基于APF電能質量調節裝置的研究

于　?！≈x冬陽　王厚軍（國網新疆電力公司昌吉供電公司，新疆 昌吉 831100）

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基于APF電能質量調節裝置的研究

于海謝冬陽王厚軍
（國網新疆電力公司昌吉供電公司，新疆 昌吉 831100）

摘要隨著入網設備的多樣化，電力系統的電能質量問題逐漸凸顯出來。電能質量問題涵蓋廣泛，既涉及電壓合格率，又關系諧波含量。文章從諧波消除、基波無功補償等方面綜合考慮，提出一種基于有源濾波加晶閘管控制相結合的電能質量調節裝置的設計，給出各部分的硬件電路和控制策略，并經受實驗的檢驗。檢驗結果表明，本文提出的方法在抑制非線性負荷對電網造成影響方面效果顯著，值得進一步推廣。

關鍵詞：電能質量；有源濾波器（APF）；非線性負荷；調節裝置；諧波

隨著技術的發展，基于電力電子的新型設備被廣泛應用到日常生產和生活中。這些設備在給人們帶來巨大效能的同時，也因其非線性特質而給電網造成一定的電能質量問題。

就大的方面來說，電能質量問題可劃分為兩個方面：即電壓幅值問題（電壓合格率）、電能純凈問題（諧波含有率）。當前，控制電壓幅值主要通過手動或自動投切電容器實現；控制諧波含量主要通過配制無源濾波裝置（比較便宜）來實現；兩者基本獨立進行。但很多情況下，無功補償、諧波抑制需要協同進行、綜合治理[1]，這就需要在全面兼顧響應速度、經濟性、安裝工作量等因素的基礎上，開發一種電能質量綜合調節裝置，使電能質量的各項指標進入合理區間，而不出現顧此失彼的現象。

1　總體框架

前已述及，電能質量調節涉及基波分量和諧波分量、正序分量和負序分量等多個層面，筆者根據當前技術發展狀況，結合國內外研究態勢，提出如圖1所示的電能質量調節裝置的構成框架。

圖1　可執行多層次調控的電能質量調節裝置框架

解說：①TA、TV負責將強電范疇的電網電氣量同步轉換為弱電等級的對應信號，以方便智能控制器的計算；②智能控制器內配置雙數據處理器（DSP），由其負責計算總補償電流ia、ib、ic；③總補償電流需進一步進行分解，以ia為例，有ia=iah+ iaT，其中iaT為基波分量，iah為諧波分量；ib、ic的分解與此類似；④基波分量控制TSC中晶閘管的通斷，使固定安裝的無功補償設備實現按需分相投切

（具體來說就是使固定安裝電容器的電流達到iaT、ibT、icT）；⑤諧波分量控制脈寬調制電路（PWM），使有源濾波器（APF）輸出接近iah、ibh、ich；⑥綜合①至⑤，電源側的電流得到調節，保證了電網污染的治理。

2　主電路設計

2.1APF層面

筆者參閱大量資料，設計如圖2所示的APF主電路。其由兩部分組成，逆變主電路產生補償電流，低通濾波器負責對逆變主電路進行“凈化”，以防電能調節裝置對電網造成二次污染。

圖2　APF主電路組成示意

以上電路中有幾個關鍵參數需確定，分別是：

1）E1、E2容量

根據E1、E2作用，文獻[2]認為應按中線I波動狀況來確定它們的容量，即式（1）所示。其中，I1m為中線I最大值，Δudmax為最大允許電壓差值，H為安全裕量（取1.5）。

2）LPF中L、C元件大小。LPF的電流源等效電路如圖3所示，其中R為逆變主電路的等效電阻。

圖3　LPF的等效電路

LPF設計應符合巴特沃斯逼近原則。本設計中，相關指標給定為[3]：①APF應完全補償25次以下諧波，有效濾除25次以上諧波；②通帶截止頻率1500Hz、最大損耗3dB，阻帶截止頻率4500Hz、最大損耗23dB。根據這些指標定出巴特沃斯函數為

