電源諧波治理與Matlab仿真在助航燈光供電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

引言

機(jī)場(chǎng)目視助航燈光系統(tǒng)是保障飛機(jī)在夜間和能見度受限制的情況下順利進(jìn)行起飛、著陸、滑行的目視助航設(shè)備,為飛行員提供跑道位置、方向和對(duì)正引導(dǎo)。因其對(duì)飛行安全的重要性,燈光站配置兩路獨(dú)立的l0kV進(jìn)線,經(jīng)兩臺(tái)l0/0.4kV變壓器后形成l0kV側(cè)單母線分段手動(dòng)聯(lián)絡(luò),400V側(cè)單母線分段運(yùn)行,自投不自復(fù)的供電網(wǎng)絡(luò),并配備一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源。恒流調(diào)光器則是目視助航燈光系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備,它采用可控硅斬波來調(diào)節(jié)輸出電壓,以使各條助航燈光回路電流保持在l~5級(jí)光的規(guī)定值。自虹橋機(jī)場(chǎng)西區(qū)開航使用新的進(jìn)口調(diào)光器后,燈光站多次發(fā)生恒流調(diào)光器"主頻超限"報(bào)警后自行關(guān)機(jī)的故障,雖自動(dòng)切換為備用調(diào)光器,未對(duì)助航燈光運(yùn)行造成不良影響,但已對(duì)飛行安全構(gòu)成較大隱患。在排除調(diào)光器設(shè)備本體故障可能性后,為進(jìn)一步查明原因,用FLUKE43B電能質(zhì)量分析儀對(duì)2個(gè)燈光站4臺(tái)變壓器的電能質(zhì)量進(jìn)行了檢測(cè)。

1現(xiàn)狀評(píng)估與分析

經(jīng)檢測(cè),4臺(tái)變壓器低壓進(jìn)線側(cè)電能質(zhì)量情況均呈現(xiàn)如下規(guī)律:當(dāng)調(diào)光器不開啟時(shí),變壓器低壓側(cè)電能質(zhì)量較好,諧波較少:但當(dāng)恒流調(diào)光器從5級(jí)光(6.6A)逐級(jí)調(diào)到1級(jí)光(2.8A)時(shí),隨著總諧波電流有效值逐漸減小,電流諧波畸變率逐漸增大,功率因數(shù)則逐漸減小,諧波電流以3、5、7、9、11等奇次波為主。以0#站1號(hào)變壓器(10/0.4kV,800kVA)為例,從5級(jí)光調(diào)到l級(jí)光時(shí),A相總諧波電流有效值Ia從204.9A降到75.8A,電流諧波畸變率THDIa則從13.2%上升到51.2%,功率因數(shù)PFa由0.64下降為0.24(表1)。

從表1可以看出:

(1)電流諧波污染較嚴(yán)重。恒流調(diào)光器主電路包括反并聯(lián)可控硅、升壓變壓器和保護(hù)開關(guān)等。其調(diào)壓原理就是在電源電壓正負(fù)半周分別導(dǎo)通可控硅,移相改變導(dǎo)通角,以達(dá)到調(diào)壓目的。負(fù)載為升壓變壓器初級(jí)線圈,升壓變壓器將調(diào)節(jié)后的電壓升壓,以滿足大負(fù)載燈光回路恒流要求。因此,恒流調(diào)光器作為非線性負(fù)載,導(dǎo)致助航燈光電力系統(tǒng)中不可避免地會(huì)存在大量諧波,且光級(jí)等級(jí)越低諧波畸變率越高。

(2)三相負(fù)荷不平衡。恒流調(diào)光器采用兩相線供電,且由于機(jī)場(chǎng)根據(jù)不同的天氣情況,會(huì)開啟不同的燈光回路和不同的燈光等級(jí),三相不平衡本就難以避免,諧波電流更進(jìn)一步加劇了這一情況。

(3)功率因數(shù)偏低。助航燈光供電系統(tǒng)雖在變壓器低壓側(cè)配備了電容柜,但電容柜一方面易與系統(tǒng)中的諧波發(fā)生共振,進(jìn)一步放大諧波:另一方面其無法跟隨負(fù)載變化需求實(shí)時(shí)補(bǔ)償,容易出現(xiàn)過補(bǔ)和欠補(bǔ)等情況。

