應(yīng)用多級(jí)有源濾波系統(tǒng)的分布式電源諧波治理分析

張文魁，呂高飛，龔長(zhǎng)武

（華信咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引 言

隨著現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型的逐步完成，我國(guó)電力行業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展也基本實(shí)現(xiàn)，從電力的配電網(wǎng)絡(luò)方面分析，當(dāng)前因電力系統(tǒng)日益系統(tǒng)化與復(fù)雜化，采用了分布式的配電方式，以解決由此造成的負(fù)載過(guò)大問(wèn)題。但是，分布式配電網(wǎng)絡(luò)中存在多個(gè)諧波源。為了有效解決此類(lèi)問(wèn)題，需要采用一些具體的優(yōu)化方案，使其可能產(chǎn)生的污染問(wèn)題得到有效治理。本文以此現(xiàn)實(shí)需求為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合日常工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)相關(guān)問(wèn)題展開(kāi)說(shuō)明。

1 多級(jí)有源濾波系統(tǒng)

在配電網(wǎng)絡(luò)中，采用分布配電方式后，諧波源的數(shù)量也會(huì)相應(yīng)增加。因此，針對(duì)多個(gè)非線性負(fù)載的處理方面，若運(yùn)用單一有源濾波器，就不能起到好的處理效果。具體而言，當(dāng)處于多諧波源網(wǎng)絡(luò)中，只對(duì)其中某一個(gè)點(diǎn)安裝有源濾波器，它只能在實(shí)際上對(duì)安裝點(diǎn)處的諧波問(wèn)題處理有效果，而對(duì)于其他各點(diǎn)的諧波問(wèn)題無(wú)法進(jìn)行處理，因此整體上就無(wú)法實(shí)現(xiàn)整條線路上的諧波控制。在分布式配電網(wǎng)絡(luò)中，若要解決這個(gè)問(wèn)題，就需要在各個(gè)點(diǎn)安裝有源濾波器，具體安裝位置是各母線側(cè)，由此構(gòu)造一個(gè)多級(jí)有源濾波系統(tǒng)，目的是針對(duì)諧波污染進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。從控制效果方面分析，若要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，或者使整個(gè)控制系統(tǒng)達(dá)到較佳的控制狀態(tài)，則需要針對(duì)各個(gè)有源濾波器實(shí)施單元單獨(dú)控制。這樣就要求在優(yōu)化方案中采用滯環(huán)空間矢量法，從而形成分布式多級(jí)有源濾波系統(tǒng)。從電路結(jié)構(gòu)構(gòu)成方面分析，非線性負(fù)載就在含諧波的電流源中；而根據(jù)基爾霍夫定律，濾波器補(bǔ)償電流已知，因此在基波分量與諧波分量共同作用的情況下就會(huì)產(chǎn)生電流。換句話講，諧波電流就是有源濾波器的基準(zhǔn)，它的作用就是補(bǔ)償一個(gè)與它相等的電流。為了形象地進(jìn)行說(shuō)明，可以假設(shè)有4個(gè)電流，它們所在的線路分別對(duì)應(yīng)著1、2、3、4個(gè)對(duì)應(yīng)線路；當(dāng)其中的任一（若選擇線路3）對(duì)應(yīng)線路上安裝有源濾波器，那么就會(huì)對(duì)應(yīng)地處理這個(gè)線路（對(duì)應(yīng)線路3），但對(duì)其他（如線路1、線路2、線路4）線路則不起作用；當(dāng)其中的兩條線路安裝時(shí)，如線路1和線路3，此時(shí)就能夠達(dá)到提升多條線路的諧波治理效果。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，分布式安裝中安裝線路越多，其諧波治理效果越好[1]。

2 有源濾波器諧波檢測(cè)

在實(shí)際的應(yīng)用多級(jí)有源濾波系統(tǒng)中，經(jīng)驗(yàn)表明必須先進(jìn)行電流控制與諧波檢測(cè)。

在本次研究中，針對(duì)有源濾波器諧波電流的檢測(cè)，考慮到計(jì)算時(shí)的簡(jiǎn)單性、適應(yīng)性以及實(shí)時(shí)性，選擇單位功率因數(shù)法；諧波源的模型方面，則選擇非線性負(fù)載模型。在具體的檢測(cè)計(jì)算中，假定單位功率因數(shù)為1的前提下，線路中不含有諧波；在不含有諧波的條件限定下，非線性負(fù)載就等于電阻值，或者說(shuō)負(fù)載只具有電阻屬性，因此就可以將此時(shí)的電阻值作為諧波電流。另外，有源濾波器有補(bǔ)償作用，這樣就可以確保電壓與電流在電網(wǎng)側(cè)始終保持同相位。也就是說(shuō)，在三相負(fù)載未發(fā)生畸變的條件下，電壓的理想情況就可以進(jìn)行具體的計(jì)算，同時(shí)也能夠計(jì)算出三相電流值，進(jìn)而換算出補(bǔ)償電流。本次運(yùn)算中使用的公式如下。

