針對(duì)諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償?shù)腁PF－SVG一體機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

喬 亮，張立穎

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110015；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006）

開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

針對(duì)諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償?shù)腁PF－SVG一體機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

喬 亮1，張立穎2

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110015；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006）

電網(wǎng)諧波和無(wú)功功率損耗是影響電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的兩大關(guān)鍵因素，因此諧波抑制技術(shù)和無(wú)功功率補(bǔ)償技術(shù)對(duì)提高電網(wǎng)電能質(zhì)量起到極其重要的作用。目前針對(duì)諧波治理主要應(yīng)用的技術(shù)手段是采用并聯(lián)型有源電力濾波器（APF），針對(duì)無(wú)功功率損耗主要應(yīng)用的技術(shù)手段是采用靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG），文中研究并設(shè)計(jì)兼有諧波抑制功能和無(wú)功補(bǔ)償功能的APF－SVG一體機(jī)系統(tǒng)，最后通過(guò)MATLAB Simulink仿真軟件驗(yàn)證其可行性及有效性。

電力系統(tǒng)；諧波抑制；APF；無(wú)功補(bǔ)償；SVG

隨著電力系統(tǒng)中諧波污染日益嚴(yán)重，電網(wǎng)電能質(zhì)量受到的影響越來(lái)越大，電網(wǎng)諧波可造成電網(wǎng)發(fā)生諧振、對(duì)通信系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾、增加系統(tǒng)損耗等一系列危害，因此如何有效治理諧波意義重大［1－2］。傳統(tǒng)的無(wú)源濾波器雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單價(jià)格低廉，但其只能補(bǔ)償固定次數(shù)的諧波，不能隨負(fù)荷的改變而有效調(diào)節(jié)補(bǔ)償量，且容易和電網(wǎng)中的電感電容等裝置發(fā)生諧振，而APF由于其能夠動(dòng)態(tài)的對(duì)任意次數(shù)諧波組合進(jìn)行精確補(bǔ)償，現(xiàn)已成為諧波治理的主要手段［3］。無(wú)功補(bǔ)償對(duì)維持電網(wǎng)電壓，降低電力系統(tǒng)損耗，提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和電能質(zhì)量有重要意義［4］。SVG由于其能夠?qū)崿F(xiàn)快速動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，迅速而準(zhǔn)確地吸收或者發(fā)出所需的無(wú)功功率，現(xiàn)已成為最有效的無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)。

針對(duì)電力系統(tǒng)中的諧波和無(wú)功補(bǔ)償問(wèn)題，研究并設(shè)計(jì)了一種APF－SVG一體化設(shè)備。首先介紹設(shè)備系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)諧波抑制及無(wú)功補(bǔ)償?shù)拇篌w設(shè)想，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)的工作原理及算法進(jìn)行分析研究，最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

目前，有源濾波和無(wú)功補(bǔ)償裝置主要采用電壓型并聯(lián)方式，該系統(tǒng)以電容作為儲(chǔ)能裝置并接于電網(wǎng)上來(lái)實(shí)現(xiàn)綜合治理。APF－SVG系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 APF－SVG系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖1中ea，eb，ec為電網(wǎng)電壓，LL，CL，RL通過(guò)三相全橋組成非線性負(fù)載，ila，ilb，ilc為負(fù)載電流，APF－SVG系統(tǒng)以電容C作為儲(chǔ)能元件并通過(guò)IGBT組成系統(tǒng)主電路，通過(guò)電感L并聯(lián)到電網(wǎng)端，ica，icb，icc為補(bǔ)償電流，isa，isb，isc為補(bǔ)償后的電網(wǎng)端電流。信號(hào)檢測(cè)電路、數(shù)據(jù)處理及控制電路、功率開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路為弱電部分，經(jīng)數(shù)據(jù)分析后控制IGBT開(kāi)斷使APF－SVG系統(tǒng)主電路對(duì)電網(wǎng)發(fā)出補(bǔ)償電流。

1.2 系統(tǒng)工作原理及各模塊功能

對(duì)負(fù)載電流il分解可得基波有功分量ilf和諧波及基波無(wú)功分量總和ilk，當(dāng)APF－SVG系統(tǒng)補(bǔ)償?shù)碾娏鱥c＝ilk時(shí)，通過(guò)基爾霍夫電流定律可得電網(wǎng)端電流is滿足以下關(guān)系

