電壓不平衡下正序有功有源裝置補(bǔ)償特性研究

徐在德，范瑞祥，王文彬，鄒進(jìn)，劉卓睿，董清源

（1.國網(wǎng)江西省電力公司科學(xué)研究院電網(wǎng)技術(shù)中心，江西 南昌 330096；2.南昌大學(xué)信息工程學(xué)院，江西 南昌 330031；3.國網(wǎng)江西省電力公司撫州供電公司，江西 撫州344000）

電壓不平衡下正序有功有源裝置補(bǔ)償特性研究

徐在德1，范瑞祥1，王文彬1，鄒進(jìn)1，劉卓睿2，董清源3

（1.國網(wǎng)江西省電力公司科學(xué)研究院電網(wǎng)技術(shù)中心，江西 南昌 330096；2.南昌大學(xué)信息工程學(xué)院，江西 南昌 330031；3.國網(wǎng)江西省電力公司撫州供電公司，江西 撫州344000）

介紹了應(yīng)用于低壓配電網(wǎng)三相四線系統(tǒng)的電力電子動態(tài)有源補(bǔ)償裝置，分析了基波正序電流分量檢測方法的基本原理，利用此種控制方式的配電網(wǎng)有源補(bǔ)償裝置在諧波、無功、三相不平衡方面的補(bǔ)償特性。在Matlab/Simulink環(huán)境下仿真證明此種檢測方法的可行性和對三相負(fù)載不平衡情況下的良好補(bǔ)償特性，尤其是在三相電壓不平衡的情況下，最后通過開發(fā)樣機(jī)證明了此種理論在補(bǔ)償配電臺區(qū)無功情況下的有效性。

有源補(bǔ)償裝置；電壓不平衡；低壓配電臺區(qū)：電力電子

Abstract:The power electronic dynamic active compensation device applied to three-phase four-wire system of low-voltage distribution network was introduced，the basic principle of detection method was analyzed for fundamental positive-sequence current component as well as the compensation characteristics of active compensation device of power distribution network using the control mode in harmonic wave，reactive power and three-phase unbalance，the feasibility of the detection method and the good compensation characteristics to three-phase load unbalance with simulation demonstration under Matlab/Simulink environment were certified，especially under the condition of threephase voltage unbalance.Finally，the effectiveness of the theory in reactive power of compensation distribution station area via development prototype is proved.

Key words:active compensation device；unbalanced voltage；low-voltage power distribution station area；power electronics

伴隨居民用電的突增，單相家用電器負(fù)荷功率越來越大，居民用電負(fù)荷的隨機(jī)性、季節(jié)性突出，造成部分配電臺區(qū)無功及三相不平衡的問題嚴(yán)重。

單相負(fù)荷過大、無功補(bǔ)償不能實(shí)時準(zhǔn)確補(bǔ)償造成單相低電壓問題；三相負(fù)荷不對稱引起三相電壓不平衡，從而造成配電系統(tǒng)三相電壓中性點(diǎn)偏移；增加線路、變壓器的損耗，零序電流及單相負(fù)荷過大常常引起變壓器過負(fù)荷運(yùn)行，尤其是夏天嚴(yán)重威脅配電網(wǎng)和電氣設(shè)備的安全運(yùn)行和正常使用。

目前電力公司解決三相不平衡問題主要通過長期監(jiān)測配電臺區(qū)的功率分布情況，采取人工或者智能開關(guān)換相方式達(dá)到負(fù)荷的基本平衡。因上述2種方法嚴(yán)重影響用戶供電可靠性，因而新型電力電子裝置有源補(bǔ)償裝置（active power electronic compensation device）可以對電網(wǎng)諧波、無功、負(fù)序、零序電流進(jìn)行有效補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)的凈化，成為解決低壓配電網(wǎng)的有效手段之一。在配電網(wǎng)中，將中小容量的動態(tài)補(bǔ)償裝置分布安裝在某些電能質(zhì)量問題突出的配電臺區(qū)變壓器出口位置，尤其在因?yàn)槿嘭?fù)荷嚴(yán)重不平衡引起電壓不平衡等嚴(yán)重情況下，依然可以明顯改善負(fù)荷和公共電網(wǎng)連接點(diǎn)的電能質(zhì)量，提高功率因數(shù)、治理諧波、降低損耗、平衡三相電流、解決單相高、低電壓等問題［1］。

