介紹
以往在煤礦電網諧波治理方面，通常是並聯無源濾波器組，以固定方式對電網進行補償。由於提升機是短時間循環工作系統的負載，壹個提升機循環分為加速、恒速、減速、靜止等幾種工作狀態，每壹階段所需功率不同。此外，很多分散設備的運行周期也不壹樣，電容器組只能輸出恒定的無功功率，導致有時無功功率不足，有時補償過度。采用有源濾波器，可以根據各設備負荷無功功率的變化進行動態補償，使設備運行和電網始終處於最佳狀態。
有源濾波器包括諧波檢測、驅動電路和主電路三部分。有源濾波器的關鍵是諧波電流的檢測和補償控制。基於三相電路瞬時無功功率理論，建立了有源濾波器模型，並利用MATLAB仿真驗證了其在煤礦主提升機諧波控制中的應用。
MATLAB仿真模型的建立
本文利用MATLAB的POWERLIB工具箱、DSP工具箱和SIMULINK仿真模塊建立了有源濾波器各部分的仿真模型。
有源濾波器的仿真模型
有源濾波器主要由諧波電流檢測電路、驅動電路、主電路、電容和變壓器五部分組成。變壓器的整定主要用於調節有源電力濾波器的交流側電壓。其原理如圖1所示。諧波源模塊是根據主提升機房的實際諧波測試數據建立的。
圖1有源濾波器示意圖
諧波檢測電路的仿真模型
諧波檢測電路如圖2所示。
圖2諧波檢測電路模型
在這種方法中，需要與A相電網電壓e A同相的正弦信號sin(wt)和相應的余弦信號-cos(wt)，它們由單相鎖相環獲得。
由於APF對實時性要求很高，可以隨時跟蹤諧波電流的變化，低通濾波器是決定整個系統實時性的重要因素。因此，在選擇LPF時，必須考慮動態響應速度和截止頻率，並遵循以下原則:在低通濾波器能完全濾除交流分量的前提下，低通濾波器的階數盡可能低，截止頻率盡可能高。本文選用巴特沃斯LPF，其階數為2，截止頻率fc為20Hz。
由於基於ip和iq運行方式的諧波檢測方法只有sin(wt)和cos(wt)參與計算，電壓的諧波分量不參與計算，因此無論電網電壓是否畸變，該方法都能有效檢測諧波電流。這也是該方法優於基於P和Q運算的諧波檢測方法的壹個原因。
該方法電路簡單，但對硬件精度要求高。為了降低對硬件精度的要求，提高系統的穩定性和控制精度，可以在LPF後增加壹個PI調節器。
驅動電路仿真模型
由於並聯有源濾波器產生的補償電流要實時跟隨其指令電流信號的變化，要求補償電流發生器具有良好的實時性，因此電流控制采用跟蹤PWM控制方式。目前跟蹤PWM控制的方法主要有兩種，即瞬時值比較法和三角波比較法。本文采用三角波比較法。
主電路仿真模型
有源電力濾波器主電路為電壓型PWM變換器，其DC側電容為1200F，由於其容量較小，功率器件選用功率MOSFET。
模擬結果分析
圖3未加載有源濾波器時的電流波形和諧波
圖4加載有源濾波器後的電流波形和諧波。
抑制諧波的關鍵是濾波器能實時、準確、快速地檢測出諧波。本文提出的基於瞬時無功功率理論的諧波電流檢測方法可以很好地滿足上述要求。從仿真波形(見圖3和圖4)可以得出結論，有源濾波器具有以下特性:
(1)從得到的仿真結果可以看出，有源濾波器可以明顯抑制主提升機房供電中的諧波，使流入電網的電流波形得到明顯改善，供電電流的畸變率由原來的29.68%降低到3.31%，從而達到補償和抑制諧波的目的。
(2)有源濾波器的主電路采用MOSFET管。由於MOSFET管具有良好的可控性，濾波器能夠快速反應波形的變化，使得有源濾波器具有良好的跟蹤性能，能夠實時濾除諧波。
(3)從有源濾波器的整體結構來看，有源濾波器的結構簡單。根據瞬時無功功率理論，可以設計諧波檢測電路或應用DSP芯片實現電流檢測。這樣既提高了運算速度，又降低了濾波器的損耗，經濟可行。
標簽
本文設計的有源電力濾波器能有效抑制電力電子器件產生的諧波。與無源濾波器相比，它具有更好的補償特性，在壹些諧波成分復雜多變的場合更具優勢。實踐表明，MATLAB仿真軟件可以方便地應用於電力系統仿真領域，是電力系統分析的有利工具。