低壓配電網(wǎng)統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器應(yīng)用技術(shù)分析

勝業(yè)電氣股份有限公司 王惠東

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的背景下，大量電力電子設(shè)備被接入低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)中，不僅大大增加了電網(wǎng)輸配電環(huán)節(jié)與用電終端的非線性負(fù)載，還會(huì)降低低壓配網(wǎng)供電線的負(fù)荷功率因數(shù)，為切實(shí)提升電網(wǎng)的電能質(zhì)量，需合理應(yīng)用統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器。

1 當(dāng)前低壓配電網(wǎng)存在的電能質(zhì)量問(wèn)題

隨著對(duì)生活質(zhì)量要求的不斷提高，220V/380V低壓配電網(wǎng)電能供應(yīng)的質(zhì)量受到廣泛關(guān)注，但受接入低壓配電網(wǎng)中的供電設(shè)備數(shù)量不斷增加的影響，低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)了諸如無(wú)功功率缺額、諧波量增加、電壓質(zhì)量下降、負(fù)載三相不平衡問(wèn)題嚴(yán)重等情況。

首先，在新農(nóng)村建設(shè)過(guò)程中，為推動(dòng)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展，電鍍機(jī)、轉(zhuǎn)水泵等機(jī)械設(shè)備得到了廣泛的普及，使得農(nóng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中消耗的無(wú)功功率在低壓配電網(wǎng)中所占比例不斷增加，導(dǎo)致低壓配電網(wǎng)的電能質(zhì)量大幅度下降；其次，家庭中各類用電設(shè)備的普及度不斷提升，使得大量諧波對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生了一定的沖擊。如，電視機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的3次、5次、7次、9次諧波，在城市中廣泛使用的熒光燈3次諧波含有率在75%左右，家庭常用電冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)等電氣設(shè)備低頻諧波含有率在40%左右。同時(shí)，計(jì)算機(jī)在低壓配電網(wǎng)諧波源中所占的比例不斷增加，上述情況都在極大程度上增加了低壓配電網(wǎng)中諧波的含量。

再次，低壓配電網(wǎng)區(qū)域性、時(shí)段性負(fù)荷增加情況較為頻繁，會(huì)導(dǎo)致低壓配電網(wǎng)負(fù)荷嚴(yán)重分布不均，用電隨機(jī)性大、負(fù)荷性質(zhì)多樣等情況出現(xiàn)，進(jìn)而對(duì)正常用電產(chǎn)生極為不利的影響。如，夏季干旱時(shí)大范圍的灌溉活動(dòng)、夏冬季節(jié)空調(diào)設(shè)備的大范圍應(yīng)用，都會(huì)導(dǎo)致區(qū)域性、時(shí)段性的負(fù)荷增加，進(jìn)而影響低壓配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量；最后，單相生活電器設(shè)備有著單相功率大、使用隨機(jī)等特點(diǎn)，大量接入低壓配電網(wǎng)會(huì)導(dǎo)致三相不平衡問(wèn)題出現(xiàn)，不僅會(huì)影響低壓配電系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性，還會(huì)增大輸電線路與配電變壓器的損耗，嚴(yán)重情況下會(huì)引發(fā)電力事故[1]。

2 統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其檢測(cè)技術(shù)

當(dāng)前提升低壓配電網(wǎng)質(zhì)量的方法主要有兩種：一是通過(guò)提升供電企業(yè)電能供應(yīng)質(zhì)量的方式，從源頭上保證電力資源需求能夠得以滿足；二是通過(guò)在低壓配電網(wǎng)上加裝質(zhì)量控制裝置的方式，通過(guò)技術(shù)手段解決電能質(zhì)量問(wèn)題。過(guò)去一段時(shí)間內(nèi)較常用的電能質(zhì)量控制裝置包括動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器、靜止無(wú)功發(fā)生器、有源電力濾波器等，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中上述裝置無(wú)法同時(shí)解決低壓配電網(wǎng)的無(wú)功不足、諧波量大、電壓質(zhì)量偏低、三相不平衡等問(wèn)題。而統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器作為一種既可對(duì)電壓電能質(zhì)量問(wèn)題加以補(bǔ)償、又可對(duì)負(fù)載電流電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行補(bǔ)償?shù)难b置，其應(yīng)用情況受到廣泛關(guān)注。

