羅其鋒王 玲于樹海

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局，廣東 中山 528400；2.廣東建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510440；3.廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司北海供電局，廣西 北海 536000）

配網(wǎng)三相不平衡運(yùn)行的無功補(bǔ)償方法研究

羅其鋒1王 玲2于樹海3

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局，廣東 中山 528400；2.廣東建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510440；3.廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司北海供電局，廣西 北海 536000）

在配電系統(tǒng)中，對(duì)于公用配電變壓器由于使用對(duì)象為居民區(qū)或農(nóng)村電網(wǎng)，不平衡現(xiàn)象特別嚴(yán)重。本課題主要是采用PWM控制技術(shù)的并聯(lián)型有源電力濾波器通過仿真軟件SIMULINK研究不平衡狀態(tài)下的無功平衡補(bǔ)償和諧波抑制。對(duì)并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)、控制方法、工作原理、系統(tǒng)特性進(jìn)行了分析和探討，并利用MATLAB中的電力系統(tǒng)仿真工具箱對(duì)其進(jìn)行了建模和仿真。并聯(lián)型有源電力濾波器適用于多種負(fù)載條件下的無功補(bǔ)償和諧波抑制，并能應(yīng)用于電源電流畸變和不平衡條件下。穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果表明，該方案具有很好的無功補(bǔ)償效果、并且具有通用性。

三相負(fù)荷不平衡；并聯(lián)型有源電力濾波器；瞬時(shí)功率理論；MATLAB/SIMULINK

引言

本文的研究工作是針對(duì)在配電系統(tǒng)中，對(duì)于公用配電變壓器由于使用對(duì)象為居民區(qū)或農(nóng)村電網(wǎng)，不平衡現(xiàn)象特別嚴(yán)重的現(xiàn)狀提出來的，試圖為解決配電系統(tǒng)中無功補(bǔ)償?shù)膯栴}做一些應(yīng)用基礎(chǔ)性的研究工作，將電力有源濾波器的研究向?qū)嵱没~進(jìn)。本文主要仿真研究新型并聯(lián)電力有濾波器的對(duì)配電系統(tǒng)三相不平衡負(fù)荷進(jìn)行無功補(bǔ)償和諧波抑制及其情況、效果及其有關(guān)問題。

有源電力濾波器（APF）是當(dāng)今電能質(zhì)量綜合治理的新技術(shù)研究熱點(diǎn)之一。因此作者也一并說明并聯(lián)型有源電力濾波器的系統(tǒng)構(gòu)成和控制方式，得到了用于配電系統(tǒng)三相不平衡負(fù)荷的并聯(lián)型有源電力濾波器的數(shù)學(xué)模型，通過比較，得出最行之有效的控制方法。

并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)比較復(fù)雜，包括非線性器件，作者通過分析其工作原理，得到了適用于MATLAB（一種通用的基于矩陣運(yùn)算的數(shù)字仿真軟件包）仿真的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行了各模塊的參數(shù)設(shè)計(jì)，并通過該模型對(duì)并聯(lián)有源電力濾波器進(jìn)行仿真，仿真的結(jié)果表明該模型可以方便、有效地仿真并聯(lián)有源電力濾波器且得到了理想的要求。

1 利用有源電力濾波器進(jìn)行補(bǔ)償?shù)脑?/h2>

如圖1所示為最基本的有源電力濾波器系統(tǒng)構(gòu)成的原理圖。圖中，Us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。

有源電力濾波器系統(tǒng)主要由兩大部分組成，即指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路（由電流跟蹤控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和主電路三部分構(gòu)成）。

圖1 并聯(lián)型APF原理圖

圖2 ip—iq運(yùn)算方式的原理圖

指令電流運(yùn)算電路的功能主要是從負(fù)載電流iL中分離出諧波電流分量iLH和基波無功電流iLq，將其反極性后作為補(bǔ)償電流法的指令信號(hào)ic*=（iLh+iLq）。電流跟蹤控制電路的功能是根據(jù)主電路產(chǎn)生的補(bǔ)償電流ic應(yīng)跟蹤ic*的原則，計(jì)算出主電路各開關(guān)器件的觸發(fā)脈沖，此脈沖經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后作用于主電路，產(chǎn)生補(bǔ)償電流ic，由于ic*≈ic，所以

iS=iL+ic*=iL+ic=iL—（iLh+iLq） =iLp

即電源電流is中只含有基波的有功分量iLp，從而達(dá)到消除諧波與進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