綜合分析后,筆者推斷引起調(diào)光器主頻超限故障的原因,很可能是由于助航燈光供電系統(tǒng)主要負(fù)載為可控硅恒流調(diào)光器這種諧波源,導(dǎo)致電能質(zhì)量明顯下降,西區(qū)開航后引進(jìn)的進(jìn)口調(diào)光器,對(duì)電能質(zhì)量要求較高,從而引起調(diào)光器報(bào)警并自動(dòng)關(guān)機(jī)。

2改進(jìn)策略

2.1改進(jìn)目標(biāo)

根據(jù)助航燈光供電質(zhì)量檢測(cè)情況,燈光站的電力系統(tǒng)主要存在電流諧波畸變率較大、三相負(fù)荷不平衡明顯及功率因數(shù)偏低三大問題。為此筆者查閱了相關(guān)國(guó)標(biāo)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),將助航燈光供電質(zhì)量改進(jìn)目標(biāo)定為:主要次諧波電流補(bǔ)償率大于等于90%,其次是改善電流不平衡,最后是將功率因數(shù)提升至0.85以上。

2.2改進(jìn)技術(shù)方案對(duì)比

諧波治理的方式通?？煞譃榫偷刂卫怼⒅C波母線集中治理及就地與集中綜合治理。就助航燈光供電系統(tǒng)而言,主要的諧波源是燈光站內(nèi)的調(diào)光器,其數(shù)量較多,就地治理成本會(huì)比較高,且安裝空間受限,采用母線集中治理較為合理、可行。

濾波技術(shù)主要有無源濾波與有源濾波兩種。無源濾波技術(shù)的基本原理就是利用電感、電容元件的諧振特性,在阻抗分流回路中形成低阻抗支路,從而減小流向電網(wǎng)的諧波電流。無源濾波雖然具有成本低,技術(shù)成熟,可以補(bǔ)償無功功率等優(yōu)點(diǎn),但卻存在只能對(duì)特定頻次諧波進(jìn)行濾波,并可能與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振,放大諧波分量等不足,難以適應(yīng)助航燈光供電系統(tǒng)諧波隨光級(jí)動(dòng)態(tài)變化的情況,并可能與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振。有源濾波器的本質(zhì)是一個(gè)諧波源,它通過一定的控制算法,將系統(tǒng)中所含有害電流(高次諧波電流、無功電流及零序負(fù)序電流)檢出,并產(chǎn)生與諧波源所產(chǎn)生的諧波幅值相等、相位相反的量,以抵消諧波源中的諧波成分,使其只剩下基波成分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,圖中es表示交流電源,負(fù)載為非線性負(fù)載,它產(chǎn)生諧波并消耗無功功率。有源電力濾波器APF由四大部分組成,分別為指令電流運(yùn)算電路、電流跟蹤控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和主電路,其中后三者組成補(bǔ)償電流發(fā)生電路。指令電流運(yùn)算電路的核心部分就是諧波和無功電流檢測(cè)電路,其主要作用是檢測(cè)出需要補(bǔ)償對(duì)象電流iL中的諧波、無功等電流分量。補(bǔ)償電流發(fā)生電路的作用是根據(jù)指令電流運(yùn)算電路得出的補(bǔ)償電流的指令信號(hào)ic,產(chǎn)生實(shí)際的補(bǔ)償電流ih。有源濾波器一般最大能補(bǔ)償2~50次諧波,且不受系統(tǒng)阻抗變化影響,能自動(dòng)跟隨負(fù)載變化,不會(huì)與系統(tǒng)發(fā)生諧振。相比較而言,有源濾波更適合助航燈光供電系統(tǒng)的實(shí)際情況。

3Matlab建模仿真

3.1指令電流運(yùn)算電路子系統(tǒng)

有源濾波器的諧波電流檢測(cè)直接影響到有源濾波器的補(bǔ)償效果。諧波電流檢測(cè)方法主要有基于Fryze的時(shí)域分析法、基于頻域分析的快速傅里葉變換(FFT)法、基于瞬時(shí)無功功率理論檢測(cè)法等。根據(jù)助航燈光供電系統(tǒng)為三相四線制,三相電流非正弦、不對(duì)稱,且諧波電流隨調(diào)光器光級(jí)變化的特點(diǎn),選用基于瞬時(shí)無功功率理論的dq0檢測(cè)法。該檢測(cè)法以dq0坐標(biāo)系下的廣義瞬時(shí)無功功率理論為基礎(chǔ),通過坐標(biāo)變換,將abc坐標(biāo)系下的三相瞬時(shí)電流ia、ib、ic變換到dq0坐標(biāo)系下的瞬時(shí)電流id、iq、io,通過分析dq0坐標(biāo)系下瞬時(shí)電流的表達(dá)式,對(duì)電流進(jìn)行分解,進(jìn)而得出基于瞬時(shí)電流分解的諧波電流。