ip-iq瞬時無功檢測方法是上世紀(jì)提出的實(shí)時檢測算法，目前大量應(yīng)用于APF，SVG等電力電子裝置［2-3］。針對其算法實(shí)時檢測電氣量較多，計算量較大，造成CPU資源不足，本文應(yīng)用更為簡單的基波正序電流法。目前哈爾濱理工大學(xué)［4-5］、山東大學(xué)［6-7］、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、湖南大學(xué)［8］等國內(nèi)高校、研究院所［9］及國外期刊文獻(xiàn)［10-11］對該方法進(jìn)行了仿真研究及實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，但對該方法的研究大部分都是在理想電壓情況下進(jìn)行的，在諧波、無功、三相不平衡補(bǔ)償方面進(jìn)行了嘗試性實(shí)驗(yàn)研究論證，并沒有對因單相負(fù)荷嚴(yán)重不平衡造成電壓不平衡的情況進(jìn)行研究。

本文應(yīng)用Matlab/Simulink軟件，針對目前配電網(wǎng)常見的三相電壓不平衡情況，對諧波、無功、三相不平衡情況進(jìn)行了仿真研究。通過仿真證明采用此種檢測方法的有源補(bǔ)償裝置在解決電能質(zhì)量問題具有較好的動態(tài)補(bǔ)償效果，同時為后續(xù)開發(fā)裝置及深入研究提供了理論基礎(chǔ)。

1 基波正序有功電流控制的有源補(bǔ)償裝置

本文的有源補(bǔ)償裝置控制方案，采用直接控制基波正序有功電流的方式，減少了檢測的電氣量，降低了CPU運(yùn)算量。

1.1 基波有功電流控制的有源補(bǔ)償裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1所示為有源補(bǔ)償裝置主回路的原理圖。由圖1可知，有源補(bǔ)償裝置的主回路主要是由三橋臂功率開關(guān)、濾波電抗器、電容組成。對于三相四線系統(tǒng)，當(dāng)三相負(fù)載不平衡時，a，b，c三相電流中包含了正序、負(fù)序、零序電流分量。零序電流分量通過主回路采用分裂電容結(jié)構(gòu)的有源補(bǔ)償裝置，直流側(cè)電容的中性點(diǎn)與零線相連，以此來消除零序電流。

圖1 有源補(bǔ)償裝置主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topological structure of main circuit for active compensation device

1.2 基波正序電流控制的有源補(bǔ)償裝置原理

負(fù)荷越大，則該相電壓越??；負(fù)荷越小則該項(xiàng)電壓越大。三相四線制系統(tǒng)對稱分量法都可以分解為幅值相等、相位差120°的正序及負(fù)序分量，也就是說不管負(fù)荷如何變化，基波正序分量都是相等的。

對有源補(bǔ)償裝置來說，瞬時無功功率不會引起直流側(cè)與交流側(cè)間的能量交換。如果不考慮器件的損耗，則直流側(cè)瞬時有功功率全部來自交流側(cè)基波有功電流，從而直流側(cè)與交流側(cè)的能量交換取決于瞬時基波有功功率的大小。

圖2所示為有源補(bǔ)償裝置基波有功電流檢測方法的控制原理圖。

圖2 基波正序有功電流檢測算法原理圖Fig.2 Diagram of detection algorithm for fundamental positive-sequence active current

如圖2所示，電壓控制環(huán)中，UCref為直流側(cè)電容電壓的設(shè)定值，UC為直流側(cè)電容電壓的瞬時值，兩者的差值ΔUC則為電壓的控制量，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后得到有功電流幅值Im。三相電源電壓同步的單位正弦信號與有功電流幅值相乘得到三相電流的設(shè)定值。設(shè)定信號和實(shí)際電流is的差值Δis，經(jīng)過滯環(huán)比較器得到6路脈沖觸發(fā)信號。

電容電壓和電容電流具有下式的動態(tài)關(guān)系：

式中：u(0)為初始時刻的電壓；i(t)為電容電流。

式中：udc0為設(shè)定值，在仿真中udc0=720 V；udc(t)為電容電壓的實(shí)際值。

根據(jù)能量平衡的原理，直流側(cè)電壓的穩(wěn)定是通過PI調(diào)節(jié)有功電流對電容充放電的過程。直流側(cè)電容的有功電流設(shè)為i(t)，由式（3）可知，通過PI調(diào)節(jié)后就能獲得有功電流幅值Im，其表達(dá)式為