2 用于三相不平衡電路檢測(cè)的ip—iq運(yùn)算方式

圖3 并聯(lián)型有源濾波器對(duì)不平衡負(fù)荷的仿真電路圖

圖4 被封裝的三相電流的檢測(cè)電路的原理仿真圖

以三相電路瞬時(shí)無功功率為基礎(chǔ)，檢測(cè)三相電路的三種運(yùn)算方式，分別為p—q運(yùn)算方式、ip—iq運(yùn)算方式和d—q運(yùn)算方式。介紹用于本配電系統(tǒng)三相不平衡的基于瞬時(shí)無功功率理論的ip—iq運(yùn)算方式，用此方法來檢測(cè)諧波和無功電流之和，如圖2所示。

其中

該方法中，需要用到與a相電壓ea同相位的正弦信號(hào)sint和對(duì)應(yīng)的余弦信號(hào)-cost，它們由一個(gè)鎖相環(huán)（PLL）和一個(gè)正、余弦信號(hào)發(fā)生器得到。根據(jù)定義可以計(jì)算出ip、iq經(jīng)LPF濾波得到ip、iq的直流分量、。這里ip、iq是由iaf、ibf、icf產(chǎn)生的，因此由ip、iq即可計(jì)算出iaf、ibf、icf，進(jìn)而計(jì)算出iah、ibh、ich。

在本方案中，要檢測(cè)諧波和無功電流之和，只需斷開圖2中計(jì)算ip的通道即可。這也是本文檢測(cè)環(huán)節(jié)的思想。

在對(duì)瞬時(shí)無功功率理論進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)基于ip-iq運(yùn)算方式的諧波電流檢測(cè)法在對(duì)三相電流進(jìn)行3/2相變換時(shí)，三相電流ia、ib和ic中的零序分量相互抵消，所以三相電流中的零序分量不影響該諧波電流檢測(cè)法應(yīng)用于三相四線制電路。數(shù)學(xué)證明如下。

考慮到三相四線制電路三相電流的一般性，設(shè)三相電流ia、ib和ic包含基波和各次諧波的正序、負(fù)序和零序電流，分別為

式中下腳標(biāo)中的1表示正序，2表示負(fù)序，0表示零序，n表示諧波次數(shù)（當(dāng)n=1時(shí)表示基波），I表示電流有效值，表示初相角。將它們變換至α-β兩相。

對(duì)比式（1）和式（2），可見兩式完全相同，即三相電流中的零序電流分量相互抵消，繼續(xù)用基于ip-iq運(yùn)算方式的諧波電流檢測(cè)法的后續(xù)運(yùn)算過程，同樣能夠準(zhǔn)確提取三相電流中的基波正序電流分量，當(dāng)然也不會(huì)影響對(duì)三相諧波、零序和負(fù)序電流分量的檢測(cè)。至此可以得出結(jié)論，文獻(xiàn)[1]中介紹的適用于三相四線制電路的諧波檢測(cè)方法，要求對(duì)三相電流ia、ib和ic剔除零序分量的預(yù)處理是完全不必要的。本文提出的諧波電流檢測(cè)法更加簡(jiǎn)便，有利于實(shí)際物理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，提高電流檢測(cè)的實(shí)時(shí)性。

3 利用并聯(lián)型有源濾波器對(duì)配電系統(tǒng)不平衡負(fù)荷進(jìn)行仿真和分析

3.1 仿真模塊設(shè)計(jì)

在如圖3所示的仿真模塊中，電源是三相工頻交流電，相電壓有效值220V，頻 率50Hz， 它是由Power system blocketelectrical sources模塊中的ACvoltage source信號(hào)源提供；Zs是電源阻抗和線路阻抗的等效阻抗，此部分三相設(shè)置相同的值；負(fù)載設(shè)置成三相不平衡，為了便于分析，同時(shí)體現(xiàn)補(bǔ)償?shù)男Ч?，本文將各相設(shè)置成幅值不等以及各相間的相位值相當(dāng)接近。圖2為ip—iq運(yùn)算方式的原理圖，表示了使用ip—iq運(yùn)算方式求取補(bǔ)償電流指令信號(hào)的方法。該方法用一個(gè)鎖相環(huán)和一個(gè)正、余弦發(fā)生電路得到與a相電源電壓ea同相位的正弦信號(hào)sint和對(duì)應(yīng)的余弦信號(hào)-cost，這兩個(gè)信號(hào)與ia、ib、ic一起計(jì)算出ip、iq，斷開iq通道，經(jīng)LPF濾波得出ip的直流分量。由再以變換可以算出各相的諧波電流分量iLh和基波無功電流iLq之和。根據(jù)圖和公式就可以用SIMULINK構(gòu)造出如圖4所示的運(yùn)算電路，具體仿真電路圖如圖3所示。在這個(gè)電路中，鎖相環(huán)和正、余弦發(fā)生電路采用的是Power system blocketExtra LibraryDiscrete Control Blocks中 的 Discrete 1-phase PLL模塊；C32和C23的模塊要搭建，如圖5所示同時(shí)要注意斷開iq通道后對(duì)整個(gè)被封裝的子系統(tǒng)建立的影響；選擇其濾波類型為：低通濾波器，并把LPF的截止頻率設(shè)為10Hz。

