智能配電網(wǎng)中三相諧波、不平衡負載及無(wú)功電流復合控制策略

摘要

   基于電能質(zhì)量復合控制思想，針對智能配電網(wǎng)中諧波電流、負載不平衡、功率因數較低問(wèn)題，給出一種諧波、負序及無(wú)功電流復合補償策略，并給出關(guān)鍵參數設計方法。相關(guān)APF-STATCOM仿真、實(shí)驗驗證及產(chǎn)品現場(chǎng)運行實(shí)測結果驗證了復合控制思想及補償策略正確性及可行性。

    近年來(lái)，出于節能環(huán)保的考慮，配電網(wǎng)終端供電系統中電力電子變換裝置應用越來(lái)越廣泛，如照明、辦公、空調、電梯等相關(guān)供電系統，但這類(lèi)非線(xiàn)性電能變換裝置在改善用戶(hù)端電能質(zhì)量同時(shí)，往往誘發(fā)配電網(wǎng)側諧波及無(wú)功電流問(wèn)題，線(xiàn)損、中線(xiàn)及變壓器過(guò)熱、電表計量不準，甚至保護誤動(dòng)作等現象時(shí)有發(fā)生。傳統無(wú)源濾波及投切電容器補償盡管能夠解決上述問(wèn)題，且成本較低，但無(wú)法實(shí)時(shí)連續調節，存在過(guò)補償、無(wú)功倒送甚至誘發(fā)配電網(wǎng)諧振可能性[1-3]。

    為保障智能配電網(wǎng)終端用戶(hù)高品質(zhì)定制電力供應，隨著(zhù)瞬時(shí)功率理論及電力電子器件的發(fā)展，取代無(wú)源濾波及電容器無(wú)功補償裝置，其主電路拓撲結構及設計、諧波電流檢測、補償方法、控制及調制策略，以及啟動(dòng)特性均是業(yè)界研究及工業(yè)應用的持續熱點(diǎn)話(huà)題[2-6]。

    由于如今智能配電網(wǎng)中電能質(zhì)量問(wèn)題已經(jīng)不再是一個(gè)單一的問(wèn)題，而是一個(gè)非常復雜的系統問(wèn)題。如圖1所示，某公用設施配電系統中同時(shí)存在諧波電流、負載不平衡及功率因數較低等問(wèn)題。電能質(zhì)量復合控制技術(shù)逐漸被學(xué)術(shù)界及工業(yè)界提上研究日程[7-8]。

圖1 實(shí)際配電網(wǎng)電能質(zhì)量問(wèn)題

    本文研究了智能配電網(wǎng)環(huán)境下，同時(shí)面對時(shí)變諧波電流、不平衡負載及無(wú)功問(wèn)題，給出一種諧波、負序和無(wú)功電流復合補償策略，及其關(guān)鍵參數設計方法。相關(guān)仿真、實(shí)驗驗證及產(chǎn)品現場(chǎng)運行實(shí)測結果驗證了該控制策略的正確性及可行性。

    APF-STATCOM電路結構及工作機理

圖2  并聯(lián)APF-STATCOM框圖

    如圖2所示，該并聯(lián)APF-STATCOM采用兩電平三相四橋臂電壓源逆變器拓撲，其中前三橋臂實(shí)現諧波及無(wú)功補償，第四橋臂獨立用于控制中線(xiàn)電流。這是由于三相四線(xiàn)制系統中，當負載不平衡時(shí)，中線(xiàn)往往流過(guò)較大零序電流，其不同于三相三線(xiàn)制系統。因此，增加與前三橋臂解耦控制的第四橋臂提供零序電流通路。此時(shí)APF-STATCOM產(chǎn)生一個(gè)與負載電流i_L,abc中諧波、基波負序和零序分量之和相反的補償電流i_C,abc，使得電源電流i_S,abc僅提供負載電流基波正序分量，確保源輸出對稱(chēng)三相電流并提高功率因數。

    其中中線(xiàn)電流分離檢測、鎖相環(huán)、諧波電流檢測、直流電壓控制、電流控制及PWM調制是實(shí)現高性能APF-STATCOM的關(guān)鍵。鎖相環(huán)、直流電壓控制等與三相三線(xiàn)制系統相同，在此不作詳細介紹。

