楚烺

（廣州供電局有限公司番禺供電局 廣東省廣州市 511400）

一種并聯(lián)混合型電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器注入支路的參數(shù)設(shè)計(jì)方法

楚烺

（廣州供電局有限公司番禺供電局 廣東省廣州市 511400）

并聯(lián)混合型電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器注入支路的參數(shù)對(duì)有源部分諧波注入能力有很大影響，研究注入支路參數(shù)設(shè)計(jì)具有重要意義。本文以獲得最大諧波注入能力為目標(biāo)，建立有源部分注入電網(wǎng)的諧波量與注入支路元件參數(shù)的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行分析求解，得到注入支路最優(yōu)參數(shù)，降低了有源部分容量需求，易于實(shí)現(xiàn)裝置在高電壓大功率場(chǎng)合的應(yīng)用。

注入支路；參數(shù)設(shè)計(jì)；諧波注入能力

引言

并聯(lián)混合型電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（Shunt hybrid power quality conditioner，SHPQC）能克服無源電力濾波器易與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振的缺陷，且相對(duì)有源電力濾波器容量更大[1～6]。

為了能應(yīng)用于高壓大功率場(chǎng)合，應(yīng)盡可能降低SHPQC有源部分承受的電壓，提高有源部分的諧波注入能力[7]。本文研究一種注入支路的參數(shù)設(shè)計(jì)方法，通過建立相關(guān)參量間的函數(shù)模型并求解得到一組最優(yōu)的注入支路元件參數(shù)，使有源部分諧波注入能力最強(qiáng)，更易實(shí)現(xiàn)SHPQC在高壓大功率場(chǎng)合的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理

本節(jié)介紹一種SHPQC的結(jié)構(gòu)，結(jié)合其單相等效電路闡述了基本工作原理。

1.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

所述SHPQC的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括由電壓型逆變器等構(gòu)成的有源部分及由多組單調(diào)諧無源濾波器構(gòu)成的無源部分，實(shí)現(xiàn)諧波抑制及無功補(bǔ)償功能。電壓型逆變器輸出端通過輸出濾波電抗器L0與電感L并聯(lián)再接至隔離變壓器原邊，隔離變壓器副邊與一組單調(diào)諧無源濾波支路串聯(lián)后并聯(lián)接入電網(wǎng)。由C1及L1構(gòu)成某單次諧波諧振支路，有源部分只向電網(wǎng)注入相應(yīng)單次諧波。此諧振支路對(duì)基波阻抗Z1呈容性，與電感L對(duì)電網(wǎng)電壓串聯(lián)分壓，電壓型逆變器的直流側(cè)電容通過與L交換能量實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓Udc的穩(wěn)定。

圖1 系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)的基本原理

此SHPQC的單相等效電路如圖2所示。將負(fù)載看做一個(gè)電流源，其峰值為ILd，其中負(fù)載電流中的諧波電流峰值為ILdh；有源濾波器部分的電壓型逆變器的輸出等效為一個(gè)電壓源，其峰值為UF；隔離變壓器原邊并聯(lián)的小電感L兩端基波分壓峰值為UL。設(shè)SHPQC有源濾波器部分的輸出電感L0兩端的電壓峰值為Un，即電壓型逆變器輸出的n次諧波電壓，因此，可得有源濾波器部分發(fā)出的諧波電流峰值IF如下：

其中ZL0h為電感L0的n次諧波阻抗。

有源部分中逆變器發(fā)出的諧波電流IF中的一部分Ih通過單次諧波諧振支路注入電網(wǎng)，另一部分諧波電流流入逆變器交流側(cè)并聯(lián)的電感L。

圖2 單相等效電路圖

2 電壓型逆變器及注入支路模型分析

本節(jié)主要對(duì)有源部分中電壓型逆變器及注入支路進(jìn)行數(shù)學(xué)模型分析，為有源部分在諧波域的整體數(shù)學(xué)模型建立提供依據(jù)。

