動態(tài)電能質(zhì)量治理裝置實時相位補償

虞堅陽

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司常州供電分公司 江蘇省常州市 213000）

隨著配網(wǎng)智能化水平的快速提升，大量電能質(zhì)量治理裝置得到了廣泛的應(yīng)用，以有源電力濾波器（APF）、靜止無功補償裝置（SVG）為代表的電能治理設(shè)備基本原理是通過檢測系統(tǒng)或負(fù)載電流中的待補償成份，控制全控型開關(guān)器件（IGBT）實時產(chǎn)生所需的反向補償電流并注入電網(wǎng)，以控制系統(tǒng)電流功率因數(shù)或諧波畸變率。在實時補償中，裝置實際發(fā)出電流與指令電流（或負(fù)載等治理電流）之間的誤差將決定最終的補償效果，而在實時跟蹤過程中，具體表現(xiàn)為補償電流能否準(zhǔn)確跟蹤指令電流。通過大量的工程實際發(fā)現(xiàn)，補償電流與指令電流間往往存在一定的相位延遲，這導(dǎo)致了設(shè)備的電能質(zhì)量治理能力達不到設(shè)計要求。

1 電能質(zhì)量治理設(shè)備工作原理

圖1：電能質(zhì)量治理裝置基本補償原理

1.1 基本原理

通用型電能質(zhì)量治理裝置（APF/SVG）的系統(tǒng)接入與補償原理簡圖如圖1所示。除動態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）外，其余電能質(zhì)量治理裝置均以并聯(lián)形式接入電網(wǎng)，通過檢測負(fù)載電流（開環(huán)）或系統(tǒng)電流（閉環(huán)）來分離出待補償分量，并控制APF/SVG發(fā)出反向電流不補償這一目標(biāo)量，APF/SVG與電網(wǎng)通常連接有單濾波電感（L）、兩階濾波器（LC）、三階濾波器（LCL）三種類型的濾波裝置。由于波濾裝置的存在，開關(guān)次諧波得到很好的抑制，但同時由于濾波裝置的存在，裝置發(fā)出的電流與指令電流間存在波形跟蹤誤差。同時裝置本身的其他因素也導(dǎo)致了更多的波形跟蹤的存在。

表1：不同因素對波形跟蹤的影響

圖2：輸出電流實時相位補償示意圖

圖3：PLECS模型仿真圖

1.2 相位誤差產(chǎn)生的原因

除了濾波器本身帶來的相位延遲誤差外，控制回路和硬件電路也會引入較多地的相位誤差。具體如下分析。

控制回路誤差：由于現(xiàn)在的電力電子設(shè)備絕大部分為數(shù)字控制系統(tǒng)，其包含采樣、計算、指令輸出、指令傳輸，其中采樣周期通常以較高的頻率執(zhí)行，其對實際補償?shù)挠绊戄^小，以常見的AD采樣芯片為例，其采樣頻率可達數(shù)十MHz，其采樣帶來的誤差較?。挥嬎氵^程產(chǎn)生的延遲通常由所采用的處理器決定，雖然高性能芯片的時鐘頻率可達50MHz或100MHZ，但大量復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算導(dǎo)致整體的計算過程非常耗時，其對補償?shù)挠绊戄^大；指令輸出通常產(chǎn)生的延時是很小的，甚至可以忽略不計；指令輸出根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計不同而呈現(xiàn)巨大的差異，如采用光纖通讀，則處理器到IGBT開關(guān)的延時可控制在數(shù)us量級，但采用485通信等方式，其延時可達數(shù)十us，其影響不可忽略。

硬件電路固有的誤差：通常IGBT等開關(guān)器件各相之間在空間的布置上存在一定差別，且整體電路的電磁特性也會產(chǎn)生不利的影響，由此產(chǎn)生的同一指令在不同相的執(zhí)行時效存在不同，且影響難以定性描述，通常根據(jù)實測確定。根據(jù)大量的工程經(jīng)驗，其對整體補償影響不能忽視。表1是對不同的因素對補償延遲的影響對比。

