配網(wǎng)三相不平衡運行的無功補償方法研究

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)三相不平衡運行的無功補償方法研究

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，對于公用配電變壓器由于使用對象為居民區(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)下的無功平衡補償和諧波抑制。對并聯(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；瞬時功率理論；MATLAB/SIMULINK

引言

本文的研究工作是針對在配電系統(tǒng)中，對于公用配電變壓器由于使用對象為居民區(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)電力有濾波器的對配電系統(tǒng)三相不平衡負(fù)荷進(jìn)行無功補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，并通過該模型對并聯(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，即指令電流運算電路和補償電流發(fā)生電路（由電流跟蹤控制電路、驅(qū)動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運算方式的原理圖

指令電流運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償電流法的指令信號ic*=（iLh+iLq）。電流跟蹤控制電路的功能是根據(jù)主電路產(chǎn)生的補償電流ic應(yīng)跟蹤ic*的原則，計算出主電路各開關(guān)器件的觸發(fā)脈沖，此脈沖經(jīng)驅(qū)動電路后作用于主電路，產(chǎn)生補償電流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)行無功補償?shù)哪康摹?/p>

2 用于三相不平衡電路檢測的ip—iq運算方式

圖3 并聯(lián)型有源濾波器對不平衡負(fù)荷的仿真電路圖

圖4 被封裝的三相電流的檢測電路的原理仿真圖

以三相電路瞬時無功功率為基礎(chǔ)，檢測三相電路的三種運算方式，分別為p—q運算方式、ip—iq運算方式和d—q運算方式。介紹用于本配電系統(tǒng)三相不平衡的基于瞬時無功功率理論的ip—iq運算方式，用此方法來檢測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sint和對應(yīng)的余弦信號-cost，它們由一個鎖相環(huán)（PLL）和一個正、余弦信號發(fā)生器得到。根據(jù)定義可以計算出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即可計算出iaf、ibf、icf，進(jìn)而計算出iah、ibh、ich。

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

在對瞬時無功功率理論進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)基于ip-iq運算方式的諧波電流檢測法在對三相電流進(jìn)行3/2相變換時，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運算方式的諧波電流檢測法的后續(xù)運算過程，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)然也不會影響對三相諧波、零序和負(fù)序電流分量的檢測。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方法，要求對三相電流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法更加簡便，有利于實際物理系統(tǒng)的實現(xiàn)，提高電流檢測的實時性。

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

3.1 仿真模塊設(shè)計

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，同時體現(xiàn)補償?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運算方式的原理圖，表示了使用ip—iq運算方式求取補償電流指令信號的方法。該方法用一個鎖相環(huán)和一個正、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sint和對應(yīng)的余弦信號-cost，這兩個信號與ia、ib、ic一起計算出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所示的運算電路，具體仿真電路圖如圖3所示。在這個電路中，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所示同時要注意斷開iq通道后對整個被封裝的子系統(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，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)造了一個不平衡比較嚴(yán)重的負(fù)荷。

圖7為補償0.2秒穩(wěn)定后的波形，補償后三相電流波形幅值基本上相等，同時，補償后的三相基本上相差120°，補償效果相當(dāng)不錯。從該圖可以看到，系統(tǒng)a相電壓和補償后的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，由之前的圖6可知c相含一定的諧波，補償后諧波并不明顯了。

由此可知，補償前電流和補償后的電流的相位發(fā)生了變化。由圖6中可知，a相負(fù)荷電流補償前呈感性，是滯后的，補償后電流的相位提前了；b相是純電阻的，故其補償前后的相位是不變的；c相電流補償前呈容性，是超前的，補償后滯后了。因此，補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時的無功補償效果。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)簡單，根據(jù)瞬時無功功率理論設(shè)計出的電路，不僅提高了檢測和運算的速度，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)電力有濾波器的對配電系統(tǒng)三相不平衡負(fù)荷進(jìn)行無功補償和諧波抑制及其情況、效果及其有關(guān)問題。

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