針對諧波抑制和無功補償的APF－SVG一體機系統的設計研究

喬 亮，張立穎

（1.中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015；2.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006）

開發與應用

針對諧波抑制和無功補償的APF－SVG一體機系統的設計研究

喬 亮1，張立穎2

（1.中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015；2.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006）

電網諧波和無功功率損耗是影響電力系統電能質量的兩大關鍵因素，因此諧波抑制技術和無功功率補償技術對提高電網電能質量起到極其重要的作用。目前針對諧波治理主要應用的技術手段是采用并聯型有源電力濾波器（APF），針對無功功率損耗主要應用的技術手段是采用靜止無功發生器（SVG），文中研究并設計兼有諧波抑制功能和無功補償功能的APF－SVG一體機系統，最后通過MATLAB Simulink仿真軟件驗證其可行性及有效性。

電力系統；諧波抑制；APF；無功補償；SVG

隨著電力系統中諧波污染日益嚴重，電網電能質量受到的影響越來越大，電網諧波可造成電網發生諧振、對通信系統產生電磁干擾、增加系統損耗等一系列危害，因此如何有效治理諧波意義重大［1－2］。傳統的無源濾波器雖然結構簡單價格低廉，但其只能補償固定次數的諧波，不能隨負荷的改變而有效調節補償量，且容易和電網中的電感電容等裝置發生諧振，而APF由于其能夠動態的對任意次數諧波組合進行精確補償，現已成為諧波治理的主要手段［3］。無功補償對維持電網電壓，降低電力系統損耗，提高電力系統穩定性和電能質量有重要意義［4］。SVG由于其能夠實現快速動態調節，迅速而準確地吸收或者發出所需的無功功率，現已成為最有效的無功補償技術。

針對電力系統中的諧波和無功補償問題，研究并設計了一種APF－SVG一體化設備。首先介紹設備系統的拓撲結構和實現諧波抑制及無功補償的大體設想，進而對系統的工作原理及算法進行分析研究，最后通過仿真驗證了系統的有效性。

1 系統結構及工作原理

1.1 系統拓撲結構

目前，有源濾波和無功補償裝置主要采用電壓型并聯方式，該系統以電容作為儲能裝置并接于電網上來實現綜合治理。APF－SVG系統的拓撲結構如圖1所示。

圖1 APF－SVG系統的拓撲結構圖

圖1中ea，eb，ec為電網電壓，LL，CL，RL通過三相全橋組成非線性負載，ila，ilb，ilc為負載電流，APF－SVG系統以電容C作為儲能元件并通過IGBT組成系統主電路，通過電感L并聯到電網端，ica，icb，icc為補償電流，isa，isb，isc為補償后的電網端電流。信號檢測電路、數據處理及控制電路、功率開關驅動電路為弱電部分，經數據分析后控制IGBT開斷使APF－SVG系統主電路對電網發出補償電流。

1.2 系統工作原理及各模塊功能

對負載電流il分解可得基波有功分量ilf和諧波及基波無功分量總和ilk，當APF－SVG系統補償的電流ic＝ilk時，通過基爾霍夫電流定律可得電網端電流is滿足以下關系

即電網端電流可恢復為基波電流的有功分量。

由于控制模塊為數字系統，為使系統能夠在高頻采樣下進行數據分析，控制模塊使用高速數字信號處理器DSP作為核心處理器。系統首先通過信號檢測電路對負載電流進行高頻采樣，進而通過控制模塊對采樣信號進行數據分析，使用諧波及無功電流檢測算法得出電流補償量，并通過電流控制法將補償電流轉換為對應的開關信號，最后通過IG?BT驅動電路對開關信號進行處理來控制系統主電路的功率開關器件動作，使APF－SVG系統補償諧波及基波無功電流。系統同時對補償電流進行檢測，以實現補償電流的閉環控制，提高系統的穩定性和準確性。

2 電流檢測及控制方法

數據處理及控制模塊是系統實現諧波及無功補償的核心環節，主要通過對采樣到的負載電流信號進行分析得到補償量，并發出IGBT的控制信號來控制主電路發出補償電流。分別對系統的電流檢測算法、補償電流控制方法和直流側母線電壓控制方法展開分析。

2.1 電流檢測算法

由于三相三線電網中ea＋eb＋ec＝0，并且ia＋ib＋ic＝0，所以三相參數完全可用兩相坐標系下的對應坐標表示。通過CLARKE變換將電網基波電流與電壓所對應的三相瞬時值轉換為兩相坐標α－β下的參數，轉化過程如下

式中：I、E分別為電流、電壓的模；φ為負載端電流基波分量對電壓的滯后；ω為電網工頻對應的角頻率。電網負載端電流i可以看成是基波電流和高次諧波電流的總和，則其與電網電壓e在兩相坐標系下的矢量關系可表示為圖2所示。