3.1.1dq0坐標(biāo)系下的瞬時(shí)電流分解

對(duì)任意三相系統(tǒng)(對(duì)稱或非對(duì)稱、正弦或非正弦),通過傅里葉分解和對(duì)稱變換,可以將a、b、c三相負(fù)載電流分解為:

式中,o為基波角頻率:In+、In-、In0分別為電流中n次諧波正序、負(fù)序和零序分量的有效值:φn+、φn-、φn0分別為n次諧波正序、負(fù)序和零序分量的初相角。

經(jīng)Park變換,以dq0坐標(biāo)系表示的電流idq0與以abc坐標(biāo)系表示的電流iabc之間的變換關(guān)系如下:

式中,C是Park變換矩陣,且C為正交矩陣,故:

將式(1)、(2)、(3)、(6)代入式(4),可得三相電流在dq0坐標(biāo)系下的瞬時(shí)電流id、iq、i0的表達(dá)式為:

可以看出,將電流從abc坐標(biāo)系變換到以電網(wǎng)電壓基波角頻率同步旋轉(zhuǎn)的dq0坐標(biāo)系時(shí),abc坐標(biāo)系的第n次諧波正序電流分量在d、q軸上的分量為角頻率為(n-1)o的正余弦量,abc坐標(biāo)系的第n次諧波負(fù)序電流分量在d、q軸上的分量為角頻率為(n+1)o的正余弦量,而abc坐標(biāo)系的各次諧波零序分量在變換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之后全部分布在0軸上。

對(duì)式(8)電流id進(jìn)一步進(jìn)行分解:

則:

對(duì)iq、i0也做同樣的分解:

令:

則:

令:

則:

由式(12)、(17)、(22)可知,在dq0坐標(biāo)系下id、iq、i0的直流分量為:

由式(25)可知,d、q由三相電流ia、ib、ic的基波正序分量、產(chǎn)生,根據(jù)式(5)、(7)將它反變換到abc坐標(biāo)系可得:

由式(26)可知,在dq0坐標(biāo)系下分離出id、iq、i0的直流分量后,經(jīng)dq0坐標(biāo)系到abc坐標(biāo)系的反變換,就可得到三相電流的基波正序分量iaf+、ibf+、icf+,用三相電流ia、ib、ic減去上述基波正序分量,即可得除基波正序以外的廣義諧波分量(包括基波負(fù)序分量、零序分量和高次諧波分量),將此廣義諧波分量作為有源濾波器的指令信號(hào)ic。

3.1.2指令運(yùn)算電路仿真

圖2中,同步信號(hào)由鎖相環(huán)PLL進(jìn)行鎖相生成ot信號(hào),經(jīng)abc到dq0變換后,id通過低通濾波器得到直流分量id(為同時(shí)檢測(cè)出基波正序電流無功分量及零序電流,斷開iq、i0通道)。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度,將主電路直流側(cè)實(shí)際的電容電壓與參考電壓的差值通過PI調(diào)節(jié),將其加到基波正序有功電流上。

3.2電流跟蹤控制電路子系統(tǒng)

電流跟蹤控制電路采用PwM控制技術(shù),將指令電流ic與實(shí)際輸出電流ih的瞬時(shí)值進(jìn)行比較,來決定功率開關(guān)器件的通斷,使實(shí)際輸出跟蹤指令電流信號(hào)的變化。

三角載波線性控制是一種常用的電流跟蹤控制法,其工作原理是:將補(bǔ)償電流的指令信號(hào)ic與實(shí)際補(bǔ)償電流ih的偏差作為調(diào)整信號(hào),與高頻三角載波相比較,從而得到逆變器開關(guān)器件所需要的控制信號(hào)。