2 相位延遲誤差的治理

2.1 超前控制

通過對相關(guān)延遲影響因素的分析可知，部分因素是固定的，如采樣、計算指令傳輸?shù)?，這部分指令通?？梢杂霉潭ǖ南辔谎a償不解決，常用的方法有超前控制方法。

一個常用的方法是對計算出的指令波形超前幾拍下發(fā)，通過提前下發(fā)指令電流來抵消整個系統(tǒng)的固有總誤差：

式中，N即是提前的拍數(shù)，根據(jù)實測，N取值在（1~4）時可以對補償效果有有效的改善。需要說明的是，這種固定超前補償方式對不同的設(shè)備、不同的相都有不同的取值，這導(dǎo)致了該方法不能很好解決相位延遲問題。

2.2 查表法固定補償

一個簡單的方法是對具體設(shè)備進行實測，取得其在不同頻次電流下的固定延遲時間，為了更精確的實現(xiàn)補償，需要將延遲從時域換算到頻率，轉(zhuǎn)換為不同的相位角，當(dāng)發(fā)出不同頻率的補償電流時，從預(yù)先存儲的表中調(diào)取相應(yīng)的超前相位角，加入到補償指令中。

2.3 相位實時校正

由于數(shù)字控制方式下的功率模塊，其任何時刻發(fā)出的波形均是上一個指令的執(zhí)行結(jié)果，因此可能通過實時檢測不同指令下的實際跟蹤誤差，在下一個計算過程中將該誤差以提前量形式加入到新的指令中。由于在較長的一段時間內(nèi)，誤差相對固定，這種實時檢測和補償可以有效抵消系統(tǒng)整體的相位延遲，其補償示意圖如圖2所示。

相比于超前拍控制，實時控制的相位補償體現(xiàn)在頻域上，其補償精度較高；相對于查表法固定補償方法，實時計算法可以在不同時刻不同參數(shù)設(shè)定的功率模塊上實現(xiàn)滯后相位的準(zhǔn)確計算與實時補償，具有非常好的跟蹤精度。在計算量上，其僅增加了相位求解的反正切計算，且對所有頻次波形來說，僅需一個工頻周期（20ms）計算一次FFT，其復(fù)雜度是可以接受的。

圖4：固定補償仿真圖

圖5：固定補償仿真圖(局部)

圖6：實時相位補償仿真圖

圖7：實時相位補償仿真圖(局部)

3 仿真驗證

為了驗證所提方法的有效性，在電力電子專用仿真軟件PLECS軟件搭建了通用電能質(zhì)量治理裝置模型，裝置為三相三電平拓?fù)洌_關(guān)頻率為12.8kHz，采用SVPWM調(diào)制。圖3即是仿真模型圖。

分別進行了固定相位補償方式、實時相位補償方式下的無功電流跟蹤仿真。仿真結(jié)果見圖4~圖7。其中圖4、圖6是對兩個工頻周期的無功電流跟蹤示意圖，從圖中對比可看出，實時相位校正后，跟蹤精度得到了很好提高。

圖5、圖7是跟蹤的局部放大圖，從中也可看出，固定相位校正可以實現(xiàn)有效跟蹤，但實時相位補償對電流跟蹤的效果更好。對不同工況下的跟蹤對比也可證明兩種方法的優(yōu)劣，在此不再贅述。

4 結(jié)語

本文介紹了兩種對電能質(zhì)量治理裝置進行相位延遲補償?shù)姆椒ǎ瑑煞N方法均可對整個裝置由于采樣、計算、傳輸和濾波器帶來的相位進行補償，但實時補償方法對不同設(shè)備、不同工況均可以準(zhǔn)確實現(xiàn)相位校正，而固定相位補償雖然計算量小，但依賴于對裝置相位延遲量的準(zhǔn)確檢測且不能適應(yīng)所有裝置，因此推薦控制系統(tǒng)設(shè)計中優(yōu)先使用實時相位補償方法。