即電網(wǎng)端電流可恢復(fù)為基波電流的有功分量。

由于控制模塊為數(shù)字系統(tǒng)，為使系統(tǒng)能夠在高頻采樣下進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，控制模塊使用高速數(shù)字信號(hào)處理器DSP作為核心處理器。系統(tǒng)首先通過(guò)信號(hào)檢測(cè)電路對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行高頻采樣，進(jìn)而通過(guò)控制模塊對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，使用諧波及無(wú)功電流檢測(cè)算法得出電流補(bǔ)償量，并通過(guò)電流控制法將補(bǔ)償電流轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)信號(hào)，最后通過(guò)IG?BT驅(qū)動(dòng)電路對(duì)開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)行處理來(lái)控制系統(tǒng)主電路的功率開(kāi)關(guān)器件動(dòng)作，使APF－SVG系統(tǒng)補(bǔ)償諧波及基波無(wú)功電流。系統(tǒng)同時(shí)對(duì)補(bǔ)償電流進(jìn)行檢測(cè)，以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償電流的閉環(huán)控制，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

2 電流檢測(cè)及控制方法

數(shù)據(jù)處理及控制模塊是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)諧波及無(wú)功補(bǔ)償?shù)暮诵沫h(huán)節(jié)，主要通過(guò)對(duì)采樣到的負(fù)載電流信號(hào)進(jìn)行分析得到補(bǔ)償量，并發(fā)出IGBT的控制信號(hào)來(lái)控制主電路發(fā)出補(bǔ)償電流。分別對(duì)系統(tǒng)的電流檢測(cè)算法、補(bǔ)償電流控制方法和直流側(cè)母線電壓控制方法展開(kāi)分析。

2.1 電流檢測(cè)算法

由于三相三線電網(wǎng)中ea＋eb＋ec＝0，并且ia＋ib＋ic＝0，所以三相參數(shù)完全可用兩相坐標(biāo)系下的對(duì)應(yīng)坐標(biāo)表示。通過(guò)CLARKE變換將電網(wǎng)基波電流與電壓所對(duì)應(yīng)的三相瞬時(shí)值轉(zhuǎn)換為兩相坐標(biāo)α－β下的參數(shù)，轉(zhuǎn)化過(guò)程如下

式中：I、E分別為電流、電壓的模；φ為負(fù)載端電流基波分量對(duì)電壓的滯后；ω為電網(wǎng)工頻對(duì)應(yīng)的角頻率。電網(wǎng)負(fù)載端電流i可以看成是基波電流和高次諧波電流的總和，則其與電網(wǎng)電壓e在兩相坐標(biāo)系下的矢量關(guān)系可表示為圖2所示。

圖2 兩相坐標(biāo)系下的矢量關(guān)系圖

對(duì)于基波電流分量，由式（2）、（3）可看出其與電壓的旋轉(zhuǎn)矢量相對(duì)夾角不變，且基波電流有功分量為常值，對(duì)于高次諧波電流，其角頻率是電壓頻率的n倍，所以其與電壓的旋轉(zhuǎn)矢量相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，因此其在電壓e上的有功分量為交流量［5］。圖中負(fù)載端電流i的有功分量可由下式求得

ip可看成是基波電流有功分量與高次諧波電流有功分量的總和，由于高次諧波電流有功分量為交流量，因此對(duì)ip進(jìn)行濾波即可得到基波電流有功分量ipf，其在α、β軸上的分量為：iαf＝eαipf／e，iβf＝eβipf／e，最后將iαf、iβf通過(guò)CLARKE反變換轉(zhuǎn)換為三相坐標(biāo)系下的負(fù)載電流基波有功分量，并與負(fù)載電流相減得到電流的補(bǔ)償量。

2.2 電流控制方法

該系統(tǒng)采用滯環(huán)比較控制法對(duì)電流補(bǔ)償量進(jìn)行調(diào)節(jié)，其原理及輸出特性如圖3所示。

將經(jīng)過(guò)電流檢測(cè)算法得到的補(bǔ)償電流作為指令電流，對(duì)實(shí)際輸出的補(bǔ)償電流ic進(jìn)行采樣并與指令電流進(jìn)行比較，若差值小于設(shè)置的滯環(huán)寬度h，IGBT不動(dòng)作，當(dāng)差值大于環(huán)寬h時(shí)，調(diào)節(jié)IGBT開(kāi)斷使補(bǔ)償電流在指令電流附近環(huán)寬h處波動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)跟蹤控制。

圖3 滯環(huán)比較控制法原理圖

2.3 直流母線電壓控制方法

APF－SVG系統(tǒng)的主電路以電容器作為電源，因此需使其維持在一個(gè)穩(wěn)定的電壓上才能實(shí)現(xiàn)電流的準(zhǔn)確補(bǔ)償。本系統(tǒng)采用PI控制法對(duì)母線電壓進(jìn)行閉環(huán)控制，PI控制器系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 PI控制器系統(tǒng)框圖