（1）電壓關(guān)系式：

（2）設(shè)k=等效電導(dǎo)，則三相電流公式：

（3）設(shè)基波電流，iq=廣義無(wú)功電流組成，那么，iL=負(fù)載電流的情況下，前兩種電流構(gòu)成負(fù)載流電，此時(shí)就可以根據(jù)傅里葉變換法換算后得到負(fù)載電流關(guān)系式：

（4）根據(jù)假定，設(shè)功率因數(shù)為1，那么補(bǔ)償電流就可以用式（4）進(jìn)行計(jì)算得出：

因此，就可以計(jì)算出假定范圍內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)，并根據(jù)要素構(gòu)成在結(jié)構(gòu)層面構(gòu)造出單位功率因數(shù)框圖，此時(shí)設(shè)定低通濾波器，那么對(duì)應(yīng)的直流分量就可以直接獲得。這樣只需針對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行合理的選擇，就能夠確保直流側(cè)電容電壓的穩(wěn)定性。

3 有源濾波器的控制方法

厘清有源濾波器諧波各項(xiàng)參數(shù)，并對(duì)其中的檢測(cè)方法明了后，就可以針對(duì)有源濾波器進(jìn)行控制方法方面的進(jìn)一步分析。

首先，從設(shè)計(jì)思路方面分析，滯環(huán)空間矢量對(duì)應(yīng)于三相逆變電流，因此在開(kāi)關(guān)頻率控制方面只需要借助滯環(huán)寬度調(diào)節(jié)方法就能夠?qū)崿F(xiàn)；至于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，則只需要進(jìn)行矢量選擇即可，具體是針對(duì)獲得的誤差電流與參考電壓進(jìn)行矢量選擇。眾所周知，對(duì)8種開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行磁鏈分析，根據(jù)開(kāi)關(guān)頻率的頻次調(diào)節(jié)就能夠?qū)崿F(xiàn)磁鏈圓的接近狀態(tài)，最終獲得諧波控制目標(biāo)。具體而言，在滯環(huán)寬度調(diào)節(jié)方面，只需要根據(jù)影響因素分別將三相電路各參考電壓與輸入電流進(jìn)行影響關(guān)系分析，進(jìn)而明確部分之間不存在影響關(guān)系，各部分只與滯環(huán)寬度相關(guān)，那么就能夠以單相逆變電路的結(jié)構(gòu)作為模型進(jìn)一步進(jìn)行處理。其次，在空間矢量控制方面，根據(jù)左側(cè)環(huán)寬調(diào)節(jié)輸出誤差電流、右則理想狀態(tài)參考電壓進(jìn)行比較分析，然后實(shí)現(xiàn)矢量選擇就能夠得到一組最佳的開(kāi)關(guān)函數(shù)。假定電壓與電流狀態(tài)的條件下，若有6個(gè)區(qū)間，那么設(shè)誤差電流區(qū)為6區(qū)，參考電壓為1區(qū)，根據(jù)6個(gè)扇形頂點(diǎn)，就能夠以其各點(diǎn)為出發(fā)點(diǎn)，構(gòu)建一個(gè)與參考電壓相連接的6個(gè)矢量；根據(jù)誤差電流快速趨近原點(diǎn)作為定位矢量，那么對(duì)應(yīng)電壓就是最優(yōu)電壓矢量，即誤差電流在矢量規(guī)則下越拉近原點(diǎn)，與其關(guān)聯(lián)的參考電壓越能夠得到優(yōu)化；這樣各個(gè)區(qū)間的最優(yōu)電壓矢量都能夠根據(jù)矢量空間的位置進(jìn)行觀察與計(jì)算，從而得到對(duì)應(yīng)的控制。其中，設(shè)參考電壓為U*，在6個(gè)扇形中就能夠?qū)⑺譃閮蓚€(gè)部分，分別為正區(qū)與負(fù)區(qū)，此時(shí)狀態(tài)信息若用Xab、Xbc、Xca表示，就得到公式：

