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(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,、方向和對正引導(dǎo),。因其對飛行安全的重要性，燈光站配置兩路獨立的l0kV進(jìn)線,，經(jīng)兩臺l0/0.4kV變壓器后形成l0kV側(cè)單母線分段手動聯(lián)絡(luò),，400V側(cè)單母線分段運行，自投不自復(fù)的供電網(wǎng)絡(luò),，并配備一臺柴油發(fā)電機組作為備用電源,。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級光的規(guī)定值,。自虹橋機場西區(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”報警后自行關(guān)機的故障,，雖自動切換為備用調(diào)光器,，未對助航燈光運行造成不良影響，但已對飛行安全構(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2個燈光站4臺變壓器的電能質(zhì)量進(jìn)行了檢測,。

　　1現(xiàn)狀評估與分析

　　經(jīng)檢測,，4臺變壓器低壓進(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，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級光（6.6A）逐級調(diào)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(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號變壓器（10/0.4kV,800kVA）為例,，從5級光調(diào)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(shù)PFa由0.64下降為0.24（表1）。

　　從表1可以看出：

　?。?）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)中不可避免地會存在大量諧波,，且光級等級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,，且由于機場根據(jù)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(jìn)一步加劇了這一情況。

　?。?）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(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,，對電能質(zhì)量要求較高，從而引起調(diào)光器報警并自動關(guān)機,。

　　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，可以補償無功功率等優(yōu)點,，但卻存在只能對特定頻次諧波進(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(zhì)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(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,，分別為指令電流運算電路,、電流跟蹤控制電路,、驅(qū)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(jù)指令電流運算電路得出的補償電流的指令信號ic,產(chǎn)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(fù)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(jù)助航燈光供電系統(tǒng)為三相四線制,，三相電流非正弦,、不對稱，且諧波電流隨調(diào)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(biāo)系下的廣義瞬時無功功率理論為基礎(chǔ)，通過坐標(biāo)變換,，將abc坐標(biāo)系下的三相瞬時電流ia,、ib、ic變換到dq0坐標(biāo)系下的瞬時電流id,、iq,、io,通過分析dq0坐標(biāo)系下瞬時電流的表達(dá)式，對電流進(jìn)行分解,，進(jìn)而得出基于瞬時電流分解的諧波電流,。

　　3.1.1dq0坐標(biāo)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(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，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,。

　　對式（8）電流id進(jìn)一步進(jìn)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(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(jìn)行鎖相生成ot信號,，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(cè)實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與實際輸出電流ih的瞬時值進(jìn)行比較,，來決定功率開關(guān)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(diào)整信號，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,。

　　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,，輸出的脈沖信號經(jīng)驅(qū)動電路來控制主電路中的開關(guān)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(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測量數(shù)據(jù),，因3級光為助航燈光最常用的光級,，故按3級光數(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，故未對零線上的零序電流進(jìn)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(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(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為瞬時電壓和電流。

　　由于daM1ab中現(xiàn)有測量功率因數(shù)的模塊僅針對基波進(jìn)行測量,，為得到真實功率因數(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實際應(yīng)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(diào)光器至今未再次出現(xiàn)因主頻超限故障自動關(guān)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(jié)語

　　通過對助航燈光恒流調(diào)光器因主頻超限自動關(guān)機故障原因的調(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,，以廣義瞬時無功功率理論為基礎(chǔ)，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(wǎng)中存在的問題,，并在實際應(yīng)用中取得了較好的效果。

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