基于多機組并聯(lián)的10 kV電網(wǎng)有源濾波器擴容方法

王玲，代東旭，馬志騏，陳超楠，孫文(.國網(wǎng)遼寧省電力公司本溪供電公司，遼寧 本溪　7000; .河海大學 電氣工程學院，江蘇 南京　0000)

0　引　言

供電電能質(zhì)量的問題近些年來越來越引起人們的重視[1]。一方面隨著我國配電網(wǎng)中各種變流器設(shè)備、變頻調(diào)速裝置、電弧爐以及電氣化鐵路等以非線性、沖擊性和不平衡為特征的新型負載的不斷增加，造成電網(wǎng)中無功電流大量遠距離傳輸、電壓電流崎變嚴重、三相系統(tǒng)明顯不平衡，甚至引起電壓的波動和閃變[2-4]。另一方面，伴隨現(xiàn)代工業(yè)自動化生產(chǎn)和計算機技術(shù)的快速發(fā)展，各種新型用電設(shè)備對電能質(zhì)量愈加敏感[5-6]。不僅低劣的供電質(zhì)量會導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量降低，而且供電的中斷所造成的經(jīng)濟損失也十分巨大。因此，如何進一步提高電能質(zhì)量已成為當前迫切需要解決的重要問題。有源濾波器[7-8](Active Power Filter，簡稱APF)正是在上述背景下被提出的，然而，受限于電力電子器件單體容量限制，單機APF無法滿足10 kV輸電網(wǎng)絡(luò)大容量補償需求。

本文提出一種基于多機并聯(lián)技術(shù)的10 kV電網(wǎng)有源濾波器擴容方法，考慮到10 kV電網(wǎng)負載側(cè)特有的中壓、大電流特性，采取變流器并聯(lián)技術(shù)實現(xiàn)APF裝置容量提升。建模可知，并聯(lián)APF電路模型中存在低頻環(huán)流通路，從而影響并聯(lián)APF控制系統(tǒng)電流內(nèi)環(huán)運行特性，為此采取零序電壓修正方式實現(xiàn)并聯(lián)APF環(huán)流限制。最后，10 kV/1 MW工程樣機對APF并聯(lián)補償技術(shù)進行可行性驗證，裝置投入后10 kV網(wǎng)側(cè)電流總畸變率降低為3.1%，且諧波分量均集中在兩倍開關(guān)頻率及其倍頻段。

1　單機組APF系統(tǒng)等效建模

圖1(a)所示為多機組并聯(lián)APF系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖中APF通過10 kV/660 V降壓變壓器連接公共接入點(PCC)，k組逆變器共用直流濾波電容C。APF基本思路是在PCC處注入與諧波電流相位一致、幅值反向的補償電流，以保住電網(wǎng)輸入端電流低畸變率。圖1(b)中給出了單組逆變器單元理想開關(guān)模型，圖中p、n分別為直流側(cè)正、負母線。功率器件的開關(guān)函數(shù)定義如下：

圖1　多機組并聯(lián)APF系統(tǒng)原理

(1)

以直流母線的n端為參考點，根據(jù)基爾霍夫電壓、電流定律建立三相變換器的開關(guān)函數(shù)模型為:

idc=[sasbsc][iaibic]T

(2)

[uaubuc]T=[sasbsc]〗Tudc

(3)

(4)

式中:udc、idc分別為直流側(cè)的電壓、電流；L為APF交流側(cè)的濾波電感；ua、ub、uc分別為APF交流側(cè)a、b、c相電壓；ia、ib、ic分別為APF交流側(cè)a、b、c相電流；sa、sb、sc分別為變換器a、b、c相的開關(guān)函數(shù)；uan、ubn、ucn分別為電網(wǎng)a、b、c相電壓；uno為逆變器p端相對于三相電網(wǎng)0點的參考點的電壓。

2　多機組APF系統(tǒng)環(huán)流特性分析

圖2　多機組并聯(lián)APF系統(tǒng)環(huán)流原理

圖2所示為多機組并聯(lián)APF系統(tǒng)環(huán)流分析示意圖，為了便于分析并聯(lián)APF系統(tǒng)環(huán)流流通路徑，定義Ckj為第j逆變器第k相的環(huán)流。至此，可將k組APF單元的a相環(huán)流表示為:

(5)

同理，將a相環(huán)流表達式推廣至bc相，可得abc三相k組單元環(huán)流表達式為:

(6)

式中:d1k、d2k、d3k分別為PWM調(diào)制主、次、零矢量占空比。

分析式(6)可知，直流母線電壓udc和交流電壓eabc為環(huán)流主要激勵源。此外，由于采取不同的并聯(lián)控制策略和PWM調(diào)制方法，使得k組APF單元出現(xiàn)不同的PWM開關(guān)狀態(tài)，從而造成并聯(lián)系統(tǒng)出現(xiàn)多組環(huán)流通路。在各PWM整流單元阻抗一致的情況下，環(huán)流大小將僅與各PWM整流器單元占空比有關(guān)，與其他因素均無關(guān)系。