設(shè)電流狀態(tài)信息為Ba、Bb、Bc，j=a,b,c；那么，就可以用公式表示如下：

4 仿真研究

在應(yīng)用多級(jí)有源濾波系統(tǒng)的分布式電源諧波治理方案擬定后，可以通過(guò)仿真研究進(jìn)一步的確定方案。仿真平臺(tái)的選擇，以MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)為準(zhǔn)，可以進(jìn)行分布式多級(jí)有源濾波系統(tǒng)的電源接入配電網(wǎng)仿真模型搭建。并通過(guò)三種類(lèi)型進(jìn)行比較分析：（1）不含或0個(gè)有源濾波器類(lèi)型；（2）單個(gè)或1個(gè)濾波器類(lèi)型；（3）2個(gè)濾波器類(lèi)型。

首先，構(gòu)建配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其中主要構(gòu)成分別是：三相電網(wǎng)線，電壓為380 V，電壓頻率為50 Hz；非線性負(fù)載為4個(gè)整流橋，電感值為8 mH，電阻值為20 ；有源濾波器，開(kāi)關(guān)頻率為10 kHz。

其次，按照類(lèi)型劃分，分別進(jìn)行仿真計(jì)算。第一，進(jìn)行不含或0個(gè)有源濾波器仿真。此時(shí)，諧波器電路沒(méi)有濾波器，那么諧波畸變就是在每條線路中發(fā)生，且畸變較大。以線路1為例，則會(huì)在對(duì)應(yīng)的電流波形下，計(jì)算得到總諧波畸變率為34.1%。第二，進(jìn)行單個(gè)或1個(gè)有源濾波器類(lèi)型仿真。此時(shí)，任意選擇一條線路如線路2，那么當(dāng)安裝1個(gè)有源濾波器時(shí)，若每條線路上的總諧波發(fā)生失真，線路2的諧波卻能夠得到治理，但線路1、3、4卻依然存在諧波畸變。對(duì)安裝1個(gè)濾波器類(lèi)型上的其他線路上的諧波畸變率進(jìn)行比較，就會(huì)發(fā)現(xiàn)線路1、2、3、4的諧波畸變率分別為29.8%、3.4%、41%、44.1%，線路3與線路4明顯大于未安裝濾波器時(shí)的諧波畸變。第三，在多級(jí)有源濾波系統(tǒng)中安裝2個(gè)濾波器，若給線路2和線路4分別安裝，那么就可以通過(guò)計(jì)算看出，總諧波失真的情況下，線路1、2、3、4的諧波畸變率分別為20.5%、2.08%、28.4%、3.21%，整體上改善了諧波污染情況。根據(jù)對(duì)3個(gè)不同類(lèi)型的分布式電源諧波治理方案進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)在應(yīng)用多級(jí)有源濾波系統(tǒng)的分布式電源諧波治理方案中，采用2個(gè)濾波器類(lèi)型效果較佳。因此能夠證明在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間找到治理關(guān)系，就可以更好地解決分布式電源諧波污染問(wèn)題，從而達(dá)到治理目標(biāo)[2]。

5 結(jié) 論

隨著現(xiàn)代電力行業(yè)的整體改革，電力行業(yè)已經(jīng)形成了系統(tǒng)性的電力配電網(wǎng)絡(luò)。因此，為了保障該配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全有效運(yùn)行，必然需要從技術(shù)資源匹配的角度，進(jìn)行一些優(yōu)化升級(jí)處理。通過(guò)上文初步分析可以看出，應(yīng)用多級(jí)有源濾波系統(tǒng)中的分布式電源諧波治理方案時(shí)，應(yīng)該增強(qiáng)對(duì)其控制方法的完善。仿真研究結(jié)果表明，在構(gòu)建新型電網(wǎng)模型時(shí)，借助2個(gè)有源濾波器作為控制目標(biāo)，能夠起到簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的作用，從而實(shí)現(xiàn)在簡(jiǎn)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)條件下，選取一個(gè)節(jié)點(diǎn)電能作為參考點(diǎn)應(yīng)用滯環(huán)空間矢量電流控制法。另外，匹配性設(shè)置分布電源之間的阻抗值、滯環(huán)寬度等具體措施，可以更好地優(yōu)化多級(jí)有源濾波系統(tǒng)的分布式電源諧波治理功能，達(dá)到有效控制目的。。