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（1.江西省電力科學(xué)研究院電網(wǎng)技術(shù)中心，江西南昌 330096；2.江西省電力公司運(yùn)維檢修部，江西南昌 330096）

在配網(wǎng)運(yùn)行中存在諸多問題，無功、諧波、不平衡補(bǔ)償問題是比較突出的一個方面。而目前的主要應(yīng)對方式為安裝固定式或投切式電容補(bǔ)償裝置，但由于負(fù)荷變化頻繁且存在諧波和不平衡問題造成電容補(bǔ)償裝置的投切過于頻繁，故障率居高不下［1-2］。而有源電力濾波器（APF）可以抑制電網(wǎng)諧波電流，補(bǔ)償無功，凈化電網(wǎng)，因而已經(jīng)成為解決電力系統(tǒng)電能質(zhì)量問題的一個重要工具［3］，APF具有較好的可控性和較快的響應(yīng)速度，克服了傳統(tǒng)無源濾波器諧振頻率依賴于元件參數(shù)，只能對特定諧波進(jìn)行濾波補(bǔ)償?shù)娜秉c。

目前大多有源濾波器都采用傳統(tǒng)ip-iq瞬時諧波電流檢測法，本文正是在分析傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上提出更為簡單、實用的諧波檢測方式——網(wǎng)側(cè)電流檢測法，此種不需要檢測負(fù)載側(cè)諧波及無功電流［4-6］，硬件設(shè)計簡易化，實時性提高，降低經(jīng)濟(jì)成本。本文通過Matlab/Simulink軟件對ip-iq諧波檢測和網(wǎng)側(cè)電流檢測兩種方法進(jìn)行仿真對比，通過仿真證明采用直接控制網(wǎng)側(cè)電流法的有源電力濾波器，同樣能達(dá)到理想的補(bǔ)償效果，表明網(wǎng)側(cè)電流檢測法的可行性。

1 有源電力濾波器原理

圖1為APF一次回路的原理圖，有源電力濾波器的主回路主要由6個IGBT組成的逆變器、直流側(cè)電容、濾波電抗器等組成。目前大多有源電力濾波器都需要單獨采樣負(fù)載諧波及無功電流，將檢測到的結(jié)果作為補(bǔ)償?shù)囊罁?jù)，然后通過有源濾波器提供等幅值反相位的補(bǔ)償電流ic，來消除非線性負(fù)載造成的無功和諧波電流［7-9］。

圖1 APF主回路原理圖Fig.1 APF main circuit principle diagram

設(shè)網(wǎng)側(cè)電流為is，負(fù)載側(cè)電流為iL，則補(bǔ)償電流ic應(yīng)滿足：

2 ip-iq諧波電流檢測法原理

圖2為ip-iq無功諧波電流檢測算法的原理框圖，其運(yùn)算方式是構(gòu)造一個與a相電網(wǎng)電壓同步的單位正弦信號sin(ωt)及對應(yīng)的單位余弦信號-cos(ωt)組成變換矩陣。是由基波電流分量iaf，ibf，icf產(chǎn)生的，諧波電流分量iah，ibh，ich可以通過網(wǎng)側(cè)電流ia，ib，ic與基波有功電流分量iaf，ibf，icf相減得到。

圖2 ip-iq檢測算法原理圖Fig.2 The principle ofip-iqdetection algorithm

通過變換獲取出有功電流ip、無功電流iq的直流分量ibf，icf，得到的三相基波有功電流分量iaf，ibf，icf，它與被檢測得到的三相電流相減后即為包含諧波和基波無功的總電流iah，ibh，ich。

ip-iq瞬時無功檢測法只提取了與a相電壓同步的單位正弦信號sin(ωt)和與之對應(yīng)的單位余弦信號-cos(ωt)參與運(yùn)算，因此三相電壓信號的諧波成分在運(yùn)算過程中不出現(xiàn)，因而檢測結(jié)果不受電網(wǎng)電壓畸變的影響。

3 網(wǎng)側(cè)電流檢測法的原理

本文采用網(wǎng)側(cè)電流檢測法，與傳統(tǒng)有源電力濾波器系統(tǒng)相比省去了3個負(fù)載側(cè)電流互感器及其諧波和無功的檢測電路，特別是省去了復(fù)雜的諧波及無功運(yùn)算單元。

由圖3可知，采用網(wǎng)側(cè)電流檢測方式的有源電力濾波器，補(bǔ)償電流設(shè)定值的頻率通過檢測三相網(wǎng)側(cè)電壓得到三相同步單位正弦信號；幅值Im由直流側(cè)電容電壓設(shè)定值與瞬時值的差ΔUC，通過PI控制器調(diào)節(jié)獲得，補(bǔ)償電流設(shè)定值是由直流側(cè)電容電壓的波動通過PI調(diào)節(jié)輸出的Im和系統(tǒng)電源同相位的單位正弦信號的乘積，從而計算出補(bǔ)償指令電流和網(wǎng)側(cè)電流的瞬時值is的差值，經(jīng)過PWM調(diào)制控制后，作為IGBT的輸入信號。

