低壓配電網(wǎng)中有源電力濾波器的仿真研究

袁昕天　陸永耕　王照萌　劉夢花

摘 要：簡要介紹了有源電力濾波器的補(bǔ)償原理，以及應(yīng)用在低壓配電網(wǎng)中的補(bǔ)償電流檢測算法，根據(jù)某配電臺區(qū)存在的三相不平衡和電壓跌落等問題，提出了不同的補(bǔ)償方案，搭建了仿真模型。通過現(xiàn)場實(shí)際采集的反饋數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了所建仿真模型和選取補(bǔ)償方案的合理性。

關(guān)鍵詞：電力濾波器；補(bǔ)償原理；仿真模型；工業(yè)領(lǐng)域

中圖分類號：TM761 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.08.129

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和相關(guān)單位對配變電的三相不平衡治理的重視程度長期欠缺，導(dǎo)致配變電的三相不平衡現(xiàn)象越來越嚴(yán)重。對電能質(zhì)量的調(diào)整治理措施主要從管理上減少不平衡度和技術(shù)方法兩個方面著手。

從技術(shù)方法角度出發(fā)，針對低壓三相不平衡的情況，目前，主要采用人工調(diào)整換相、三相不平衡補(bǔ)償器和三相不平衡自動換向器等技術(shù)進(jìn)行治理。有源電力濾波器（APF）就是三相不平衡補(bǔ)償器的一種，由于我國低壓配電網(wǎng)中絕大多數(shù)采用的是三相四線制的供電方式，所以，本文采用了電容中點(diǎn)型三相四線制式柱上并聯(lián)有源電力濾波（SAPF）作為主要的研究對象。

1 SAPF的補(bǔ)償原理

在工業(yè)領(lǐng)域中，多采用并聯(lián)型APF的方案投入運(yùn)行，SAPF的基本工作原理如圖1所示。

圖中es代表了電網(wǎng)的三相交流相電壓，is，iL和ic分別代表了電網(wǎng)側(cè)流出的電流，負(fù)載側(cè)流入的電流和SAPF輸出的補(bǔ)償電流。有源電力濾波裝置主要由諧波和無功電流檢測電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路（由電流跟蹤控制環(huán)節(jié)、功率開關(guān)驅(qū)動電路、主電路三個部分組成）兩大部分構(gòu)成，主電路采用由IGBT構(gòu)成的電壓型逆變器。檢測出來的無功和諧波補(bǔ)償電流的指令信號通過補(bǔ)償電流發(fā)生電路產(chǎn)生要輸出的補(bǔ)償電流，輸出電流與負(fù)載電流中要補(bǔ)償?shù)臒o功和諧波等電流分量抵消，以此來獲得電網(wǎng)的目標(biāo)電流。以抑制負(fù)載的諧波電流為例，有源電力濾波器首先檢測出負(fù)載電流的諧波分量ih，將其反極性后作為補(bǔ)償電流發(fā)生電路的指令電流信號i*C， 控制有源電力濾波器輸出與ih大小相等，方向相反的補(bǔ)償電流，用以抵消電網(wǎng)電流is中的諧波分量，使得電網(wǎng)電流is中只含負(fù)載電流的基波分量if，從而達(dá)到了抑制電網(wǎng)電流中諧波的目的，用公式描述如下：

同理，如果有源電力濾波器還需要補(bǔ)償負(fù)載的無功功率或治理三相不平衡，只需要在檢測出的電流中加入負(fù)載的基波無功分量或不對稱電路的負(fù)序電流分量，使發(fā)出的補(bǔ)償電流與負(fù)載電流中對應(yīng)的分量相互抵消，從而有效補(bǔ)償無功功率，抑制諧波，改善系統(tǒng)中的功率因數(shù)和電流波形。

2 剔除零序分量的諧波檢測算法

由于傳統(tǒng)的APF的諧波檢測算法只適用于三相三線制，所以，在低壓配電網(wǎng)中可以采用剔除零序電流的方法。本文采用基于對稱分量法的負(fù)荷補(bǔ)償方法對配電網(wǎng)三相不對稱的負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償，根據(jù)對稱分量法，以基波A相電流為例，負(fù)載產(chǎn)生的電流可以分解為各次電流的正、負(fù)序和零序?qū)ΨQ分量，即ia+，ia-和ia0，表達(dá)式如下：