2.1 有源濾波器模型分析

如圖3所示，設(shè)電壓型逆變器交流側(cè)輸出的相電壓瞬時(shí)值為Uapf，忽略電網(wǎng)背景諧波電壓的影響，則有：

其中θ、θn分別為電感L的基波相位和有源部分逆變器輸出諧波電壓相位，da為逆變器a相的占空比，Uapf的峰值為UF。

圖3 電壓型逆變器單相等效電路圖

假設(shè)電壓型逆變器可以承受的直流側(cè)最大穩(wěn)定直流電壓為Udcm，則由上式可知：

當(dāng)Udc=Udcm時(shí)，Unm為電壓型逆變器能輸出的最大諧波電壓峰值，由于諧波電壓相位θn不同則其峰值Unm大小也不一樣，因此，取所有相位中諧波輸出峰值中的最小值（即取UL和Un峰值疊加的情況）作為諧波電壓峰值即n次諧波的最大輸出能力，即令：

則Unm為電壓型逆變器能輸出的最大n次諧波電壓峰值。

2.2 注入支路模型分析

注入支路單相等效電路如圖4所示，可看作由C1、L1及L組成。圖中，設(shè)單調(diào)諧無源濾波支路的基波阻抗為Z1，則有：

由于Z1呈容性，因此，Z1＜0。此單調(diào)諧無源濾波支路的n次諧波阻抗為Z1h，由于偏諧及元件內(nèi)阻等原因，無源濾波支路的阻抗為較小的阻感性的阻抗，所以Z1h＞0。

注入支路中電感L上的基波電壓峰值為UL，則：

由于電網(wǎng)側(cè)電壓為高電壓，而SHPQC的有源部分不能承受很高的基波電壓，因此L的電感值很小，Z1遠(yuǎn)大于電感L的基波阻抗ZL，整條注入支路的基波阻抗呈容性，即：

所以電感L上的基波電壓峰值UL的表達(dá)式符號(hào)為負(fù)號(hào)，由UL的表達(dá)式可知，ZL越大，電感L兩端的基波電壓越大，則SHPQC的有源部分承受的基波電壓也越大，因此，L的電感值不能太大。

圖4 注入支路單相等效圖

3 注入支路參數(shù)設(shè)計(jì)

本節(jié)建立有源部分注入電網(wǎng)的諧波電流與注入支路元件參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，并分析求解，得到使諧波注入能力最強(qiáng)的注入支路元件參數(shù)，并闡述了注入支路的具體參數(shù)設(shè)計(jì)步驟。

3.1 數(shù)學(xué)模型建立

SHPQC諧波分流等效電路圖如圖5。無源濾波支路的n次諧波阻抗為Z1h，電感L的n次諧波阻抗為ZLh=nZL。若Udc=Udcm時(shí)，SHPQC的有源濾波器輸出的n次諧波電流峰值為IF，則：

式中ZL0為L0的基波阻抗。

圖5 諧波分流等效電路圖

Ih為SHPQC有源濾波器輸出的n次諧波電流IF中注入電網(wǎng)的諧波電流的峰值，由此可得：

由上式可知當(dāng)IF不變時(shí)，ZL越大，則Ih越，即SHPQC的諧波注入能力越強(qiáng)，因此L的電感值不能太小。將IF的表達(dá)式代入上式，得：

將UL的表達(dá)式代入上式，整理可得：

式中，Udcm/2、US為已知量，若n及C1、L1的參數(shù)值已知，則Z1、Z1h為已知量，上式右邊只有ZL為未知量，因此Ih可以看成ZL的函數(shù)Ih（ZL），即有源部分向電網(wǎng)注入的諧波電流大小只與逆變器交流側(cè)并聯(lián)的小電感L的阻抗ZL有關(guān)。

3.2 模型分析求解

本節(jié)通過分析求解函數(shù)模型Ih（ZL），得到最佳的電感L參數(shù)使有源部分注入電網(wǎng)的諧波電流Ih取得最大值。

為了方便模型分析求解，現(xiàn)做如下轉(zhuǎn)化：

將Ih（ZL）對(duì)ZL求導(dǎo)，求出導(dǎo)數(shù)I′h（ZL）為零的點(diǎn)，可求出Ih（ZL）的極大值點(diǎn)，即為Ih（ZL）的最大值點(diǎn)，從而可求得對(duì)應(yīng)的電感L的值。由SHPQC的工作原理可得：

