有源電力濾波器電壓測(cè)量位置分析研究

摘要：有源電力濾波器的控制方式?jīng)Q定了它對(duì)電網(wǎng)中的電壓、電流等諧波的補(bǔ)償效果。本文針對(duì)電網(wǎng)中的電壓傳感器置于電網(wǎng)中的不同位置（電源端與負(fù)荷端）兩種情況，研究電壓傳感器產(chǎn)生參考信號(hào)時(shí)對(duì)電網(wǎng)供電指標(biāo)的影響。研究表明，在不對(duì)稱模式下三相電源系統(tǒng)中，在負(fù)載終端接入電壓傳感器測(cè)量相電壓時(shí)能夠有效地減輕網(wǎng)絡(luò)相電壓和電流的效率、移位系數(shù)下降并且降低電網(wǎng)的總諧波失真。最后，在Matlab中對(duì)帶有電力有源濾波器的供電系統(tǒng)進(jìn)行建模并仿真，證實(shí)了所提研究的真實(shí)性。

關(guān)鍵詞：有源電力濾波器；電壓測(cè)量；供電系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM464文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

AnalysisofActivePowerFilterVoltageMeasurementLocation

YuanPengsheng

JiangsuGuangshiElectricCo.，LtdJiangsuXuzhou221000

Abstract：Thequalityofcompensationofharmonicdistortionsfornetworkvoltagesandcurrentsbymeansoftheactivepowerfilterdependsonthecontrolsystemsettings.Thedifferenceinqualityindicatorsofpowersupplywhenplacingphasesensorsofthenetworktogenerateareferencesignalfortwopossiblecases–onthenetworkterminalsandontheloadterminals（atthepointofloadconnection）isshowedinthepaper.Itisprovedthatinasymmetricalmodesofthreephasepowersupplysystemoperationtheplacementofphasevoltagesensorsonloadterminalsleadstoadecreaseintheefficiency，shiftcoefficientandanincreaseintheTHDofanetworkphasevoltagesandcurrentsincomparisonwiththesecondcase.ThedevelopedtheoreticalpropositionsusingthemodelingofpowersupplysystemwithpoweractivefilterinMatlabenvironmentareconfirmed.

Keywords：activepowerfilter；voltagemeasurement；powersupplysystem

并聯(lián)型有源電力濾波器（Activepowerfiltersofparalleltype，APFs）已大量用于具有非線性不對(duì)稱負(fù)載的三相供電系統(tǒng)（Powersupplysystems，PSS），用來(lái)減少負(fù)載對(duì)其他電力用戶的影響并提高電力質(zhì)量［1］。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)現(xiàn)有的有源濾波器控制系統(tǒng)提出了多種設(shè)計(jì)方案，并給出了相應(yīng)的優(yōu)化算法。目前所有的APF控制算法的基礎(chǔ)是通過(guò)獲得三相PSS的電壓和電流傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，來(lái)計(jì)算補(bǔ)償器電流。通常情況下，補(bǔ)償器的電流是按照供電系統(tǒng)的相電壓比例計(jì)算的［2］。目前用于確定相電壓測(cè)量位置的方法主要有兩種：第一種是將電壓傳感器置于電網(wǎng)端（如變電站等）［3］；第二種是將電壓傳感器置于負(fù)荷端（即直接連接APF的位置）［4］。

1測(cè)量電源終端的相電壓的瞬時(shí)值

圖1為帶有APF的電源系統(tǒng)的簡(jiǎn)化等效電路，并標(biāo)出了電壓傳感器的可能接入的位置。由圖1可得，負(fù)載可以借助帶有有源Rs電阻和Ls電感且足夠長(zhǎng)的線路連接到電源。此時(shí)，電壓傳感器獲得的相位電壓瞬時(shí)值在線路的兩端會(huì)有很大的差異，顯然不同的參考電壓值對(duì)通過(guò)帶有有源電力濾波器的電源系統(tǒng)對(duì)相電流進(jìn)行定性補(bǔ)償有不同的影響。然而，在目前的文獻(xiàn)中還沒(méi)有對(duì)上述兩種電壓傳感器接入位置進(jìn)行比較。