圖5 C32的構(gòu)造接線圖和C23的構(gòu)造接線圖

圖6 三相不平衡負(fù)荷的電流波形

圖7 系統(tǒng)a相電壓和補(bǔ)償后的三相電流波形

3.2 仿真波形及其分析

從圖6中的三相負(fù)荷的電流波形，a，b，c相的電流幅值分別是4.5A，6.5A，2A，幅值不等時(shí)，三相的相位十分相近，這與各相間相位相差120°的要求相距甚遠(yuǎn)。同此可見本文構(gòu)造了一個(gè)不平衡比較嚴(yán)重的負(fù)荷。

圖7為補(bǔ)償0.2秒穩(wěn)定后的波形，補(bǔ)償后三相電流波形幅值基本上相等，同時(shí)，補(bǔ)償后的三相基本上相差120°，補(bǔ)償效果相當(dāng)不錯(cuò)。從該圖可以看到，系統(tǒng)a相電壓和補(bǔ)償后的a相電流的相位差不多，這說明功率因素也得到了提高。因系統(tǒng)三相電壓是相差120°，同理可推知b相和c相的功率因素也得到了提高。同時(shí)，由之前的圖6可知c相含一定的諧波，補(bǔ)償后諧波并不明顯了。

由此可知，補(bǔ)償前電流和補(bǔ)償后的電流的相位發(fā)生了變化。由圖6中可知，a相負(fù)荷電流補(bǔ)償前呈感性，是滯后的，補(bǔ)償后電流的相位提前了；b相是純電阻的，故其補(bǔ)償前后的相位是不變的；c相電流補(bǔ)償前呈容性，是超前的，補(bǔ)償后滯后了。因此，補(bǔ)償后的三相電流的相位能相差120°。

結(jié)語

該并聯(lián)混合型有源電力濾波器的主電路采用IGBT，由于IGBT具有良好的可控性，因此，該濾波器可以快速地反映波形的變化，這使得該有源濾波器具有良好的跟蹤性和實(shí)時(shí)的無功補(bǔ)償效果。從有源濾波器的總體結(jié)構(gòu)來看，該有源電力濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，根據(jù)瞬時(shí)無功功率理論設(shè)計(jì)出的電路，不僅提高了檢測(cè)和運(yùn)算的速度，而且降低了濾波器的損耗，經(jīng)濟(jì)上是可行的。本文主要仿真研究新型并聯(lián)電力有濾波器的對(duì)配電系統(tǒng)三相不平衡負(fù)荷進(jìn)行無功補(bǔ)償和諧波抑制及其情況、效果及其有關(guān)問題。

[1]王兆安，楊君，劉進(jìn)軍.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[2]李民，王兆安，卓放.基于瞬時(shí)無功功率理論的高次諧波和無功功率檢測(cè)[J].電力電子技術(shù)，1992（02）.

[3]商紅桃.三相不平衡電網(wǎng)諧波電流檢測(cè)方法的研究[J].電氣傳動(dòng)，2013，32（12）：74-76.

[4]黃國棟，楊仁剛，馮曉明.三相不平衡負(fù)載無功補(bǔ)償方法的研究[J].電測(cè)與儀表，2011（04）：23-26.

[5]李圣青，羅飛，張昌凡.基于ip及iq運(yùn)算方式的改進(jìn)型諧波電流檢測(cè)方法[J].電氣傳動(dòng)，2003，23（02）：48-50.

[6]馬惠，劉靜芳.基于瞬時(shí)無功功率理論的三相電路諧波、無功和不平衡電流檢測(cè)[J].四川電力技術(shù)，2004（04）.

[7]薛定宇，陳陽泉.基于MATLAB/ Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[8]羅其鋒，程漢湘，于樹海，張艷.有源電力濾波器雙環(huán)軟啟動(dòng)實(shí)用控制策略分析[J].電工電能新技術(shù)，2010（04）.

TM714

A