因此得到ip-iq電流檢測法的原理圖，如圖2所示。由于中線電流的存在所以采用了去除中線電流的方法，首先計算出三相不平衡負(fù)載中的零序電流，然后分別用A，B，C三相電流減去零序電流，可以得到除去零序電流后的電流ia，ib，ic，接著通過克拉克（Clark）變換和運(yùn)算矩陣C得到瞬時有功電流ip和瞬時無功電流iq，由于系統(tǒng)中還存在著末端電壓過低的情況，所以，為了兼顧無功補(bǔ)償，改善功率因數(shù)的作用，令其無功電流分量iq為0，然后將處理后的ip和iq再進(jìn)行克拉克反變換，這樣就得到了只含基波有功分量的電流；最后將負(fù)載三相電流與有功基波電流相減就得到了由零序電流、負(fù)序電流和無功基波電流組成的指令電流ica、icb和icc，從而達(dá)到了補(bǔ)償三相不平衡和無功功率的作用。

3 SAPF仿真治理結(jié)果

采集當(dāng)?shù)啬撑渥兣_區(qū)線路末端電壓數(shù)據(jù)記錄在表1中。從表1中的現(xiàn)場數(shù)據(jù)不難看出，該配電臺區(qū)同時存在著供電末端用戶電壓偏低、配電變壓器三相不平衡等問題。

由此提出了3種治理方案：①線路進(jìn)線安裝1臺三相不平衡治理設(shè)備；②變壓器出口側(cè)安裝三相不平衡治理設(shè)備，同時進(jìn)行全線路改造；③線路進(jìn)線安裝1臺三相不平衡治理設(shè)備，線路末端安裝有功換流設(shè)備。

分別對上述3種方案進(jìn)行仿真，線路末端的電壓仿真波形圖如圖3所示。

由圖3可以看出，方案一中三相不平衡得到了解決，但是末端電壓依然比較低；方案二雖然末端的電壓得到了提升，但是由于APF的容量有限對三相平衡度的改善不是很明顯；方案三很好地解決了三相不平衡的問題，且末端電壓也得到了提升。

選用第三種補(bǔ)償方案，并在線路末端測試點(diǎn)位置使用日志3198進(jìn)行測量并記錄相關(guān)參數(shù)，數(shù)據(jù)每3 s記錄一次，得到了表2中數(shù)據(jù)。

從以上結(jié)果可以看出，如果不采取諧波治理措施，在用電高峰時段三相不平衡嚴(yán)重，線路末端跌落明顯。經(jīng)過治理后，系統(tǒng)電能質(zhì)量達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)，補(bǔ)償效果明顯，驗(yàn)證了所建模型的仿真結(jié)果具有一定的指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

本文首先就配電網(wǎng)中存在的電能質(zhì)量下降的現(xiàn)象提出了使用APF治理的方法，介紹了其補(bǔ)償原理和電流檢測算法。就某配變臺區(qū)的測量數(shù)據(jù)，反映了三相不平衡和末端電壓跌落等現(xiàn)象，提出了不同的綜合治理方案，并通過仿真確立了最優(yōu)補(bǔ)償方案。仿真結(jié)果和實(shí)際現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)表明，該綜合補(bǔ)償方案對系統(tǒng)電壓支撐和三相不平衡補(bǔ)償治理效果明顯。

參考文獻(xiàn)

[1]許維國.三相四線制有源電力濾波器控制算法的研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2009.

[2]李戰(zhàn)鷹，任震，楊澤明.有源濾波裝置及其應(yīng)用研究綜述[J].電網(wǎng)技術(shù)，2004，28（22）.

[3]李心廣，賴聲禮，秦華標(biāo).電網(wǎng)的無功及三相不平衡綜合補(bǔ)償研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2001（10）.

[4]楊杰，賴聲禮，李心廣.三相電壓不對稱時諧波與基波有功、無功電流的精確檢測方法研究[J].繼電器，2003，31（04）.

〔編輯：張思楠〕