關(guān)鍵問(wèn)題分析

1. 第四橋臂中線(xiàn)電流分離檢測及控制

    考慮到不平衡的三相四線(xiàn)制電路中的負載電流i_L,abc所包含的零序分量i_N相等，均為

(1)

    如圖2所示，此時(shí)中線(xiàn)電流采樣值i_N，與中線(xiàn)零序電流分量補償指令i_Nref一并作為第四橋臂電流控制器輸入，通過(guò)PI調節器得到調制信號獲得第四橋臂開(kāi)關(guān)信號。

    同時(shí)有，

(2)

(3)

(4)

    式中，僅含正序分量及負序分量，便于后續采用三相三線(xiàn)系統中i_p-i_q諧波電流檢測算法。

2. 諧波電流檢測

圖3  用d-q變換檢測諧波的原理圖

    傳統基于p-q瞬時(shí)無(wú)功功率理論檢測諧波電流方法受電壓畸變及不對稱(chēng)影響較大，實(shí)際場(chǎng)合并不適用[9]。實(shí)際場(chǎng)合多采用加入鎖相環(huán)PLL電路的i_p-i_q瞬時(shí)無(wú)功功率理論檢測方法，具體如圖3所示，相關(guān)變換為

(5)

(6)

    提取不含零序分量的電流 ，通過(guò)Park變換,將基波分量在d-q-0 坐標中變換到0Hz處(或先經(jīng) 變換再經(jīng)dq變換亦可)，用低通濾波器提取基波正序分量即可[5]。

    圖2中直流電壓調節器輸出值生成部分有功電流指令，用于穩定直流母線(xiàn)電壓并補償功率損耗部分。若為提高功率因數，可以同時(shí)補償無(wú)功電流，此時(shí)基波負序無(wú)功電流指令值設定為0。后用負載電流減去基波電流正序分量，即可得到補償負載電流中諧波分量和因負載不平衡導致的電流負序分量、零序分量的指令電流量以及無(wú)功電流正序分量的指令電流，實(shí)現APF-STATCOM功能。

3. 電流PR諧振控制器設計

    由于A(yíng)PF-STATCOM跟蹤的電流指令是多種頻率正弦量的疊加信號，傳統SPWM調制采用PI控制必定存在穩態(tài)誤差和相位偏移，補償效果不佳，往往采用電流滯環(huán)調制，但變頻調制不可避免帶來(lái)濾波器設計及噪聲控制問(wèn)題[9]。

    通過(guò)旋轉坐標變換可以將正弦信號變?yōu)橹绷餍盘?，從而在新的坐標系下采用PI控制器。但在A(yíng)PF-STATCOM控制領(lǐng)域，在多個(gè)頻率下進(jìn)行坐標變換，計算復雜，不利于實(shí)際應用。近年來(lái)，針對正弦信號的提出的PR控制器，在可以避免旋轉坐標變換，計算量大大降低的同時(shí)，獲得與同步坐標系下的PI控制器相同控制效果：能無(wú)穩態(tài)誤差地跟蹤特定頻率的正弦信號，更重要的是可以對頻率的諧波進(jìn)行有選擇地補償。

(7)

(8)

    式中    為諧振頻率。

    由式(7)可知，對直流系統而言，由于積分環(huán)節的存在，0 Hz處的增益*，從而系統可以實(shí)現無(wú)靜差調節；對于交流系統，50Hz及其倍數次諧波，式(7)增益有限，式(8)由于諧振環(huán)節的引入，在相應頻段有較高的增益。若跟蹤的目標為基波 rad/s；若需補償較高幅值的5次諧波，則有 rad/s。通常補償諧波次數高至20或50次，尤其是幅值較高的奇次諧波。因此有，

 (9)

    圖4所示為基波及三、五、七次諧波補償用PR諧振控制器波特圖，可以看出在相應頻段電流控制器增益較高，有助于減小跟蹤誤差。

圖4  PR諧振控制器波特圖

仿真及實(shí)驗驗證

    為驗證所提出的諧波、負序及無(wú)功電流復合補償策略，本文在Matlab Simulink環(huán)境下建立仿真平臺。相關(guān)參數設置如下：輸入三相四線(xiàn)制電壓380V/50Hz，三相二極管整流器非線(xiàn)性負載直流側濾波電感1mH，電阻3.2Ω，三相二極管整流器交流電抗0.4mH，APF-STATCOM并網(wǎng)電抗0.4mH，直流側支撐電容4000μF，交流側不平衡RL負載星型聯(lián)接，電感值均為8mH，電阻值分別為5Ω，50Ω，500Ω，開(kāi)關(guān)頻率10kHz。