式中：Vsa，Vsb，Vsc為三相電網(wǎng)電壓；Vm為網(wǎng)側(cè)電壓峰值。

圖3 APF控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 APF control system structure

直接控制網(wǎng)側(cè)電流方式的有源電力濾波器，不需要檢測諧波及無功電流，因為在有源電力濾波器補(bǔ)償諧波時，電網(wǎng)電流和直流側(cè)電容電壓存在基波有功能量的交換。電容電壓和電容電流具有下面的關(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=630 V；udc(t)為電容電壓的實際值。

根據(jù)能量守恒的原理，直流側(cè)電容充放電都是基波有功電流引起的，假設(shè)直流側(cè)電容的有功電流設(shè)為i(t)，通過PI調(diào)節(jié)后得到有功電流值Im為

式中：Im為有功電流的有效值。

4 結(jié)果與分析

根據(jù)上述分析，有源電力濾波器采用ip-iq諧波無功檢測法、網(wǎng)側(cè)電流檢測法，兩種方法在三相三線制平衡負(fù)載系統(tǒng)中，利用Matlab/Simulink軟件進(jìn)行了仿真，其中仿真系統(tǒng)的基本參數(shù)為：系統(tǒng)電源電壓us=220 V，直流側(cè)電容C=3 300 μF，電容電壓的設(shè)定值UCref=630 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。

圖4，圖5為投入有源電力濾波器前的波形，非線性負(fù)載造成系統(tǒng)電流嚴(yán)重畸變，由圖6可以看出系統(tǒng)電流畸變率為25.89%，特別是5，7，11次諧波居高。

圖4 APF補(bǔ)償前A相電壓與電流波形Fig.4 Voltage and current of A-phase before APF compensation

圖5 APF補(bǔ)償前三相電流波形Fig.5 Current of 3-phase before APF compensation

圖6 APF補(bǔ)償前電流波形頻譜圖Fig.6 Spectrogram plot of current waveform before APF compensation

ip-iq諧波法與網(wǎng)側(cè)電流法仿真結(jié)果對比如圖7～圖10所示。

圖7 A相電壓與電流的過渡曲線Fig.7 Transition curves of A-phase voltage and current

系統(tǒng)在t=0.01 s時，投入有源電力濾波器，圖7 a、圖8 a為采用ip-iq法電流過渡曲線，可以看出此種方法能快速抑制諧波，補(bǔ)償無功電流，但是補(bǔ)償后的網(wǎng)側(cè)電流波形頂端及底端都有毛刺。有源電力濾波器投入之后，大約一個半周波的時間系統(tǒng)基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。圖7 b，圖8 b為網(wǎng)側(cè)電流法電流過渡曲線，可以看出相比于ip-iq法，采用網(wǎng)側(cè)電流法的有源電力濾波器在切入瞬間有沖擊電流，但是濾波之后的波形比較平滑，看出諧波及無功電流迅速補(bǔ)償，但是切入APF瞬間沖擊電流達(dá)到60 A，大概需要一個周期的時間，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖8 三相電流過渡曲線Fig.8 Transition curves of three-phase current

圖9 APF補(bǔ)償后電流波形頻譜圖Fig.9 Spectrogram plot of current waveforms after APF compensation

圖10 電容電壓的過渡曲線Fig.10 Transition curves of capacitance-voltage

圖9a為采用ip-iq法有源電力濾波器投入后網(wǎng)側(cè)電流波形頻譜圖，由圖9a可知，補(bǔ)償后的電流THD減小到1.54%，而圖9b采用網(wǎng)側(cè)電流法的有源電力濾波器投入后，THD減小到0.87%，相比于ip-iq法有源電力濾波器補(bǔ)償后的效果具有明顯的優(yōu)勢，尤其是5次，7次諧波治理效果更佳。

圖10a為采用ip-iq法電容電壓PI調(diào)節(jié)，系統(tǒng)穩(wěn)定到設(shè)定電壓值630 V，大約需要兩個周波的時間。圖10b采用網(wǎng)側(cè)電流法PI調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)穩(wěn)定到設(shè)定電壓值630 V，大概需一個周波的時間，系統(tǒng)的響應(yīng)速度較快，相比于ip-iq法控制的有源電力濾波器直流側(cè)電容電壓的波動量明顯減小。

5 結(jié)論

針對傳統(tǒng)有源濾波器復(fù)雜的諧波和無功檢測單元，本文采用了結(jié)構(gòu)簡單的網(wǎng)側(cè)電流檢測法的有源電力濾波器，通過Matlab/Simulink仿真證明無論是在無功補(bǔ)償還是在諧波抑制方面都有明顯的效果，充分證明了其優(yōu)越性和有效性。

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