量三相PSS的瞬时电压值对负载端的正面影响，将使用额定功率为400kW的非线性非对称负载PSS的matlab模型。在实验过程中连接电缆线的电感值在1～100μH之间变化，并测量了电源的定量和定性指标。分别测量电源端与负载端断开时的相电压瞬时值和负载端的相电压瞬时值；同时测量电源和负荷端的相电压瞬时值。通过对带有 PAF 的三相 PSS等效电路的分析，指出在电源系统运行的对称模式下，对电源和负载端的相电压瞬时值的测量在效率方面得到了相似的结果。当电源系统在非对称模式下运行时，测量负载端的瞬时相电压值对提高效率有正面影响。如果在电源端测量相电压，增加连接电缆线路的电感会对供电网络的效率和相电压、电流的非线性畸变系数产生负面影响。测量负载端的相电压消除了显著的负面影响，使转换系统的结构更能抵抗电源系统外部参数的变化。为了使并联型电力有源滤波器在实际供电系统中得到实际应用，应充分利用电压传感器在负载端或PAF与供电网络连接处的安装。

4 三相四线配电系统的设计

4.1 设计背景

三相四线制配电系统广泛应用于办公大楼、商业综合体、制造设施等场所，用于低压供电。三相四线制配电系统的典型负荷可能是计算机相关设备、办公自动化设备、可调速驱动器、照明镇流器和其他电力电子相关设备。这些负荷可以是单相或三相负荷。这些负载大多具有非线性输入特性，可能产生高输入电流谐波和严重的零序电流问题。三相四线制配电系统的中性线是零序电流的电流通路。单相非线性负载的输入电流中含有不同的谐波分量，其中一些谐波分量可能产生较大的零序电流。此外，三相单相负荷可能分布不均匀，导致严重的负荷不平衡和明显的零序基波分量。由于不平衡负荷电流的零序谐波分量和零序基波分量均流入中性线，可能导致三相四线制配电系统中性线过载。因此，三相四线制配电系统存在谐波污染、负荷不平衡和中性线过载等问题。解决三相四线制配电系统问题的传统方法有：

（1）采用高额定功率配电变压器和中性导线，防止过载。然而，这种方法不能解决谐波问题；

（2）安装三个单相无源电力滤波器，但该方法存在串并联谐振的隐患；

（3）采用之字形变压器抑制中性电流。然而，这种方法虽然可以解决中性导线的问题，但不能解决谐波问题；

（4）安装三相四线制有源电力滤波器。该方法能有效地解决中性点导线的谐波污染、负荷不平衡和过载等问题。因此，只有三相四线制有源电力滤波器才能有效地解决三相四线制配电系统中的谐波污染、负荷不平衡和中性线过载等问题。因此，三相四线制有源电力滤波器的性能优于其他常规方法。然而，成本高于其他方法[3]。

传统的三相三线制有源电力滤波器，包括三臂功率变换器或带有分裂电容器的两臂功率变换器，用于补偿三相三线制配电系统中的谐波电流。相比之下，三相四线制有源电力滤波器，包括四臂功率变换器或三臂分体电容功率变换器，用于补偿三相四线制配电系统中的谐波电流。如果三相有源电力滤波器能同时应用于三相三线制和三相四线制配电系统，厂家只需研制三相三线制有源电力滤波器。因此，它们可以节省时间，降低研究和开发三相四线制有源电力滤波器的成本。本文提出了一种由三相三线制有源电力滤波器和锯齿型变压器组成的三相四线制电力滤波器。这种配置的优点是不再需要开发三相四线制有源电力滤波器技术。此外，与三相四线制有源电力滤波器相比，功率变换器的额定功率也有所降低。实现了一个硬件样机并进行了测试，验证了该三相四线制电力滤波器的性能。

4.2 系统实现原理

该电力滤波器由三相三线制有源电力滤波器和锯齿型变压器组成。之字形变压器作为负载电流零序分量的通路。三相三线制有源电力滤波器的主要作用是滤除负载引起的正、负序谐波电流分量，并迫使负载电流与负载电压的正序分量同时平衡和同步。由于负载电流的零序分量会流入z字形变压器，而且不需要有源电力滤波器对负载电流的零序分量进行补偿，因此可以有效地降低功率变换器的额定功率。三相四线制电力滤波器中，功率变换器的节能额定值是由负载电流的零序分量决定的。基本操作电路示意图如下：

图1 电路示意图

4.3 三相三线制有源电力滤波器设计

有源滤波器的作用是同时补偿无功功率和消除非线性负载引起的谐波分量。换句话说，有源电力滤波器是用来迫使电力公司的电流是一个正弦波形，并在电力公司的电压时，平衡。因此，拟议的 APF 的控制对象是直接的效用电流。这种方法的要点是，控制器中的命令是效用电流，而不是转换器的输出电流，因为在大多数其他有源电力滤波器控制方法使用。由于之字形变压器是连接有源电力滤波器和负载之间，它可以补偿负载电流的零序分量。有源电力滤波器的三相负载电流只包含正序和负序分量，进一步分析，有源电力滤波器具有补偿无功功率和抑制谐波电流的功能，所以补偿后的期望三相效用电流为正弦平衡电流。因此，补偿后的期望效用电流只包含正序基本分量，这种方法的基本概念是，在不考虑负载特性的情况下，迫使三相效用电流达到平衡。因此，期望的三相效用电流的波形和相位是预先知道的，唯一未知的参数是它们的振幅。三相效用电流的幅值可以通过效用、有源滤波器和负载之间的功率平衡来确定。功率变换器直流侧的直流电容起到能量缓冲的作用，在稳态条件下为功率变换器提供稳定的直流电压。如果电力公司提供的实际功率不能满足要求的实际负载功率，必须将实际功率的差值注入直流电容器或由直流电容器提供。负荷的动用电压幅值和实际功率需求是不可控的，只有通过控制动用电流的幅值才能控制实际功率的差值。如果直流电容电压低于稳态值，则必须增大实用电流的幅值，以增加实际功率的差值。相反，当直流电容电压大于稳态值时，为了减小实际功率的差值，必须减小实用电流的幅值。因此，可以通过控制直流电容电压的幅值来获得实用电流的幅值。控制电路只能用来确定实用电流的幅值。此外，由于传统有源电力滤波器中的电流传感器仅检测三相电力电流，因此可以避免传统有源电力滤波器中用于检测负载电流和有源电力滤波器输出电流的电流传感器的匹配调整。这简化了控制电路，减少了电流传感器的数量[4]。

5 结束语

三相四线制配电系统不仅面临着谐波污染问题，而且还面临着中性线过载电流问题。本文提出了一种由三相三线有源电力滤波器和锯齿型变压器组成的三相四线制电力滤波器。三相四线制电力滤波器与三相四线制有源电力滤波器的比较结果见表二。实验结果表明，在有限的零序效用电压下，该电力滤波器具有理想的性能。