式中：Um為峰值電壓；Us為三相電網(wǎng)電壓。kp為比例系數(shù)；ki為積分系數(shù)。

對式（4）兩邊求導(dǎo)數(shù)，對于任意系統(tǒng)來說，有功電流都是常量，而Im為有功電流的幅值，所以此時Im為一常數(shù)，因而求得導(dǎo)數(shù)為0，即

解得：

式中：a為常數(shù)。

當(dāng)t趨近于無窮大時，Δudc無限趨近于零。由此可見，有源補(bǔ)償裝置直流側(cè)電容電壓都能夠達(dá)到穩(wěn)定，證明了此種控制方案的可行性。

當(dāng)三相電壓平衡時，通過實(shí)時檢測三相電壓，與最大值相除即為三相單位正弦信號。

式中：Usa，Usb，Usc為三相電壓。

當(dāng)三相電壓不一致即三相電壓幅值不相等時，通過變比計算臺區(qū)電壓基準(zhǔn)電壓，然后通過三相電壓與計算電壓相除計算得到相應(yīng)數(shù)值。

式中：Usa，Usb，Usc為三相電壓；Umref為臺區(qū)出口電壓原始電壓基準(zhǔn)值；a，b，c為相除后的值，其中a，b，c根據(jù)各項(xiàng)電壓值的高低，結(jié)果大于1或者小于1。

2 仿真分析

根據(jù)上述分析，對采用直接控制基波正序電流方式的有源補(bǔ)償裝置，在Matlab/Simulink環(huán)境下分別進(jìn)行仿真，基波正序電流檢測方法采用電容分裂法對諧波、無功、不平衡的補(bǔ)償效果進(jìn)行分析。

仿真系統(tǒng)的基本參數(shù)為：系統(tǒng)電源電壓us= 200 V，直流側(cè)電容C=3 300 μF；電容電壓的設(shè)定值UCref=720 V；滯環(huán)比較器的環(huán)寬0.5 A，輸出電感值L=0.5 mH；負(fù)載側(cè)Rdc=10 Ω，Ldc=10 mH；A相負(fù)載20 Ω，0.5 mH；B相負(fù)載2 Ω，0.5 mH；C相負(fù)載2 Ω，0.5 mH。

圖3為三相電流的過渡曲線。根據(jù)上述參數(shù)，圖3中，在三相四線不平衡負(fù)載系統(tǒng)中，有源補(bǔ)償裝置投入前明顯可看出三相電流中含有大量無功及諧波電流，其中A相負(fù)載最大，B，C兩相負(fù)荷小。

圖3 三相電流的過渡曲線Fig.3 Transition curves of three-phase current

圖4為三相電壓的過渡曲線。通過圖4可以明顯看出因?yàn)樨?fù)荷的嚴(yán)重不平衡造成三相電壓出現(xiàn)電壓不平衡現(xiàn)象，其中最高與最低電壓差距為30 V左右。裝置在0.04 s投入基于基波正序電流方法的有源補(bǔ)償裝置。

圖4 三相電壓的過渡曲線Fig.4 Transition curves of three-phase voltage

圖5為A相電壓與電流的過渡曲線。由圖5可以明顯地看出裝置投入前A相電流存在諧波及無功電流，裝置在0.04 s時投入，其中圖中虛線時刻為投入的瞬間，A相電壓、電流大約在不到一個電網(wǎng)周波的時間內(nèi)完全同步，由此可以分析得出無功完全補(bǔ)償，同時三相電流趨于平衡，三相電壓也慢慢趨于平衡狀態(tài)。圖6為逆變器三相輸出電流波形，在裝置剛投入后不到1個周波趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5A相電壓與電流的過渡曲線Fig.5 Transition curves ofA-phase voltage and current

圖6 逆變器輸出三相電流波形Fig.6 Three-phase current waveforms of inverter output

圖7為補(bǔ)償后三相電流諧波含有量，補(bǔ)償之后THD為1.57%。

圖7 有源補(bǔ)償裝置補(bǔ)償后電流波形頻譜圖Fig.7 Spectrogram plot of current waveformsafter active compensation

