引言
機場目視助航燈光系統(tǒng)是保障飛機在夜間和能見度受限制的情況下順利進行起飛、著陸、滑行的目視助航設備,為飛行員提供跑道位置、方向和對正引導。因其對飛行安全的重要性,燈光站配置兩路獨立的l0kV進線,經兩臺l0/0.4kV變壓器后形成l0kV側單母線分段手動聯(lián)絡,400V側單母線分段運行,自投不自復的供電網絡,并配備一臺柴油發(fā)電機組作為備用電源。恒流調光器則是目視助航燈光系統(tǒng)中的關鍵設備,它采用可控硅斬波來調節(jié)輸出電壓,以使各條助航燈光回路電流保持在l~5級光的規(guī)定值。自虹橋機場西區(qū)開航使用新的進口調光器后,燈光站多次發(fā)生恒流調光器"主頻超限"報警后自行關機的故障,雖自動切換為備用調光器,未對助航燈光運行造成不良影響,但已對飛行安全構成較大隱患。在排除調光器設備本體故障可能性后,為進一步查明原因,用FLUKE43B電能質量分析儀對2個燈光站4臺變壓器的電能質量進行了檢測。
1現(xiàn)狀評估與分析
經檢測,4臺變壓器低壓進線側電能質量情況均呈現(xiàn)如下規(guī)律:當調光器不開啟時,變壓器低壓側電能質量較好,諧波較少:但當恒流調光器從5級光(6.6A)逐級調到1級光(2.8A)時,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號變壓器(10/0.4kV,800kVA)為例,從5級光調到l級光時,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)電流諧波污染較嚴重。恒流調光器主電路包括反并聯(lián)可控硅、升壓變壓器和保護開關等。其調壓原理就是在電源電壓正負半周分別導通可控硅,移相改變導通角,以達到調壓目的。負載為升壓變壓器初級線圈,升壓變壓器將調節(jié)后的電壓升壓,以滿足大負載燈光回路恒流要求。因此,恒流調光器作為非線性負載,導致助航燈光電力系統(tǒng)中不可避免地會存在大量諧波,且光級等級越低諧波畸變率越高。
(2)三相負荷不平衡。恒流調光器采用兩相線供電,且由于機場根據不同的天氣情況,會開啟不同的燈光回路和不同的燈光等級,三相不平衡本就難以避免,諧波電流更進一步加劇了這一情況。
(3)功率因數偏低。助航燈光供電系統(tǒng)雖在變壓器低壓側配備了電容柜,但電容柜一方面易與系統(tǒng)中的諧波發(fā)生共振,進一步放大諧波:另一方面其無法跟隨負載變化需求實時補償,容易出現(xiàn)過補和欠補等情況。
綜合分析后,筆者推斷引起調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)主要負載為可控硅恒流調光器這種諧波源,導致電能質量明顯下降,西區(qū)開航后引進的進口調光器,對電能質量要求較高,從而引起調光器報警并自動關機。
2改進策略
2.1改進目標
根據助航燈光供電質量檢測情況,燈光站的電力系統(tǒng)主要存在電流諧波畸變率較大、三相負荷不平衡明顯及功率因數偏低三大問題。為此筆者查閱了相關國標及行業(yè)標準,將助航燈光供電質量改進目標定為:主要次諧波電流補償率大于等于90%,其次是改善電流不平衡,最后是將功率因數提升至0.85以上。
2.2改進技術方案對比
諧波治理的方式通?？煞譃榫偷刂卫?、諧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的調光器,其數量較多,就地治理成本會比較高,且安裝空間受限,采用母線集中治理較為合理、可行。
濾波技術主要有無源濾波與有源濾波兩種。無源濾波技術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,從而減小流向電網的諧波電流。無源濾波雖然具有成本低,技術成熟,可以補償無功功率等優(yōu)點,但卻存在只能對特定頻次諧波進行濾波,并可能與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振,放大諧波分量等不足,難以適應助航燈光供電系統(tǒng)諧波隨光級動態(tài)變化的情況,并可能與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振。有源濾波器的本質是一個諧波源,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、無功電流及零序負序電流)檢出,并產生與諧波源所產生的諧波幅值相等、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)結構如圖1所示,圖中es表示交流電源,負載為非線性負載,它產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,分別為指令電流運算電路、電流跟蹤控制電路、驅動電路和主電路,其中后三者組成補償電流發(fā)生電路。指令電流運算電路的核心部分就是諧波和無功電流檢測電路,其主要作用是檢測出需要補償對象電流iL中的諧波、無功等電流分量。補償電流發(fā)生電路的作用是根據指令電流運算電路得出的補償電流的指令信號ic,產生實際的補償電流ih。有源濾波器一般最大能補償2~50次諧波,且不受系統(tǒng)阻抗變化影響,能自動跟隨負載變化,不會與系統(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)的實際情況。
3Matlab建模仿真
3.1指令電流運算電路子系統(tǒng)
有源濾波器的諧波電流檢測直接影響到有源濾波器的補償效果。諧波電流檢測方法主要有基于Fryze的時域分析法、基于頻域分析的快速傅里葉變換(FFT)法、基于瞬時無功功率理論檢測法等。根據助航燈光供電系統(tǒng)為三相四線制,三相電流非正弦、不對稱,且諧波電流隨調光器光級變化的特點,選用基于瞬時無功功率理論的dq0檢測法。該檢測法以dq0坐標系下的廣義瞬時無功功率理論為基礎,通過坐標變換,將abc坐標系下的三相瞬時電流ia、ib、ic變換到dq0坐標系下的瞬時電流id、iq、io,通過分析dq0坐標系下瞬時電流的表達式,對電流進行分解,進而得出基于瞬時電流分解的諧波電流。