2.1 統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分類方式

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器技術(shù)研究也在不斷深入，為保證統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器能夠更好地適應(yīng)不同的電網(wǎng)環(huán)境條件，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了一定的差別。統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類方式較多，較為常見的分類方式包括基于變換器拓?fù)涞姆诸悾渲邪妷涸葱团c電流源型兩種；基于供電系統(tǒng)的分類，其中包括單項(xiàng)雙線制、三相三線制、三相四線制等；基于統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的分類，依據(jù)并聯(lián)變流器相對(duì)于串聯(lián)變流器的位置，可將其分成右并聯(lián)與左并聯(lián)兩種；基于不同相路相互連接的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器；多路轉(zhuǎn)換統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器等。

2.1.2 主電路拓?fù)?/p>

圖1為在低壓配電網(wǎng)上工作的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器主電路拓?fù)?，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中有兩個(gè)變換器，一個(gè)作為并聯(lián)APF單元與負(fù)荷相連，另一個(gè)作為串聯(lián)APF單元與電源相連；無(wú)源濾波器將變換器與電網(wǎng)系統(tǒng)連到一起，起到了平滑電流波形的作用，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)變換器與電網(wǎng)間的電氣隔離，可在此添加隔離變壓器；普通的直流連接可由電容器或電感器完成，串聯(lián)絕緣變壓器與電網(wǎng)中的串聯(lián)變換器相連；串聯(lián)側(cè)的無(wú)源低通濾波器可幫助電網(wǎng)去除高頻開關(guān)波并形成變換器，實(shí)現(xiàn)電壓的正常輸出[2]。

圖1 統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器主電路拓?fù)鋱D

2.1.3 功率流動(dòng)分析

統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器能對(duì)用戶側(cè)的諧波進(jìn)行補(bǔ)償（圖2）。具體來(lái)說(shuō)，統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器在工作過(guò)程中，網(wǎng)側(cè)電壓源能為統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器提供流動(dòng)功率PS，為對(duì)網(wǎng)側(cè)電壓質(zhì)量問(wèn)題加以彌補(bǔ)，統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器串聯(lián)單元可通過(guò)串聯(lián)變壓器向電網(wǎng)傳輸功率PSC，并聯(lián)單元從電網(wǎng)吸收PPC的功率，然后將功率分成PSC與直流側(cè)電容器存儲(chǔ)功率PdC，串聯(lián)變壓器提供能通過(guò)負(fù)載所需功率PL與PPC。對(duì)上述功率流動(dòng)情況進(jìn)行總額及可得到統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器與電網(wǎng)負(fù)載間的功率流動(dòng)方程：

圖2 統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器功率流動(dòng)分析

對(duì)方程進(jìn)行分析可了解到，在該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，由于串并聯(lián)單元的直流側(cè)電容相同，這就使得兩個(gè)變換器在工作過(guò)程中存在強(qiáng)耦合關(guān)系，若交流電源側(cè)出現(xiàn)電壓降低或電壓諧波、電壓分布不平衡等情況時(shí)，串聯(lián)單元將會(huì)對(duì)并聯(lián)單元直流側(cè)電壓產(chǎn)生影響，并對(duì)并聯(lián)側(cè)電流補(bǔ)償能力產(chǎn)生不利影響。

2.1.4 直流側(cè)拓?fù)浞桨?/p>

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，為切實(shí)解決統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器串并聯(lián)單元的耦合問(wèn)題，可通過(guò)構(gòu)建電阻隔離型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、虛擬阻抗隔離型統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器拓?fù)涞确绞?，降低因串?lián)單元電網(wǎng)電壓質(zhì)量問(wèn)題對(duì)并聯(lián)單元直流側(cè)電壓的影響。