圖8為零序電流在有源電力補(bǔ)償裝置投入前后對比圖，可以明顯看出投入前，零序電流峰值高達(dá)100A，補(bǔ)償之后零序電流接近0A。

圖8 零序電流的曲線Fig.8 The curve of zero-sequence current

3 開發(fā)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

3.1 硬件設(shè)計

參照圖1三相四線制有源補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)圖開發(fā)樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)的基本參數(shù)為：三相電壓為線電壓380 V，采用英飛凌FF450R17ME4，電解電容10 000 μF/450 V，直流側(cè)電壓750 V，濾波電抗器2 mH。采用3橋臂分裂電容拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過PORE軟件，將實(shí)物按1∶1的比例設(shè)計，從而有效解決了空間問題，使內(nèi)部部件得到優(yōu)化布局，如圖9所示。

圖9 柜內(nèi)設(shè)備三維設(shè)計視圖Fig.9 Three-dimension design view of equipment in the cabinet

3.2 軟件設(shè)計

有源補(bǔ)償裝置采用DSP+FPGA核心控制器，通過AD采樣負(fù)荷電流、逆變器輸出電流、網(wǎng)側(cè)電壓數(shù)據(jù)，采樣頻率8 kHz，每一個電網(wǎng)周波160個點(diǎn)。

裝置投入后首先進(jìn)入升壓、穩(wěn)壓模式，待直流側(cè)電壓在電壓升高至620 V時，切除并網(wǎng)電阻，繼續(xù)升壓直到電壓穩(wěn)定到750 V，電壓穩(wěn)定之后進(jìn)入逆變輸出模式，核心控制器通過采集數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的計算，從而反向補(bǔ)償，達(dá)到凈化電網(wǎng)的目的。

3.3 無功補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)

裝置進(jìn)行無功補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)，其中阻感負(fù)載中電阻為11Ω，電感值為30 mH。

圖10所示為補(bǔ)償前電流、電壓相位波形和功率因數(shù)。

由圖10可知，三相電壓平衡，補(bǔ)償前功率因數(shù)為0.76，當(dāng)有源電力補(bǔ)償裝置投入運(yùn)行之后，各相電壓與電流保持同相位，功率因數(shù)為0.99，且三相平衡，各相系統(tǒng)側(cè)電流明顯下降，無功電流基本上被補(bǔ)償，完全滿足工業(yè)要求，如圖11所示。

圖10 補(bǔ)償前的電流電壓相位波形和功率因數(shù)Fig.10 The diagram of voltage and current and power factor before compensation

圖11 補(bǔ)償后的電流電壓相位波形和功率因數(shù)Fig.11 The waveforms between voltage and current and power factor after compensation

4 結(jié)論

本文采用結(jié)構(gòu)簡單的基波正序電流控制有源補(bǔ)償裝置，通過Matlab/Simulink進(jìn)行仿真。實(shí)驗(yàn)表明，在電壓發(fā)生嚴(yán)重不平衡的情況下，采用不檢測無功量的有源補(bǔ)償裝置同樣能達(dá)到補(bǔ)償諧波、無功、零序電流的目的。同時通過開發(fā)樣機(jī)，證明其在無功補(bǔ)償方面的可行性，為后續(xù)開發(fā)其他功能奠定了基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)證明：均衡了三相電壓、三相負(fù)荷電流不平衡度，滿足了標(biāo)準(zhǔn)要求，降低了變壓器的損耗，同時也驗(yàn)證了其補(bǔ)償無功效果的可行性，證明該方法有廣闊的使用前景。

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Research on Compensation Characteristics of Positive-sequence Active Compensation Device Under Voltage Unbalance

XU Zaide1，F(xiàn)AN Ruixiang1，WANG Wenbin1，ZOU Jin1，LIU Zhuorui2，DONG Qingyuan3
（1.Department of Electrical Technology，State Grid Jiangxi Electric Power Research Institute，Nanchang330096，Jiangxi，China；2.School of Information Engineering，Nanchang University，Nanchang330031，Jiangxi，China；3.State Grid Fuzhou Electrical Power Supply Company，F(xiàn)uzhou344000，Jiangxi，China）

TM464

A

10.19457/j.1001-2095.20170914

基于動態(tài)智能補(bǔ)償及諧波治理技術(shù)的新型配電變壓器研究與應(yīng)用（521820150008）

徐在德（1984-），男，高級工程師，Email：xuzaidexuzaide@163.com

2016-08-12

修改稿日期：2016-10-23