這樣，結合圖3，列出如下方程，即

在取R=0.6Ω的情況下，得到L1=0.43×10?4H，L=1.26×10?4H，C=177×10?6F。

2.2TSC層面

為滿足無功補償的分級要求，可將每相電容器按1∶2∶4的關系分為3組；為滿足無功補償的分相要求，應采用星接方式并聯電容器；為控制合閘涌流和高次諧波，應將阻尼線圈串聯至電容器組中?；赥SC的無功動態補償電路如圖4所示。

圖4　TSC設計主電路示意

3　諧波檢測與APF控制策略

諧波檢測是電能調節裝置正確工作的前提。目前，關于諧波測算的方法主要有FFT法、自適應檢測法、瞬時空間矢量法等[4]。其中，瞬時空間矢量法應用最為廣泛，其分支包括p-q法、ip-iq法、d-q法等。d-q法能在電網運行狀況不甚理想（如電壓不對稱、閃變）下檢測出諧波存在，精確度較高，因此本項研究選擇該算法作為諧波檢定方法。

為了確保APF輸出的補償波形的有效性，設計如圖5所示的兩環控制策略。其中，內環控制（即控制器Ⅰ）的任務是依照特定的控制參考量，對輔助電源的輸出進行調制，使電力線路獲得所需要的消諧電氣量；外環控制（即控制器Ⅱ）的任務則是根據檢測到的諧波電氣量產生一個控制參考量，作為內環控制的控制依據。以上表述如圖5所示。

圖5　APF兩環控制策略的構成

4　控制器結構

APF是電能質量調節裝置的核心，而控制器是APF的核心?？刂破鲬獫M足響應快速、結構緊湊、布局合理、通道足量等要求，同時具備良好的人機交互。為此，構建如圖6所示的控制器硬件框圖。

圖6　APF控制器硬件組成示意框圖

5　應用案例

某機器制造公司擁有大量中頻爐設備，負荷呈現強電感性且非線性明顯。投運一段時間以來，除了功率因數持續較低外，還發現廠內電氣設備故障頻發以及相鄰用戶（與該廠公用一條10kV線路）較多投訴到供電公司。經供電公司檢測，該機器制造公司的諧波大量超標；進一步檢查發現，雖然該公司在電氣設計上考慮了諧波治理和無功補償，但由于方式落后（無源濾波+電容器整組投切）、濾波器參數選擇不當、電容器最小投切容量過大等因素，諧波未能得到有效治理，缺損無功也未能得到足額補償。圖7為用戶中壓母線上實測得到的電流、電壓波形。

圖7　機器制造廠中壓母線實測電流波形

為了解決問題，該機器制造公司進行認真分析，認為必須對現有諧波治理設備進行改造，方向是引進基于APF的電能質量調節裝置，重點治理5、7、11等奇次諧波。

在設備改造完畢，所有生產線全力運行情況下，再在中壓母線進行電流實測，得到如圖8所示的電流圖。與圖7對照可知，新電能質量調節裝置使電流、電壓的波形明顯變得平滑，效果顯著。

圖8　進行電能質量調節后的母線實測電流、電壓波形

6　結論

電能質量調節是一項復雜的工程，需要考慮響應速度、控制精度、二次污染的避免以及投資經濟性等。針對新形勢下電網面臨的諧波問題和無功補償問題，結合最新的技術發展，提出以APF為基礎的電能質量綜合調節裝置的開發，就該裝置的結構藍圖、主電路設計、控制策略、控制器框架等進行研究。應用實例表明，文章的研究成果是有效的，值得推廣。

參考文獻

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[5] 羅安, 吳傳平, 彭雙劍. 諧波治理技術現狀及其發展[J]. 大功率變流技術, 2011, 2(6): 1-5, 9.

于海（1979-），男，新疆昌吉人，本科學歷，工程師，主要從事配網運維管理工作。

Research of Power Quality Control Device based on APF

Yu HaiXie DongyangWang Houjun
(State Grid Changji Power Supply Company, Changji, Xinjiang831100)

Abstract With the diversification of network equipment, power quality problems of the electric power system gradually emerged. The power quality problem is covered extensively, which involves both the qualified rate of the voltage and the harmonic content. In this paper, the design of the power quality control device based on active power filter and thyristor control is proposed, and the hardware circuit and control strategy are presented. Test results show that the method proposed in this paper is effective in restraining the effect of nonlinear load in power network.

Keywords：power quality；active power filter (APF)；nonlinear load；adjusting device；harmonic

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