具體來(lái)說(shuō)，電阻隔離型拓?fù)涫且环N利用電阻將統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器串并聯(lián)單元直流側(cè)電容進(jìn)行隔離、降低電功率流動(dòng)與并聯(lián)單元直流側(cè)電壓影響的方式，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中可提高并聯(lián)單元的補(bǔ)償精度，有效提高裝置電流的補(bǔ)償性能；虛擬阻抗隔離型統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器拓?fù)湓趯?shí)際使用過(guò)程中，有著較高的穩(wěn)定性與補(bǔ)償效果，但需要注意的是，若電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)電壓質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，那么虛擬阻抗隔離型統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器拓?fù)渲绷鱾?cè)間將會(huì)出現(xiàn)較大的能量波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致直流側(cè)隔離電阻產(chǎn)生大量的能量損耗，降低統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器整體的效率[3]。

2.2 統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器諧波與無(wú)功檢測(cè)方法

2.2.1 無(wú)功檢測(cè)方法的原理

目前常用的無(wú)功檢測(cè)方法主要包括以下幾種，其檢測(cè)原理如下：

p-q瞬時(shí)無(wú)功檢測(cè)算法。在經(jīng)過(guò)αβ和dq后，對(duì)三相電壓ua、ub、uc與電流ia、ib、ic的坐標(biāo)進(jìn)行變換，在此基礎(chǔ)上對(duì)瞬時(shí)有功和無(wú)功功率p、q進(jìn)行計(jì)算，然后通過(guò)低通濾波器的使用，對(duì)其直流分量加以提取，之后，繼續(xù)變換器坐標(biāo)，最終方能獲得補(bǔ)償指令信號(hào)；ip-iq檢測(cè)算法。這種算法是在上述算法基礎(chǔ)上創(chuàng)新而成的無(wú)功檢測(cè)算法，兩種算法之間最大的差別是該算法需要利用信號(hào)sinωt和cosωt，同時(shí)，還要借助定義對(duì)瞬時(shí)有功和無(wú)功電流進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。

理想諧波消除法。是一種對(duì)瞬時(shí)無(wú)功功率理論與UPF法進(jìn)行優(yōu)化的算法，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，能夠?qū)ω?fù)載產(chǎn)生的全部諧波和無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償，在此基礎(chǔ)上消除不平衡，從而保證網(wǎng)側(cè)電流和電網(wǎng)電壓基波正序分量u1+同相(isref=Ku1+)是該算法主要目的。在這一過(guò)程中，網(wǎng)側(cè)電源的輸出功率為Ps=u isref=uKu1+=K(uαuα1++uβuβ1+)；延時(shí)信號(hào)消除法。這種方法被廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)電壓正負(fù)序分量提取過(guò)程中，這種算法既可將經(jīng)過(guò)αβ坐標(biāo)變換的畸變?nèi)嘞到y(tǒng)中的電網(wǎng)電壓延時(shí)1/4周期，又可實(shí)現(xiàn)諧波的延時(shí)，便于系統(tǒng)在后續(xù)工作過(guò)程中實(shí)現(xiàn)諧波的抵消。

2.2.2 無(wú)功檢測(cè)方法仿真分析

為對(duì)上述幾種算法的應(yīng)用效果進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，將網(wǎng)側(cè)電壓是否存在畸變現(xiàn)象或不平衡等情況作為依據(jù)設(shè)計(jì)了多種工況，并在三相三線制統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器系統(tǒng)檢測(cè)環(huán)節(jié)中予以應(yīng)用。分析結(jié)果如下所述：

