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智能配電網(wǎng)中三相APF-STATCOM諧波、不平衡負(fù)載及無功電流復(fù)合控制策略
季曉春1，王建華2，嵇保健3，曹武2，劉建春1
(1. 安科瑞電氣股份有限公司，上海市，201801
2. 江蘇省智能電網(wǎng)技術(shù)與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇省 南京市 210096
3. 南京工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，江蘇省 南京市210009)

摘要:基于電能質(zhì)量復(fù)合控制思想，針對智能配電網(wǎng)中諧波電流、負(fù)載不平衡、功率因數(shù)較低問題，給出一種諧波、負(fù)序及無功電流復(fù)合補(bǔ)償策略，并給出關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)方法。相關(guān)APF-STATCOM仿真、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及產(chǎn)品現(xiàn)場運(yùn)行實(shí)測結(jié)果驗(yàn)證了復(fù)合控制思想及補(bǔ)償策略正確性及可行性。
關(guān)鍵詞:智能配電網(wǎng)；有源電力濾波器；靜止同步補(bǔ)償器；不平衡負(fù)載
 

　　近年來，出于節(jié)能環(huán)保的考慮，配電網(wǎng)終端供電系統(tǒng)中電力電子變換裝置應(yīng)用越來越廣泛，如照明、辦公、空調(diào)、電梯等相關(guān)供電系統(tǒng)，但這類非線性電能變換裝置在改善用戶端電能質(zhì)量同時(shí)，往往誘發(fā)配電網(wǎng)側(cè)諧波及無功電流問題，線損、中線及變壓器過熱、電表計(jì)量不準(zhǔn)，甚至保護(hù)誤動(dòng)作等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。傳統(tǒng)無源濾波及投切電容器補(bǔ)償盡管能夠解決上述問題，且成本較低，但無法實(shí)時(shí)連續(xù)調(diào)節(jié)，存在過補(bǔ)償、無功倒送甚至誘發(fā)配電網(wǎng)諧振可能性[1-3]。
　　為保障智能配電網(wǎng)終端用戶高品質(zhì)定制電力供應(yīng)，隨著瞬時(shí)功率理論及電力電子器件的發(fā)展，取代無源濾波及電容器無功補(bǔ)償裝置，其主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)、諧波電流檢測、補(bǔ)償方法、控制及調(diào)制策略，以及啟動(dòng)特性均是業(yè)界研究及工業(yè)應(yīng)用的持續(xù)熱點(diǎn)話題[2-6]。
　　由于如今智能配電網(wǎng)中電能質(zhì)量問題已經(jīng)不再是一個(gè)單一的問題，而是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)問題。如圖1所示，某公用設(shè)施配電系統(tǒng)中同時(shí)存在諧波電流、負(fù)載不平衡及功率因數(shù)較低等問題。電能質(zhì)量復(fù)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(fù)載及無功問題，給出一種諧波、負(fù)序和無功電流復(fù)合補(bǔ)償策略，及其關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)方法。相關(guān)仿真、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及產(chǎn)品現(xiàn)場運(yùn)行實(shí)測結(jié)果驗(yàn)證了該控制策略的正確性及可行性。
APF-STATCOM電路結(jié)構(gòu)及工作機(jī)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?fù)�，其中前三橋臂�?shí)現(xiàn)諧波及無功補(bǔ)償，第四橋臂獨(dú)立用于控制中線電流。這是由于三相四線制系統(tǒng)中，當(dāng)負(fù)載不平衡時(shí)，中線往往流過較大零序電流，其不同于三相三線制系統(tǒng)。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(fù)載電流i_L,abc中諧波、基波負(fù)序和零序分量之和相反的補(bǔ)償電流_C,abc，使得電源電流i_S,abc僅提供負(fù)載電流基波正序分量，確保源輸出對稱三相電流并提高功率因數(shù)。
　　其中中線電流分離檢測、鎖相環(huán)、諧波電流檢測、直流電壓控制、電流控制及PWM調(diào)制是實(shí)現(xiàn)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制系統(tǒng)相同，在此不作詳細(xì)介紹。
關(guān)鍵問題分析
　　1. 第四橋臂中線電流分離檢測及控制
　　考慮到不平衡的三相四線制電路中的負(fù)載電流i_L,abc所包含的零序分量i_N相等，均為

       如圖2所示，此時(shí)中線電流采樣值i_N，與中線零序電流分量補(bǔ)償指令i_Nref一并作為第四橋臂電流控制器輸入，通過PI調(diào)節(jié)器得到調(diào)制信號(hào)獲得第四橋臂開關(guān)信號(hào)。
　   同時(shí)有，

式中，i‘_L,abc僅含正序分量及負(fù)序分量，便于后續(xù)采用三相三線系統(tǒng)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(tǒng)基于p-q瞬時(shí)無功功率理論檢測諧波電流方法受電壓畸變及不對稱影響較大，實(shí)際場合并不適用[9]。實(shí)際場合多采用加入鎖相環(huán)PLL電路的i_p-i_q瞬時(shí)無功功率理論檢測方法，具體如圖3所示，相關(guān)變換為