圖2 兩相坐標系下的矢量關系圖

對于基波電流分量，由式（2）、（3）可看出其與電壓的旋轉矢量相對夾角不變，且基波電流有功分量為常值，對于高次諧波電流，其角頻率是電壓頻率的n倍，所以其與電壓的旋轉矢量相對轉動，因此其在電壓e上的有功分量為交流量［5］。圖中負載端電流i的有功分量可由下式求得

ip可看成是基波電流有功分量與高次諧波電流有功分量的總和，由于高次諧波電流有功分量為交流量，因此對ip進行濾波即可得到基波電流有功分量ipf，其在α、β軸上的分量為：iαf＝eαipf／e，iβf＝eβipf／e，最后將iαf、iβf通過CLARKE反變換轉換為三相坐標系下的負載電流基波有功分量，并與負載電流相減得到電流的補償量。

2.2 電流控制方法

該系統采用滯環比較控制法對電流補償量進行調節，其原理及輸出特性如圖3所示。

將經過電流檢測算法得到的補償電流作為指令電流，對實際輸出的補償電流ic進行采樣并與指令電流進行比較，若差值小于設置的滯環寬度h，IGBT不動作，當差值大于環寬h時，調節IGBT開斷使補償電流在指令電流附近環寬h處波動，以實現跟蹤控制。

圖3 滯環比較控制法原理圖

2.3 直流母線電壓控制方法

APF－SVG系統的主電路以電容器作為電源，因此需使其維持在一個穩定的電壓上才能實現電流的準確補償。本系統采用PI控制法對母線電壓進行閉環控制，PI控制器系統框圖如圖4所示。

圖4 PI控制器系統框圖

對母線電壓與給定值進行比較，將差值信號經過比例積分環節后轉換得到電流的差值信號，再將其引入電流補償信號中，通過IGBT的開斷實現補償電流與母線電壓的綜合閉環控制。通過實驗看出當電壓維持在850 V左右時，該系統可有效補償諧波及無功電流，因此將給定值U設置為850 V。

3 仿真驗證

通過仿真軟件對APF－SVG一體機系統的可行性及有效性進行仿真驗證，在MATLAB Simulink平臺上搭建系統仿真模型。模型參數設置如下：三相電源為220 V／50 Hz正弦電壓，負載端參數為1 000 μF、10 Ω和3 mH，APF－SVG系統主電路電容為6 000 μF，通過3 mH電感并接于電網上，電流滯環比較控制法中環寬設置為1，PI控制器中比例系數Kp＝1。對系統進行仿真，得到補償后的電網端電流、負載電流及補償電流如圖5所示。

圖5 A相電網電壓、補償后的電網端電流、負載電流及補償電流圖

由圖5可知，負載電流為典型的雙頭波，電流畸變率較高，且其基波滯后于電網電壓一定的相位，功率因數較低。APF－SVG仿真模型經過2個周期調節后即可使電網端電流實現精確補償，極大程度濾除了諧波分量，電流畸變率較低，且與電網電壓基本同相位，功率因數接近于1。通過仿真實驗證明，APF－SVG系統能夠有效濾除諧波，并實現無功補償，速度快、精度高，驗證了該系統的可行性及有效性。

4 結束語

電網諧波和無功功率是影響電網電能質量的重要因素，如何實現綜合治理已成為研究熱點。本文所提出的APF－SVG一體機經仿真驗證能夠很好地實現諧波抑制和無功補償，實驗樣機中的信號處理及控制信號發生環節由于在數字系統中完成，會產生信號延時，這是提高系統補償精度應重視的問題，也是今后的研究方向。

［1］ 蔡志遠，戈陽陽，馬少華.大規模風電接入電網諧波影響研究［J］.東北電力技術，2014，35（4）：31－34.

［2］ 王偉炳，王宏華.諧波抑制和無功補償技術［J］.機械制造與自動化，2006，35（2）：92－94.

［3］ 王寶良，解 大，李維成.并行結構的電力有源濾波器設計［J］.東北電力技術，2006，27（1）：4－8.

［4］ 吳遠志，夏德明，岳 涵.蒙東地區風電場無功補償設備調查分析［J］.東北電力技術，2012，33（2）：43－45.

［5］ 葉明佳.基于瞬時無功功率理論的諧波和無功電流檢測方法研究［D］.重慶：重慶大學，2012.

Study on APF?SVG System Design for Harmonic Suppression and Reactive Power Compensation

QIAO Liang1，ZHANG Li?ying2
（1.Coal Design and Research Institute of Shenyang Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110015，China；2.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power，Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

Power grid harmonic and reactive power loss are two key factors affecting the power system power quality，so the harmonic suppression and reactive power compensation technology play an important role on improving the power grid power quality.At present for the harmonic suppression，the main application is to use the shunt Active Power Filter（APF），and for reactive power loss，the main application is to use the Static Var Generator（SVG）.APF?SVG system is analyzed and designed，which has both functions of the harmonic suppression and reactive power compensation.The feasibility and effectiveness of this system is verified through the simu?lation software MATLAB Simulink.

Power system；Harmonic suppression；APF；Reactive power compensation；SVG

TM761＋.12；TM76

A

1004－7913（2015）04－0042－04

喬 亮（1988—），男，碩士，工程師，主要從事工業企業及民用供配電技術研究。

2014－12－20）