因此，本文主要研究的是電壓傳感器接入位置即相電壓測(cè)量點(diǎn)對(duì)具有非線性和不對(duì)稱負(fù)載的三相供電系統(tǒng)中有源電力濾波器運(yùn)行的定性特征的影響。

在圖1中，APF可由一個(gè)可控電流源Jc所取代。根據(jù)基爾霍夫第一定律，網(wǎng)絡(luò)電流的廣義空間向量可以通過(guò)負(fù)載和APF電流的廣義空間向量表示，如式（1）：

is=iL－ic=iLa－ica

iLb－icb

iLc－icc（1）

式中iLa，iLb，iLc，ica，icb，icc分別是相位負(fù)載電流和APF電流的瞬時(shí)值。

根據(jù)計(jì)算補(bǔ)償器電流的矢量比例法，電源電流的廣義矢量可通過(guò)測(cè)量所得的電源和負(fù)載電流兩端的相電壓瞬時(shí)值來(lái)確定，如式（2）：

is1=PSLus2us=1T∫t+Ttus·iLdtu2sa+u2sb+u2scus（2）

其中PSL是不考慮補(bǔ)償器電流時(shí)供電網(wǎng)絡(luò)的平均值，us=us·usT0.5是網(wǎng)絡(luò)電壓的廣義空間矢量的模數(shù)。

由式（2），供電系統(tǒng)的效率可由下式表示：

η1=PL1Ps1=iL·uLis1·us=iL·uL1T∫t+TtuL+Δu·iLdt（3）

其中，Δu是連接電源和負(fù)載的線路上的廣義空間電壓降矢量；T是重復(fù)周期，在本文中等于電源網(wǎng)絡(luò)電壓周期。

2測(cè)量負(fù)載終端的相電壓瞬時(shí)值

如果在負(fù)載上測(cè)量相電壓，由于電壓傳感器和APF本身位于一個(gè)位置，從而極大地簡(jiǎn)化了電力有源濾波器控制系統(tǒng)的設(shè)定，同時(shí)也不需要使用額外的接口設(shè)備來(lái)傳輸測(cè)量信息。此時(shí)，根據(jù)計(jì)算補(bǔ)償器電流的矢量比例法，電源電流的廣義矢量可通過(guò)測(cè)量所得的負(fù)載相電壓瞬時(shí)值和負(fù)載電流來(lái)確定：

is2=PLu2LuL=1T∫uL·iLdtu2La+u2Lb+u2LcuL（4）

由式（4），PSS的效率可以表示為：

η2=PL1Ps1=iL·uLis2·us=iL·uLKT∫tuL·iLdt（5）

其中：

K=us·uLu2L=USLuL（6）

式中uL=（uL·uTL）0.5是負(fù)載終端的廣義空間電壓矢量的模塊；USL是網(wǎng)絡(luò)電壓空間矢量投射到負(fù)載終端的空間電壓矢量方向。

結(jié)合式（3）和式（5），對(duì)于任何對(duì)稱的三相供電系統(tǒng)，計(jì)算補(bǔ)償器電流的矢量比例法得到了相同的結(jié)果，那么有：

ψ=η2η1=1T∫t+TtuL+Δu·iLdtKT∫t+TtuL·iLdt=1KT∫t+TtKdt（7）

由式（7），對(duì)于一個(gè)在對(duì)稱的三相供電系統(tǒng)，滿足以下等式：

Ψsm=1T∫t+Ttψdt=1（8）

同樣地，對(duì)于任何不對(duì)稱的三相供電系統(tǒng)，式（8）可修改為：

Ψam=1T∫t+Ttψdt>1（9）

值得注意的是，由式（9），在供電系統(tǒng)中，電壓和電流的不對(duì)稱性系數(shù)越大，對(duì)負(fù)載終端的電壓測(cè)量的積極作用就越大。同理，Ψam的值也取決于連接電纜線的參數(shù)。