3.1.1dq0坐標系下的瞬時電流分解
對任意三相系統(tǒng)(對稱或非對稱、正弦或非正弦),通過傅里葉分解和對稱變換,可以將a、b、c三相負載電流分解為:
式中,o為基波角頻率:In+、In-、In0分別為電流中n次諧波正序、負序和零序分量的有效值:φn+、φn-、φn0分別為n次諧波正序、負序和零序分量的初相角。
經Park變換,以dq0坐標系表示的電流idq0與以abc坐標系表示的電流iabc之間的變換關系如下:
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坐標系下的瞬時電流id、iq、i0的表達式為:
可以看出,將電流從abc坐標系變換到以電網電壓基波角頻率同步旋轉的dq0坐標系時,abc坐標系的第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坐標系的第n次諧波負序電流分量在d、q軸上的分量為角頻率為(n+1)o的正余弦量,而abc坐標系的各次諧波零序分量在變換到同步旋轉坐標系之后全部分布在0軸上。
對式(8)電流id進一步進行分解:
則:
對iq、i0也做同樣的分解:
令:
則:
令:
則:
由式(12)、(17)、(22)可知,在dq0坐標系下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、產生,根據式(5)、(7)將它反變換到abc坐標系可得:
由式(26)可知,在dq0坐標系下分離出id、iq、i0的直流分量后,經dq0坐標系到abc坐標系的反變換,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ic。
3.1.2指令運算電路仿真
圖2中,同步信號由鎖相環(huán)PLL進行鎖相生成ot信號,經abc到dq0變換后,id通過低通濾波器得到直流分量id(為同時檢測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,將主電路直流側實際的電容電壓與參考電壓的差值通過PI調節(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,將指令電流ic與實際輸出電流ih的瞬時值進行比較,來決定功率開關器件的通斷,使實際輸出跟蹤指令電流信號的變化。
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:將補償電流的指令信號ic與實際補償電流ih的偏差作為調整信號,與高頻三角載波相比較,從而得到逆變器開關器件所需要的控制信號。
如圖3所示,在simulink環(huán)境下可以很靈活地調節(jié)載波頻率及調制比,輸出的脈沖信號經驅動電路來控制主電路中的開關通斷,從而控制補償電流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,模擬恒流調光器反并聯(lián)可控硅的導通角。當a角越大,電流越小,電流畸變率越大。根據表1測量數據,因3級光為助航燈光最常用的光級,故按3級光數據進行模擬仿真,如圖4所示。仿真主要參數如下:交流側線電壓380V、頻率50Hz,變流器輸出L=0.4mH,直流側電容為20000μF,控制直流側電壓為800V。仿真算法選用ode23tb,仿真結果如圖5、圖6所示。
另外,由于仿真電路中的零序電流幾乎為零,故未對零線上的零序電流進行補償,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%。
總諧波補償率
式中,Ih為APF投入后,電網側第h次諧波電流含量方均根值:Inh為APF投入前,諧波源注入電網側的第h次諧波電流含量方均根值。
根據表2數據,可得abc三相電流主要次諧波補償率Ka、Kb、Kc分別為95.7%、94%、92.7%,三相平均主要次諧波補償率為(Ka＋Kb＋Kc)/+=94.1%,滿足大于等于9.0的預期目標。
3.4.2三相負荷平衡
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功率因數提升
功率因數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為瞬時電壓和電流。
由于daM1ab中現(xiàn)有測量功率因數的模塊僅針對基波進行測量,為得到真實功率因數,根據式(28),搭建Simulink模型,如圖7所示。
經圖7模型測量,治理前a、b、c三相功率因數分別為0.45、0.63、0.50,治理后三相功率因數均為0.90,滿足大于等于0.85的預期目標。
4實際應用效果
自兩個燈光站完成4臺有源濾波器加裝項目后,恒流調光器至今未再次出現(xiàn)因主頻超限故障自動關機的現(xiàn)象。同時,有源濾波器安裝前,兩個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)/安裝前用電量計算,分別為11%和12.9%。以0.85元/kW·h電力成本計算,每年可節(jié)省電費21.38萬元。
5結語
通過對助航燈光恒流調光器因主頻超限自動關機故障原因的調查,分析故障可能是由燈光系統(tǒng)中電網諧波引起的。同時為治理燈光站電網中三相負荷不平衡較嚴重、功率因數低的問題,以廣義瞬時無功功率理論為基礎,通過搭建Matlab仿真模型,驗證了加裝并聯(lián)有源濾波器可有效解決燈光電網中存在的問題,并在實際應用中取得了較好的效果。
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