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。

    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)洌�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iL,abc中諧波、基波負(fù)序和零序分量之和相反的補(bǔ)償電流iC,abc，使得電源電流iS,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iL,abc所包含的零序分量iN相等，均為

(1)

    如圖2所示，此時(shí)中線電流采樣值iN，與中線零序電流分量補(bǔ)償指令iNref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)制信號獲得第四橋臂開關(guān)信號。

    同時(shí)有，

(2)

(3)

(4)

    式中，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ip-iq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ip-iq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

(5)

(6)

    提取不含零序分量的電流，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，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]。