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(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，400V側(cè)單母線分段運行，自投不自復的供電網(wǎng)絡，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)光器設備本體故障可能性后，為進一步查明原因，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臺變壓器低壓進線側(cè)電能質(zhì)量情況均呈現(xiàn)如下規(guī)律：當調(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、升壓變壓器和保護開關(guān)等。其調(diào)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(diào)壓目的。負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，以滿足大負載燈光回路恒流要求。因此，恒流調(diào)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(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(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)主要負載為可控硅恒流調(diào)光器這種諧波源，導致電能質(zhì)量明顯下降，西區(qū)開航后引進的進口調(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改進策略
2.1改進目標
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)國標及行業(yè)標準，將助航燈光供電質(zhì)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(shù)提升至0.85以上。
2.2改進技術(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(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，負載為非線性負載，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坐標系下的廣義瞬時無功功率理論為基礎(chǔ)，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(jīng)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(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(wǎng)電壓基波角頻率同步旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)生，根據(jù)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(jīng)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(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)可控硅的導通角。當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(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(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)中三相負荷不平衡較嚴重、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，并在實際應用中取得了較好的效果。
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