對(duì)母線電壓與給定值進(jìn)行比較，將差值信號(hào)經(jīng)過(guò)比例積分環(huán)節(jié)后轉(zhuǎn)換得到電流的差值信號(hào)，再將其引入電流補(bǔ)償信號(hào)中，通過(guò)IGBT的開(kāi)斷實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償電流與母線電壓的綜合閉環(huán)控制。通過(guò)實(shí)驗(yàn)看出當(dāng)電壓維持在850 V左右時(shí)，該系統(tǒng)可有效補(bǔ)償諧波及無(wú)功電流，因此將給定值U設(shè)置為850 V。

3 仿真驗(yàn)證

通過(guò)仿真軟件對(duì)APF－SVG一體機(jī)系統(tǒng)的可行性及有效性進(jìn)行仿真驗(yàn)證，在MATLAB Simulink平臺(tái)上搭建系統(tǒng)仿真模型。模型參數(shù)設(shè)置如下：三相電源為220 V／50 Hz正弦電壓，負(fù)載端參數(shù)為1 000 μF、10 Ω和3 mH，APF－SVG系統(tǒng)主電路電容為6 000 μF，通過(guò)3 mH電感并接于電網(wǎng)上，電流滯環(huán)比較控制法中環(huán)寬設(shè)置為1，PI控制器中比例系數(shù)Kp＝1。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得到補(bǔ)償后的電網(wǎng)端電流、負(fù)載電流及補(bǔ)償電流如圖5所示。

圖5 A相電網(wǎng)電壓、補(bǔ)償后的電網(wǎng)端電流、負(fù)載電流及補(bǔ)償電流圖

由圖5可知，負(fù)載電流為典型的雙頭波，電流畸變率較高，且其基波滯后于電網(wǎng)電壓一定的相位，功率因數(shù)較低。APF－SVG仿真模型經(jīng)過(guò)2個(gè)周期調(diào)節(jié)后即可使電網(wǎng)端電流實(shí)現(xiàn)精確補(bǔ)償，極大程度濾除了諧波分量，電流畸變率較低，且與電網(wǎng)電壓基本同相位，功率因數(shù)接近于1。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)證明，APF－SVG系統(tǒng)能夠有效濾除諧波，并實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償，速度快、精度高，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性及有效性。

4 結(jié)束語(yǔ)

電網(wǎng)諧波和無(wú)功功率是影響電網(wǎng)電能質(zhì)量的重要因素，如何實(shí)現(xiàn)綜合治理已成為研究熱點(diǎn)。本文所提出的APF－SVG一體機(jī)經(jīng)仿真驗(yàn)證能夠很好地實(shí)現(xiàn)諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)中的信號(hào)處理及控制信號(hào)發(fā)生環(huán)節(jié)由于在數(shù)字系統(tǒng)中完成，會(huì)產(chǎn)生信號(hào)延時(shí)，這是提高系統(tǒng)補(bǔ)償精度應(yīng)重視的問(wèn)題，也是今后的研究方向。

［1］ 蔡志遠(yuǎn)，戈陽(yáng)陽(yáng)，馬少華.大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)諧波影響研究［J］.東北電力技術(shù)，2014，35（4）：31－34.

［2］ 王偉炳，王宏華.諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)［J］.機(jī)械制造與自動(dòng)化，2006，35（2）：92－94.

［3］ 王寶良，解 大，李維成.并行結(jié)構(gòu)的電力有源濾波器設(shè)計(jì)［J］.東北電力技術(shù)，2006，27（1）：4－8.

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Study on APF?SVG System Design for Harmonic Suppression and Reactive Power Compensation

QIAO Liang1，ZHANG Li?ying2
（1.Coal Design and Research Institute of Shenyang Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110015，China；2.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power，Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

Power grid harmonic and reactive power loss are two key factors affecting the power system power quality，so the harmonic suppression and reactive power compensation technology play an important role on improving the power grid power quality.At present for the harmonic suppression，the main application is to use the shunt Active Power Filter（APF），and for reactive power loss，the main application is to use the Static Var Generator（SVG）.APF?SVG system is analyzed and designed，which has both functions of the harmonic suppression and reactive power compensation.The feasibility and effectiveness of this system is verified through the simu?lation software MATLAB Simulink.

Power system；Harmonic suppression；APF；Reactive power compensation；SVG

TM761＋.12；TM76

A

1004－7913（2015）04－0042－04

喬 亮（1988—），男，碩士，工程師，主要從事工業(yè)企業(yè)及民用供配電技術(shù)研究。

2014－12－20）