在此區(qū)間內(nèi)，v（ZL）≠0，故Ih（ZL）對(duì)ZL可導(dǎo)，其導(dǎo)數(shù)I′h（ZL）如下：

由以上分析可知I′h（ZL）=0存在兩個(gè)解，如下：

由于b2-4ac＞b2，因此可得：

由上述分析可知，Ih（ZL）在ZL=ZL2時(shí)取得最大值；代入各項(xiàng)已知參數(shù)計(jì)算出a、b、c，然后代入上述ZL2的表達(dá)式求出ZL2的值，則可得對(duì)應(yīng)的電感L值如下：

此電感值L即為其他條件已知情況下使SHPQC注入電網(wǎng)的n次諧波電流最大的參數(shù)值。

3.3 參數(shù)設(shè)計(jì)步驟

本節(jié)根據(jù)上述理論分析，給出具體的注入支路參數(shù)設(shè)計(jì)步驟。上述理論是假設(shè)Udcm/2、US、n、C1、L1均為已知量的條件下，求得的電感值L的表達(dá)式，實(shí)際參數(shù)設(shè)計(jì)過程中需要先確定注入支路中的其他元件參數(shù)量再確定并聯(lián)電感L的參數(shù)。

（1）首先，確定SHPQC注入支路中單調(diào)諧無源濾波器的諧振頻率n及其所要提供補(bǔ)償?shù)臒o功量Q；

（2）根據(jù)單調(diào)諧無源濾波器的無功量Q確定單調(diào)諧無源濾波器中的電容值C1，然后根據(jù)其諧振頻率n確定電感L1的參數(shù)；

（3）US為電網(wǎng)電壓峰值，是已知量，根據(jù)上述有源濾波器模型分析理論可求得Udcm值；

（4）確定以上各參數(shù)值后，將各參數(shù)值代入上述電感L的表達(dá)式，求出電感L的參數(shù)值；

（5）對(duì)所設(shè)計(jì)的參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，可采用計(jì)算和仿真等方法，根據(jù)以上設(shè)計(jì)的L1、C1及L的參數(shù)值，分析SHPQC的整條注入支路是否會(huì)引起特征次諧波諧振。如果發(fā)生特征次諧波諧振，則適當(dāng)調(diào)整電感L的參數(shù)值，保證注入支路不會(huì)引起特征次諧波諧振的同時(shí)盡可能使SHPQC向電網(wǎng)注入的n次諧波電流值最大。

4 結(jié)論

本文提出了一種SHPQC注入支路的參數(shù)設(shè)計(jì)方法，以最大化有源部分的諧波注入能力為目標(biāo)，通過建立相關(guān)參量間的函數(shù)模型并分析求解得到一組最優(yōu)的注入支路元件參數(shù)，使有源部分諧波注入能力最強(qiáng)，降低對(duì)有源部分容量的要求，從而使裝置更易實(shí)現(xiàn)在高壓大功率場(chǎng)合的應(yīng)用。

[1]羅安.電網(wǎng)諧波治理和無功補(bǔ)償技術(shù)及裝備[M].北京：中國電力出版社，2006.

[2]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.

[3]FUJITAH.Ahybrid active filter for damping of harmonic resonance in industrial power systems.IEEE Trans on Power Electronics，2000，15（2）：215～222.

[4]帥智康，羅安，范瑞祥，周柯，唐杰.注入式混合有源電力濾波器的注入支路設(shè)計(jì).電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007，31（5）：57～60.

[5]HAFNERJ，AREDSM，HEUMANNK filter appliedto high voltage distribution Power Delivery，1997，12（1）：266～272.

[6]程瑩，羅安，浣威.注入式混合有源電力濾波器的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)及其工程應(yīng)用.電網(wǎng)技術(shù)，2010，34（10）：53～59.

[7]鞠建永，徐德鴻.混合型有源電力濾波器有源部分容量比較.電能質(zhì)量管理，2007：34～39.

TM73

A

1004-7344（2016）05-0096-03

2016-2-5

楚烺（1988-），男，湖南人，碩士研究生，主要從事電能質(zhì)量治理和新能源發(fā)電技術(shù)的研究。