如圖3所示,在simulink環(huán)境下可以很靈活地調(diào)節(jié)載波頻率及調(diào)制比,輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路來控制主電路中的開關(guān)通斷,從而控制補(bǔ)償電流ih的變化。

3.3有源濾波器仿真

有源濾波器以三相橋式可控整流電路為諧波源,通過改變脈沖發(fā)生器的a角度,模擬恒流調(diào)光器反并聯(lián)可控硅的導(dǎo)通角。當(dāng)a角越大,電流越小,電流畸變率越大。根據(jù)表1測(cè)量數(shù)據(jù),因3級(jí)光為助航燈光最常用的光級(jí),故按3級(jí)光數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬仿真,如圖4所示。仿真主要參數(shù)如下:交流側(cè)線電壓380V、頻率50Hz,變流器輸出L=0.4mH,直流側(cè)電容為20000μF,控制直流側(cè)電壓為800V。仿真算法選用ode23tb,仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。

另外,由于仿真電路中的零序電流幾乎為零,故未對(duì)零線上的零序電流進(jìn)行補(bǔ)償,但這并不影響三相電流中零序分量的濾除。

3.4仿真效果

3.4.1諧波濾除

諧波治理前三相電流諧波率分別為25.17%、39.3%、22.49%,治理后諧波率下降為1.63%、3.92%、3.42%。

總諧波補(bǔ)償率

式中,Ih為APF投入后,電網(wǎng)側(cè)第h次諧波電流含量方均根值:Inh為APF投入前,諧波源注入電網(wǎng)側(cè)的第h次諧波電流含量方均根值。

根據(jù)表2數(shù)據(jù),可得abc三相電流主要次諧波補(bǔ)償率Ka、Kb、Kc分別為95.7%、94%、92.7%,三相平均主要次諧波補(bǔ)償率為(Ka＋Kb＋Kc)/+=94.1%,滿足大于等于9.0的預(yù)期目標(biāo)。

3.4.2三相負(fù)荷平衡

仿真有源濾波器投入前,a、b、c三相電流有效值分別為116.5A、130.2A、150.6A,不平衡度按(最大相電流-三相平均電流)/三相平均電流計(jì)算為13.7%,濾波器投入后三相電流有效值為84.69A、84.3A、84.42A,不平衡度為0.26%,相較之前明顯改善。

3.4.3功率因數(shù)提升

功率因數(shù)PF=P/s,其中P為有功功率,s為視在功率。在非正弦系統(tǒng)中,P與s是所有電壓、電流的直流分量和各次諧波分量所做的功。

式中,u、i為瞬時(shí)電壓和電流。

由于daM1ab中現(xiàn)有測(cè)量功率因數(shù)的模塊僅針對(duì)基波進(jìn)行測(cè)量,為得到真實(shí)功率因數(shù),根據(jù)式(28),搭建Simulink模型,如圖7所示。

經(jīng)圖7模型測(cè)量,治理前a、b、c三相功率因數(shù)分別為0.45、0.63、0.50,治理后三相功率因數(shù)均為0.90,滿足大于等于0.85的預(yù)期目標(biāo)。

4實(shí)際應(yīng)用效果

自兩個(gè)燈光站完成4臺(tái)有源濾波器加裝項(xiàng)目后,恒流調(diào)光器至今未再次出現(xiàn)因主頻超限故障自動(dòng)關(guān)機(jī)的現(xiàn)象。同時(shí),有源濾波器安裝前,兩個(gè)燈光站年用電量分別為1077917kW·h和1030440kW·h,安裝后為959298kW·h和897481kW·h,節(jié)電率按(安裝前用電量-安裝后用電量)/安裝前用電量計(jì)算,分別為11%和12.9%。以0.85元/kW·h電力成本計(jì)算,每年可節(jié)省電費(fèi)21.38萬元。

5結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)助航燈光恒流調(diào)光器因主頻超限自動(dòng)關(guān)機(jī)故障原因的調(diào)查,分析故障可能是由燈光系統(tǒng)中電網(wǎng)諧波引起的。同時(shí)為治理燈光站電網(wǎng)中三相負(fù)荷不平衡較嚴(yán)重、功率因數(shù)低的問題,以廣義瞬時(shí)無功功率理論為基礎(chǔ),通過搭建Matlab仿真模型,驗(yàn)證了加裝并聯(lián)有源濾波器可有效解決燈光電網(wǎng)中存在的問題,并在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的效果。