3帶有源電力濾波器的三相供電系統(tǒng)仿真

為了驗(yàn)證在負(fù)載終端測(cè)量三相PSS相電壓瞬時(shí)值的優(yōu)越性，用MATLAB進(jìn)行仿真，建立額定功率為400kW的非線性不對(duì)稱負(fù)載和APF的PSS模型。線路的電感由1μH變化至100μH，并測(cè)量電網(wǎng)的定量和定性指標(biāo)。對(duì)APF與負(fù)載終端斷開(kāi)以及連接時(shí)電壓傳感器的四種接入情況進(jìn)行仿真：（1）接入并測(cè)量電源終端的相電壓瞬時(shí)值；（2）接入測(cè)量負(fù)載終端的相電壓瞬時(shí)值；（3）同時(shí)接入并測(cè)量電源和負(fù)載終端的相電壓瞬時(shí)值，由下式計(jì)算：

usL1=UmsUmLuL（10）

其中Ums、UmL分別為供電網(wǎng)絡(luò)和負(fù)載的相電壓幅值的廣義向量；（4）同時(shí)接入并測(cè)量電源和負(fù)載終端的相電壓瞬時(shí)值，由下式計(jì)算：

usL2=us+uL2（11）

圖2和圖3為仿真結(jié)果，表示四種PSS指定工作模式下電源質(zhì)量指標(biāo)對(duì)線路電感變化的依賴性，通過(guò)仿真結(jié)果計(jì)算得以下電網(wǎng)供電指標(biāo)：效率的平均值（圖2）；功率因數(shù)的平均值（圖3）；無(wú)功功率的平均值（圖4）；網(wǎng)絡(luò)電流總諧波畸變系數(shù)的平均值（圖5）。圖中曲線的編號(hào)（1，2，3，4）對(duì)應(yīng)上文所提的四種電壓傳感器接入情況。

比較四種情況下電壓傳感器接入不對(duì)稱三相PSS測(cè)量相電壓的仿真結(jié)果，不難得出，當(dāng)電壓傳感器測(cè)量位置位于負(fù)載終端時(shí)，電網(wǎng)供電指標(biāo)可以得到有效的提升。

4結(jié)論

本文對(duì)帶有源電力濾波器的三相供電系統(tǒng)等效電路進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)在對(duì)稱三相供電系統(tǒng)中，電壓傳感器接入電源端和負(fù)載端測(cè)量相電壓瞬時(shí)值時(shí)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行影響不大。在不對(duì)稱三相供電系統(tǒng)中，電壓傳感器接入負(fù)載端測(cè)量相電壓瞬時(shí)值時(shí)能夠有效地提升電網(wǎng)供電指標(biāo)。

對(duì)三相供電系統(tǒng)在不對(duì)稱負(fù)載的情況下進(jìn)行的仿真結(jié)果表明：（1）如果將接入負(fù)載端的電壓傳感器獲得的測(cè)量信號(hào)引入APF的控制環(huán)節(jié)中可以獲得更高的電源特性；（2）如果在電源終端接入電壓傳感器測(cè)量相電壓，將對(duì)電源網(wǎng)絡(luò)的效率和相電壓和電流的非線性失真系數(shù)等產(chǎn)生影響；（3）在負(fù)載終端接入電壓傳感器測(cè)量相電壓可以明顯地消除上述負(fù)面影響，并使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更耐受外部參數(shù)的變化。

綜上所述，在實(shí)際供電系統(tǒng)中應(yīng)用并聯(lián)型電力有源濾波器時(shí)，應(yīng)在負(fù)載端或APF接入供電網(wǎng)絡(luò)的位置接入電壓傳感器。

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作者簡(jiǎn)介：袁朋生（1971—），男，漢族，湖南長(zhǎng)沙人，博士，高級(jí)職稱，研究方向：電力系統(tǒng)自動(dòng)化。