　　提取不含零序分量的電流i‘_L,abc，通過Park變換，將基波分量在d-q-0 坐標(biāo)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(diào)節(jié)器輸出值生成部分有功電流指令，用于穩(wěn)定直流母線電壓并補(bǔ)償功率損耗部分。若為提高功率因數(shù)，可以同時(shí)補(bǔ)償無功電流，此時(shí)基波負(fù)序無功電流指令值設(shè)定為0。最后用負(fù)載電流減去基波電流正序分量，即可得到補(bǔ)償負(fù)載電流中諧波分量和因負(fù)載不平衡導(dǎo)致的電流負(fù)序分量、零序分量的指令電流量以及無功電流正序分量的指令電流，實(shí)現(xiàn)APF-STATCOM功能。
        3. 電流PR諧振控制器設(shè)計(jì)
　　由于APF-STATCOM跟蹤的電流指令是多種頻率正弦量的疊加信號(hào)，傳統(tǒng)SPWM調(diào)制采用PI控制必定存在穩(wěn)態(tài)誤差和相位偏移，補(bǔ)償效果不佳，往往采用電流滯環(huán)調(diào)制，但變頻調(diào)制不可避免帶來濾波器設(shè)計(jì)及噪聲控制問題[9]。
　　通過旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換可以將正弦信號(hào)變?yōu)橹绷餍盘?hào)，從而在新的坐標(biāo)系下采用PI控制器。但在APF-STATCOM控制領(lǐng)域，必須在多個(gè)頻率下進(jìn)行坐標(biāo)變換，計(jì)算復(fù)雜，不利于實(shí)際應(yīng)用。近年來，針對正弦信號(hào)的提出的PR控制器，在可以避免旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，計(jì)算量大大降低的同時(shí)，獲得與同步坐標(biāo)系下的PI控制器相同控制效果：能無穩(wěn)態(tài)誤差地跟蹤特定頻率的正弦信號(hào)，更重要的是可以對指定頻率的諧波進(jìn)行有選擇地補(bǔ)償。

式中為諧振頻率。
 由式(7)可知，對直流系統(tǒng)而言，由于積分環(huán)節(jié)的存在，0 Hz處的增益極高，從而系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)節(jié)；對于交流系統(tǒng)，50Hz及其倍數(shù)次諧波，式(7)增益有限，式(8)由于諧振環(huán)節(jié)的引入，在相應(yīng)頻段有較高的增益。若跟蹤的目標(biāo)為基波；若需補(bǔ)償較高幅值的5次諧波，則有。通常補(bǔ)償諧波次數(shù)最高至20或50次，尤其是幅值較高的奇次諧波。因此有，

        圖4所示為基波及三、五、七次諧波補(bǔ)償用PR諧振控制器波特圖，可以看出在相應(yīng)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(yàn)驗(yàn)證
　　為驗(yàn)證所提出的諧波、負(fù)序及無功電流復(fù)合補(bǔ)償策略，本文在Matlab Simulink環(huán)境下建立仿真平臺(tái)。相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：輸入三相四線制電壓380V/50Hz，三相二極管整流器非線性負(fù)載直流側(cè)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(cè)支撐電容4000μF，交流側(cè)不平衡RL負(fù)載星型聯(lián)接，電感值均為8mH，電阻值分別為5Ω，50Ω，500Ω，開關(guān)頻率10kHz。
　　圖5所示以A相為例，表明補(bǔ)償后APF-STATCOM注入電流很好地抵消了負(fù)載電流的諧波電流，使得電網(wǎng)電流正弦化較好，實(shí)現(xiàn)了APF諧波補(bǔ)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(shù)接近于1，實(shí)現(xiàn)了STATCOM無功補(bǔ)償功能。圖6給出三相補(bǔ)償結(jié)果，對稱三相電流波形驗(yàn)證其具有較好抑制不平衡負(fù)載能力。

圖5  A相補(bǔ)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(bǔ)償電流/A、負(fù)載電流/A，時(shí)間軸t/s)

圖6  補(bǔ)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(cè)母線電壓波形，可以看出APF-STATCOM在完成諧波補(bǔ)償后，母線電壓略有波動(dòng)，但穩(wěn)定在750V設(shè)定值附近。

圖7  直流側(cè)母線電壓/V(時(shí)間軸t/s)

       圖8及圖9進(jìn)一步給出工業(yè)樣機(jī)內(nèi)部測試結(jié)果，受實(shí)驗(yàn)條件限制，此時(shí)負(fù)載僅為整流性非線性負(fù)載，故負(fù)載電流及補(bǔ)償電流與仿真有所區(qū)別，其主要體現(xiàn)了APF補(bǔ)償功能。圖10給出產(chǎn)品在現(xiàn)場投運(yùn)結(jié)果，與圖1相比，中性線電流由37A減小至5A，三相電流THD最大不超過3.4%，且對稱性較好，充分驗(yàn)證了APF-STATCOM復(fù)合補(bǔ)償功能。

圖8  A相及B相補(bǔ)償后網(wǎng)側(cè)電流及負(fù)載電流(從上到下依次是A相電壓、B相電流、A相負(fù)載電流、B相負(fù)載電流)

圖9  A相補(bǔ)償后網(wǎng)側(cè)電流、發(fā)出反向諧波電流及負(fù)載電流

圖10  實(shí)際現(xiàn)場APF-STATCOM補(bǔ)償后結(jié)果

結(jié)論語
　　基于電能質(zhì)量復(fù)合控制思想，針對智能配電網(wǎng)中諧波電流、負(fù)載不平衡、功率因數(shù)較低問題，提出一種諧波、負(fù)序及無功電流復(fù)合補(bǔ)償策略。
　　仿真、工程樣機(jī)試驗(yàn)及現(xiàn)場運(yùn)行結(jié)果驗(yàn)證了基于該策略所實(shí)現(xiàn)的APF-STATCOM復(fù)合補(bǔ)償功能。

文章來源：《電氣應(yīng)用》2014年 第6期

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