在電源電壓三相平衡且不存在諧波的工況條件下，p-q瞬時(shí)無(wú)功檢測(cè)算法、ip-iq檢測(cè)算法和理想諧波消除法的應(yīng)用效果較為突出，具體表現(xiàn)為響應(yīng)速度快，且檢測(cè)出的無(wú)功、有功因素較為優(yōu)異；在負(fù)載為三相不對(duì)稱性負(fù)載的工況下，p-q瞬時(shí)無(wú)功檢測(cè)算法、ip-iq檢測(cè)算法和理想諧波消除法的應(yīng)用效果較為突出，具體表現(xiàn)為響應(yīng)速度快，且檢測(cè)出的無(wú)功、有功因素較為優(yōu)異；在電壓平衡無(wú)諧波和電流不平衡有諧波的工況條件下，上述幾種算法的檢測(cè)效果并不顯著。其中檢測(cè)效果最理想的算法為延時(shí)信號(hào)消除法，這種方法可將電網(wǎng)電流諧波進(jìn)行有效清除，與檢測(cè)要求相符，但功率波動(dòng)問(wèn)題卻沒(méi)有得到改善。

2.3 統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器工作現(xiàn)狀

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的控制器主要工作方式為，由逆變器實(shí)現(xiàn)內(nèi)層控制的跟蹤指令值獲取與外層控制指令值的獲得。其中，統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)內(nèi)層控制的方法主要包括三角載波線性控制、滯環(huán)控制、滑動(dòng)?？刂啤⒛：刂?。

具體來(lái)說(shuō)，首先，三角載波線性控制是最為簡(jiǎn)單的線性控制方法，且開關(guān)頻率恒定，但其跟蹤速度較慢；其次，指環(huán)控制是一種給出允許容差帶，當(dāng)發(fā)現(xiàn)高次諧波超出容差帶后，逆變器開關(guān)自行動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)控制的方法；再次，滑動(dòng)模控制是一種開關(guān)控制方式，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)頻繁、快速的切換；最后，模糊控制是一種將專家知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為預(yù)言控制規(guī)律，然后以此為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制的方式。

對(duì)外層控制策略進(jìn)行分析可發(fā)現(xiàn)，外層控制策略可依據(jù)其策略的不同，將其分成直接補(bǔ)償與直接控制兩種，具體來(lái)說(shuō)，第一，直接補(bǔ)償方式實(shí)現(xiàn)需先將要補(bǔ)償?shù)碾妷弘娏骰兞繖z測(cè)出來(lái)，設(shè)為補(bǔ)償參考值，然后由變換器發(fā)出參考分量，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器性能補(bǔ)償，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，可實(shí)現(xiàn)諧波檢測(cè)的方法包括基于快速變換的傅里葉變換法、人工智能法等；直接控制方式則是不經(jīng)過(guò)諧波檢測(cè)，直接控制電源電流，使其與電網(wǎng)的正序基波同步，形成標(biāo)準(zhǔn)正線電流，然后通過(guò)對(duì)負(fù)載側(cè)電壓進(jìn)行控制，使其成為標(biāo)準(zhǔn)額定正弦電壓的方式，避免統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器補(bǔ)償過(guò)程中產(chǎn)生延時(shí)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的情況出現(xiàn)。

現(xiàn)階段，應(yīng)用直接控制方式的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器補(bǔ)償方法包括電壓電流雙閉環(huán)控制法，即在應(yīng)用過(guò)程中，這種控制方法并不需要對(duì)電網(wǎng)中電流的諧波成分進(jìn)行檢測(cè)，直接控制電網(wǎng)電流成為與電壓同步的正弦波，當(dāng)電流側(cè)電壓上升時(shí)，由于電網(wǎng)電流指令值將會(huì)下降，并聯(lián)逆變器對(duì)指令值進(jìn)行跟蹤，同時(shí)這種對(duì)串聯(lián)部分波長(zhǎng)電壓進(jìn)行控制的方式，可保證負(fù)載側(cè)電壓為標(biāo)準(zhǔn)正線電壓[4]。

總而言之，在新農(nóng)村建設(shè)、城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)的背景下，大量非線性用電設(shè)備被接入低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)中，由于這些設(shè)備在實(shí)際使用過(guò)程中大多采用了高頻逆變技術(shù)，這種情況的出現(xiàn)會(huì)增加配電網(wǎng)系統(tǒng)中的諧波含量、降低電力供應(yīng)質(zhì)量?，F(xiàn)階段為切實(shí)解決上述問(wèn)題，合理應(yīng)用統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，成為了一項(xiàng)極為必要的工作。