平 增，張忠鋒，張 娟，張 輝，張良學

(1.華北水利水電學院，河南 鄭州450045;2.吉林省電力有限公司遼源供電公司，吉林 遼源136200;

3.鄭州祥和集團電力工程有限公司，河南鄭州450000;4.平頂山易成新材料股份有限公司，河南平頂山467021)

我國與一些發(fā)達國家相比，在電網(wǎng)的總損耗中，10 kV及以下配電網(wǎng)約占43%［1－3］，同時在配電網(wǎng)中還容易出現(xiàn)三相負荷不平衡，功率因數(shù)偏低的情況.所以，一種能夠進行連續(xù)調(diào)節(jié)，結構簡單，能夠滿足配電系統(tǒng)需要的動態(tài)無功補償裝置就顯得很重要.現(xiàn)在，我國對靜止同步補償器(STATCOM)的研究主要是在高壓大容量方面，在低壓配電側方面對STATCOM的研究還不是很多，所以在配電網(wǎng)中對STATCOM的研究具有實際意義.

對配電網(wǎng)靜止同步補償器進行研究首先需要對配電網(wǎng)中的無功電流進行檢測，對無功電流的檢測是STATCOM最核心的環(huán)節(jié).根據(jù)補償?shù)哪康?，準確實時地把負載電流中的無功電流分離出來，以產(chǎn)生需要的無功電流指令.配電網(wǎng)靜止同步補償器的性能受到無功電流檢測方法的影響.一般常用的無功電流檢測方法有以下幾種:帶通濾波器法［4］、基于Fryze時域分析的有功電流分離法［5］、自適應檢測方法［6］、基于小波變換的檢測方法［7］、基于神經(jīng)網(wǎng)絡理論的檢測方法［8］、基于瞬時無功功率理論的電流檢測方法［9］.

文獻［4］的無功電流是通過高通濾波器得到的，該方法的電路實現(xiàn)簡單、經(jīng)濟;但是這種方法的濾波效果在電網(wǎng)頻率波動時不是很理想，電流中的無功分量不能直接檢測出來.文獻［5］將非線性負載電流分解為廣義無功電流和有功電流分量兩個正交的分量，但是該檢測方法的實時性不好.文獻［6］參考輸入為電源電壓，原始輸入為負載電流，通過該種方法得到高次諧波和無功電流的總和，是通過自適應濾波器把電流處理后輸出與負載電流基波有功分量幅值相位均相等的信號，并把此信號從負載電流信號中除去.該種方法在電源電壓畸變的情況下，仍然有很好的自適應能力，但是此方法的動態(tài)響應比較慢，同時對硬件電路要求也很高.文獻［7］采用不同尺度的分析方法，最佳的時域和頻域分辨率可以在信號的不同地方獲得，但是該檢測方法要求比較長的電流信號周期，同時計算量也很大.文獻［8］的原始輸入是非線性負載電流，輸出和待補償?shù)臒o功電流逼近.該種方法的計算量小，實時性好，抗干擾性好，但是需要的神經(jīng)網(wǎng)絡構造方法不是很規(guī)范，需要比較多的訓練樣本.

基于瞬時無功功率理論的無功電流檢測方法包括p－q和ip－iq2種檢測法，也是目前應用最廣泛的方法.當電網(wǎng)電壓波形沒有畸變時，這2種檢測方法都能對無功電流進行準確的檢測;當電網(wǎng)電壓有畸變時，p－q檢測法有很大的誤差，而ip－iq檢測法能有效地避免電壓畸變所帶來的影響［10］.但是不能分離出無功電流，并且ip－iq檢測法中為了產(chǎn)生與電源電壓同步的正弦和余弦信號需要用到鎖相環(huán)(PLL).鎖相環(huán)在電網(wǎng)電壓畸變的情況下，會使檢測誤差增大，所以無功電流不能準確地檢測出來.同時，PLL電路還增加了電路板的面積，調(diào)試和設計也不簡單［11］.文中在這2種方法的基礎上采用一種無鎖相環(huán)的檢測方法.該檢測方法能在電壓畸變的情況下準確地檢測出系統(tǒng)電流中的無功，并且實現(xiàn)過程比較簡單，具有很強的實用性.

1 p－q檢測法

p－q檢測方法流程如圖1所示.

圖1 p－q檢測方法流程

圖1中:C32為坐標變換矩陣;LPF為低通濾波器;p，q分量可以根據(jù)瞬時無功功率定義［12］計算得出;p，q的直流分量p，q可以通過低通濾波器LPF得到;ia，ib，ic的基波分量可以由p，q通過反變換計算得到，即

如果要得到三相系統(tǒng)中的諧波分量，只需將基波分量 iaf，ibf，icf與原三相電流瞬時值 ia，ib，ic相減即可.