3　載波移相系統(tǒng)環(huán)流抑制方法

為了提升APF系統(tǒng)對于高頻諧波電流的補償能力，需要采取較高的PWM開關(guān)頻率以提升電流內(nèi)環(huán)帶寬。然而，考慮到開關(guān)器件的開關(guān)損耗特性，需對單組APF單元最大PWM開關(guān)頻率加以限制?；谏鲜鲈颍扇≥d波移相PWM調(diào)制方式實現(xiàn)等效開關(guān)頻率提升。圖3中以兩機組APF并聯(lián)為例，給出了載波移相PWM工作原理。由圖3可知，雖然兩機組APF調(diào)制信號m*相同，由于三角載波互差180°，對應(yīng)的PWM1、PWM2信號存在一定的差異。該差異將造成兩組APF電流紋波脈動時刻移位，最終實現(xiàn)雙機組APF網(wǎng)側(cè)電流紋波脈動頻率提升。

圖3　載波移相PWM工作原理

從APF機組零序電流的數(shù)學模型式(6)可以看出，零序電流的變化率由兩個APF機組的零序占空比之差決定。并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中通常采用的SPWM方式，采用非零矢量Vi(i=1,2,…,6)和零矢量Vi(i=0,7)來合成控制矢量，如圖4所示。設(shè)非零矢量的占空比分別為d1、d2，零矢量占空比為d0，則:

d0=1-d1-d2

(7)

圖4　零矢量占空比修正原理

在七段式SPWM調(diào)制方式中通常對零矢量的作用時間t0、t7進行等值分配，引入環(huán)流控制變量y后，將零矢量V7的時間修正為(d0/2-2y)T，零矢量V0的時間修正為(d0/2+2y)T，其中變量y滿足:

(8)

此時，零矢量V0、V7占空比的取值范圍均為[0,d0]，且滿足兩者之和為d0。當2個變換器的給定電流相等時，電流調(diào)節(jié)器輸出的電壓給定值基本相等，即逆變器1、2單元的非零矢量占空比等效，零序電流在dqz旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學模型簡化為:

(9)

式(9)表明，APF并聯(lián)系統(tǒng)z軸與dq軸完全解耦，且為一階慣性環(huán)節(jié)，因此可選用PI調(diào)節(jié)器作為零序環(huán)流調(diào)節(jié)器。圖5所示為多機組APF并聯(lián)系統(tǒng)控制框圖。

4　實驗驗證

為驗證所提多機組APF并聯(lián)系統(tǒng)的可行性和有效性，搭建了圖6所示的雙100 kW并聯(lián)APF系統(tǒng)測試平臺，圖中兩機組分別為APF1和APF2，測試平臺諧波源以二極管整流單元進行模擬。

首先，為驗證APF對于電網(wǎng)諧波補償能力，圖7中給出了APF補償前后網(wǎng)側(cè)電流測試結(jié)果。首先，從圖7(a)中電流補償前二極管整流橋a相電流iah可知，其呈典型的6脈動特性。在圖7(b)中iah頻譜分析結(jié)果中，iah總畸變率達到23.4%，且低頻諧波分量含量較大，且多集中在6倍、12倍頻段；圖7(a)中APF系統(tǒng)a相給定電流iaf，iaf通過APF系統(tǒng)注入電網(wǎng)后，網(wǎng)側(cè)電流ia呈標準正弦波形態(tài)，在圖7(c)中ia頻譜分析結(jié)果中，ia低頻諧波分量得到了有效抑制，其總畸變率僅為3.1%，且多分布于30倍頻以上的高頻段。由此可見，APF系統(tǒng)對于優(yōu)化網(wǎng)側(cè)電流品質(zhì)具有積極意義。

圖6　雙100 kW并聯(lián)APF系統(tǒng)測試平臺

圖7　APF補償前后網(wǎng)側(cè)電流測試結(jié)果

其次，為驗證雙100 kW并聯(lián)APF系統(tǒng)均流效果，圖8中給出了采取環(huán)流抑制方法前、后APF系統(tǒng)測試結(jié)果。圖8(a)中為無環(huán)流抑制環(huán)節(jié)，ia1、ia2出現(xiàn)一定的幅值偏差，最大達到100 A。此時，APF1機組，存在過電流風險。圖8(b)中為有環(huán)流抑制環(huán)節(jié)，此時APF1和APF2注入的a相電流幅值、相位均一致，其最大電流誤差僅為20 A，可見文中提及的修正零序電壓環(huán)流抑制方法的可行性。圖8(c)中給出了并聯(lián)前端口線電壓uab1、uab2及并聯(lián)后端口線電壓uab，并聯(lián)前uab1、uab2均呈現(xiàn)3階梯PWM特性。采取PWM載波移相后，相位差使得線電壓uab階梯數(shù)增多，更多的階梯數(shù)下PWM波形品質(zhì)明顯提升，進一步說明了SPWM載波移相技術(shù)對于提升APF系統(tǒng)等效開關(guān)頻率的積極性。

圖8　環(huán)流抑制單元投入前、后運行結(jié)果

5　結(jié)束語

本文提出了一種基于多機并聯(lián)技術(shù)的10 kV電網(wǎng)諧波抑制方法，并雙100 kW并聯(lián)APF系統(tǒng)測試平臺對所提方法進行性能驗證，可以得出以下結(jié)論：

(1)將并聯(lián)載波移相PWM技術(shù)應(yīng)用于多機APF系統(tǒng)中，可有效提升系統(tǒng)等效開關(guān)頻率，保證并網(wǎng)逆變系統(tǒng)電網(wǎng)接入端口的電流品質(zhì)；

(2)零矢量占空比調(diào)節(jié)法在無需改變電路拓撲的前提下，可有效降低并聯(lián)逆變系統(tǒng)中的零序環(huán)流，保證了多機APF并聯(lián)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行。

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