四橋臂有源濾波器在改善微網電能質量中的應用研究

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(國網新疆電力公司電力科學研究院,新疆 烏魯木齊 830011)

1 引言

微網主要是采用分布式發電而組建起來的網絡，其特點是可以充分利用分散性能源，并且接近用戶端，可以直接為用戶供電，提高能源的利用率，減少大電網造成的輸電損耗[1-3]。但由于分布式發電的不穩定性，常常將分布式電源接入到中低壓配電網絡中，以提高分布式電源的供電可靠性，由于微網的變流器是由非線性元件組成，會對電網帶來諧波污染，同時負載不平衡也會有電流不平衡等電能質量問題。為了解決微網接入對電網電能質量的影響，本文通過對微網接入對電網的影響進行了分析，針對影響的特點設計了基于四橋臂有源濾波器[4]的控制策略并從仿真上分析了控制策略的可行性，以減少微網接入電網對電網產生的影響。

2 微網諧波產生機理分析

由于微網一般都含有變流器，而變流器屬于開關型器件，容易產生諧波。下面分析三相變流器產生諧波的原因，如圖1所示為三相變流器的主電路，定義三相變流器的諧波分析的開關函數分別為Sa、Sb、Sc。

在理想的情況下，在三相變流器的逆變側，直流側電流id和交流側電壓ua滿足:

(1)

圖1 三相變流器主電路

在三相變流器的整流側，其交流側電流ia和直流側電壓ud滿足

(2)

在式(1)和式(2)中，Sia、Sib、Sic分別為三相變流器諧波分析的電流開關函數，Sua、Sub、Suc分別為三相變流器諧波分析的電壓開關函數。

3.2.2 補償電流檢測

將計算得出的三相變流器諧波分析的開關函數[5]代入式(1)或式(2)中，可得如下結論：

雖然交流側的諧波電流是由于直流側的諧波調制產生的，可以通過在交流側加裝有源濾波器來產生補償電流來對諧波電流進行補償，圖2所示為四橋臂有源濾波器拓撲結構圖。

(1) 在三相變流器的工作狀態在理想狀態的情況下，即系統三相電壓和負載對稱，僅考慮變流器的換相過程，在變流器的直流側會出現系統頻率6k次的諧波電壓。在系統側，由于變流器直流側6k次諧波電壓會產會6k次諧波電流，變流器直流側的6k次諧波電流及直流電流會同時被諧波分析開關函數調制，調制結果如下：

|fi±fj|=|(6k1±(6k2±1))|=|6k±1|

(3)

通過式(3)可知，在直流側的6k次諧波和直流電流被調制后將會在交流系統側產生6k±1次的諧波電流。

(2) 在三相變流器的工作狀態在非理想狀態的情況下，會有非特征諧波電壓出現在變流器的直流側將，這些非特征諧波電壓經諧波分析開關函數調制后，在交流系統側會出現相應的非特征諧波電流。例如在系統三相電壓不平衡的時候，6k±2次諧波電壓所對應的諧波電流經諧波開關函數調制后將得來如式(4)所示的諧波電流。

|fi±fj|=|(6k1±2)±(6k2±1)|

(4)

(3)當直流側的擾動項ωm為非基波的整數倍頻率時，其擾動項經過諧波開關函數調制，在交流系統側將產生如式(5)所示的間諧波分量，由此可知，交流側的非整數倍基波頻率的紋波分量主要是由直流側的非整數倍基波頻率的擾動引起的。

|fi±fj|=|ωm±(6k±1)|

(5)

由以上的分析可知，變流器會將不同頻率的諧波電壓轉換成不同頻率的諧波電流，為了解決上述問題，可以采用四橋臂有源濾波器來補償諧波電流，以優化交流系統側的電能質量。

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3 四橋臂有源濾波器結構和工作原理

3.1 四橋臂有源濾波器結構

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圖2 四橋臂有源濾波器拓撲結構

從圖2中可以看出，該微網有源濾波器由并聯四橋臂電壓源變流器、直流電容、串聯電感等元件構成，其中主要特點是在三相四線制的中線上加裝一個橋臂，中線上新加的橋臂可以用來解決中性點零序電流不平衡的問題[6]。同時第四個橋臂的控制與其他三相的控制是相互獨立的，也就是說，在增加了解決中性點電流不平衡的橋臂后，整個系統的控制的復雜性并沒有增加。對于濾波器的直流電源可以接蓄電池或其他儲能裝置。在負載電流不平衡或負載為非線性情況下，該種有源并聯濾波器可以輸出補償電流對微網諧波或不平衡電流進行補償，同時由于其直流電源接的為儲能裝置，這種有源濾波器還可以對微電網功率波動進行補償。

3.2 四橋臂有源濾波器參考電流

3.2.1 并網功率電流計算

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(6)

同時系統瞬時零序功率p0有功功率p和無功功率q可分別用下式表示，

(7)

撕絨捻線：一般在采集當晚撕絨，最多不超過三天，因為保鮮時比較容易撕，過后不易撕。撕時把葉子尖部掐開，撕下一半，接另一半撕下另一半，照此把所有葉子絨撕下的同時接在一起然后規范繞成線支晾干后繞線球備織。

(8)

式(3)中u0、uα、uβ、i0、iα、iβ分別為交流系統電壓和交流系統電流在αβ0坐標系下的分量。由式(3)可見，控制輸出p0、p、q只需控制i0、iα和iβ即可。微網變流器采用PQ控制時，零序電流分量為零(i0=0，p0=0)，把p=Pm*，q=Qm*作為參考值代入式(7)中，經變換后可得并網電流參考值為：

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不平衡及諧波電流的補償電流檢測方法原理如圖3所示。

圖3 補償電流檢測

從圖3中可以看出，通過Cabc-αβ變換后，交流系統三相電壓ua,b,c變換為uα,β，這其中可能會包含正序電壓分量，負序電壓分量及諧波分量。在對正序分量的檢測上，采用圖4所示的基于二階廣義積分器(SOGI)的檢測方法檢測[9-10]。

圖4 基波檢測

由式(3)、(4)可見，如果微網靜止坐標下電壓uα、uβ微電網背景電壓不平衡并含有