    圖5所示以A相為例，表明補償后APF-STATCOM注入電流很好地抵消了負載電流的諧波電流，使得電網(wǎng)電流正弦化較好，實(shí)現了APF諧波補償功能；同時(shí)電網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，功率因數接近于1，實(shí)現了STATCOM無(wú)功補償功能。圖6給出三相補償結果，對稱(chēng)三相電流波形驗證其具有較好抑制不平衡負載能力。

圖5  A相補償后電壓電流波形(從上到下依次是電網(wǎng)電壓/V、電網(wǎng)電流/A、補償電流/A、負載電流/A，時(shí)間軸t/s)

圖6  補償后電網(wǎng)三相電壓電流波形(從上到下依次是三相電網(wǎng)電壓/V、三相電網(wǎng)電流/A，時(shí)間軸t/s)

    圖7進(jìn)一步給出直流側母線(xiàn)電壓波形，可以看出APF-STATCOM在完成諧波補償后，母線(xiàn)電壓略有波動(dòng)，但穩定在750V設定值附近。

圖7  直流側母線(xiàn)電壓/V(時(shí)間軸t/s)

    圖8及圖9進(jìn)一步給出工業(yè)樣機內部測試結果，受實(shí)驗條件限制，此時(shí)負載僅為整流性非線(xiàn)性負載，故負載電流及補償電流與仿真有所區別，其主要體現了APF補償功能。圖10給出產(chǎn)品在現場(chǎng)投運結果，與圖1相比，中性線(xiàn)電流由37A減小至，三相電流THD大不超過(guò)3.4%，且對稱(chēng)性較好，充分驗證了APF-STATCOM復合補償功能。

圖8  A相及B相補償后網(wǎng)側電流及負載電流(從上到下依次是A相電壓、B相電流、A相負載電流、B相負載電流)

圖9  A相補償后網(wǎng)側電流、發(fā)出反向諧波電流及負載電流

圖10  實(shí)際現場(chǎng)APF-STATCOM補償后結果

結論語(yǔ)

    基于電能質(zhì)量復合控制思想，針對智能配電網(wǎng)中諧波電流、負載不平衡、功率因數較低問(wèn)題，提出一種諧波、負序及無(wú)功電流復合補償策略。

仿真、工程樣機試驗及現場(chǎng)運行結果驗證了基于該策略所實(shí)現的APF-STATCOM復合補償功能。

文章來(lái)源：《電氣應用》2014年 第6期

 參考文獻

1.國家技術(shù)*．中國國家標準GB/T 14549-93電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波[S]．北京：中國標準出版社，1994．

2.赤木泰文(Hirofumi Akagi)等(徐政 譯)．瞬時(shí)功率理論及其在電力調節中的應用[J]．北京：機械工業(yè)出版社，2009．

3.王兆安，楊君，劉進(jìn)軍．諧波抑制和無(wú)功功率補償。機械工業(yè)出版社，1998．

4.馬莉，周景海，呂征宇，錢(qián)照明．一種基于dq 變換的改進(jìn)型諧波檢測方案的研究[J]．中國電機工程學(xué)報，2000，20(10)：55-63．

5.趙國鵬，林少伯，韓民曉．基于補償特性的并聯(lián)型有源電力濾波器直流側電壓取值分析[J]．電力系統自動(dòng)化，2012，36(14)：83-87．

6.單任仲．并聯(lián)型復合電能質(zhì)量擾動(dòng)及補償的控制方法與實(shí)現 [D]．博士學(xué)位論文，北京：華北電力大學(xué)，2010．

7.劉海波，毛承雄，陸繼明，王丹．四橋臂三相四線(xiàn)制并聯(lián)型APF—STATCOM [J]．電力系統保護與控制，2010，38(16)：11-17．

8.曹武．諧波獨立補償有源濾器關(guān)鍵技術(shù)研究[D]．碩士學(xué)位論文，南京：東南大學(xué)，2011．