如果要得到電路中的諧波和無功電流，則可將圖1中的無功分量q通道斷開，此時由有功分量p反變換計算得到原電流中的基波有功電流分量ipaf，ipbf，ipcf，即

所以可以通過 ipaf，ipbf，ipcf與 ia，ib，ic相減得到原電流中諧波分量和無功分量之和.

STATCOM用于補償無功電流，所以只需將無功分量q直接反變換即可.

此時，低通濾波器可以省略，得到的是三相電路中的無功電流瞬時值.跟蹤此無功電流，就可以實現(xiàn)對無功電流的實時補償.

該方法計算簡單，響應速度快，但在電壓畸變的情況下誤差比較大.

2 ip－iq檢測法及其無鎖相環(huán)的實現(xiàn)

ip－iq檢測法流程如圖2所示.

圖2 ip－iq檢測法流程

圖2中的變換矩陣C為

該檢測方法的主要目標是計算出瞬時有功電流ip和瞬時無功電流iq.ip－iq檢測法采用的變換矩陣C是采用一相電壓(例如a相電壓)，通過鎖相環(huán)(PLL)獲得與之同相位的正弦信號和余弦信號，從而構造變換出來的.在通過變換矩陣C之后，三相電流可以變換為瞬時有功電流ip和瞬時無功電流iq.直流分量ip和iq在經(jīng)過低通濾波器LPF之后獲得，iaf，ibf，icf在經(jīng)過直流分量ip和iq反變換計算后即可得到.

如果要得到三相系統(tǒng)中的諧波分量，只需將iaf，ibf，icf與 ia，ib，ic相減即可.

如果要檢測電路中的諧波電流和無功電流之和，則可斷開圖2中無功電流分量iq的通道，此時原電流中的基波有功電流分量可以通過反變換計算得到，即

原電流中諧波分量和無功分量之和可以通過ipaf，ipbf，ipcf與 ia，ib，ic相減得到.

對此電流進行跟蹤，即可實現(xiàn)STATCOM對無功電流的實時補償.該檢測法在補償無功電流時和p－q檢測法相似，不需要低通濾波器LPF，因而可以實現(xiàn)瞬時無功電流的實時檢測.

但是該檢測方法在電壓畸變的情況下不能分離基波中的有功和無功，并且由于鎖相環(huán)(PLL)的存在，使該檢測方法的計算比較復雜，響應比較慢.

如圖2所示，ip－iq檢測法中需用到鎖相環(huán)(PLL)，利用PLL可以得到三相電流的基頻和初相角，但是受信號的影響往往比較大.當電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變時，會導致檢測誤差，從而無法準確地檢測出需要的電流.同時，PLL電路不但使電路板的面積增加，同時也使設計和調(diào)試比較復雜.為了解決使用鎖相環(huán)所帶來的誤差，并結合ip－iq檢測法的特點可知，通過鎖相環(huán)獲得變換矩陣C中的w，可以通過采用單相電壓構造出同步旋轉角來實現(xiàn)，從而就可以實現(xiàn)無鎖相環(huán)的目標.

三相不平衡a相電壓表達式可以表示為

式中:Aa為a相電壓的基波幅值;Aka為k次諧波電壓的幅值.

將ua經(jīng)過一個微分器得到

式(9)的第一項是式(8)第一項的微分量，二者是正交的關系.由于實際電網(wǎng)電壓的畸變量一般很小并且為高次諧波，所以可以把ua和的第一項通過一個低通濾波器分離出來.

設ua分離后的Aasin(wt)值為x分離后的Aawcos(wt)值為 y，則

由于電網(wǎng)頻率的偏差一般不會超過0.5 Hz，是很小的，令ω=100 π，則可以得到

利用公式(11)就可以減小ip－iq檢測法中利用鎖相環(huán)電路獲取同步旋轉角帶來的延時誤差.

3 電壓畸變情況下的控制策略

綜合p－q檢測法和ip－iq檢測法的優(yōu)點，采用能在電壓畸變的情況下仍能檢測出STATCOM無功電流的方法，其原理如圖3所示.系統(tǒng)基波電壓對應α －β坐標系下的分量uα0和 uβ0，可以通過三相系統(tǒng)電壓ua，ub，uc經(jīng)過無鎖相環(huán)ip－iq檢測法后得到，并用 uα0和 uβ0替代普通 p－q法中只經(jīng)過 C32變換得到的uα和uβ，將圖3中ip斷開，然后按p－q法的規(guī)律計算出的電流iaq，ibq，icq即為無功電流.

圖3 STATCOM無功電流檢測原理

4 結語

在綜合基于瞬時無功功率理論的p－q和ip－iq2種檢測方法的基礎上，采用一種新的檢測方法對配電網(wǎng)靜止同步補償器的無功電流進行研究.該方法的優(yōu)點是采用無鎖相環(huán)，避免了鎖相環(huán)所帶來延時誤差，并且該方法可以在電壓畸變的情況下，仍然可以檢測出配電網(wǎng)靜止同步補償器的無功電流，所以此方法具有很強的實用性.

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