三相無功補償及諧波治理的仿真研究

吳林峰　趙國良

摘 要：為了電網的安全性、穩定性和經濟性，需要對電網中的無功功率和諧波分量分別進行補償和治理。根據瞬時功率理論，運用理論中ip-iq無功電流檢測算法，從相電流中分離出無功電流分量和諧波電流分量；再采用電流反饋和電壓反饋的雙閉環控制，來穩定和精確需要輸出的補償電流。以此來充分補償相電流中的無功分量和諧波分量，從而增強電網的安全性、穩定性和經濟性。

關鍵字：無功補償；諧波治理；仿真；三相系統

1 前言

城市的發展帶動了農村基礎設施建設和勞動人民的富裕，人們生活水平的提升，有一大部分體現在了家用電器方面，智能電子學科豐富了電器的種類，給了人們全新的生活質量體驗；但是各種電器功能的應用和電器數量的增加，對電網的壓力也增加了。使電網中無功功率的含量升高，諧波對電網的影響也越來越大。

通過建立一個無功電流發生器，來補償電網中的無功電流，在檢測和補償無功電流的同時，我們需要對相電流中的諧波分量適當的濾除，諧波的主要治理工作在分解得到有功和無功電流之后，則將有功電流進行分離，得到有功直流分量。與相電流相減，則可以得到需要補償的無功電流分量與諧波電流分量之和。將其作為補償電流，則補償后的結果是，電網中只剩下相電流的有功直流分量。即可實現電網無功功率補償和諧波治理。

2 ip-iq檢測算法

最初是由赤木泰文提出的三相電路瞬時無功功率理論，也被稱為p-q理論，此理論是以瞬時實功率p和瞬時虛功率q的定義為基礎的；而ip-iq理論是由p-q理論分析進化得來的，ip-iq理論則是以瞬時有功電流ip和瞬時無功電流iq為基礎的理論。

如圖1所示，ip-iq的理論算法只需要三相電流ia、ib、ic和a相電壓ua。由ua經鎖相環PLL，鎖存ua的頻率、相位，再通過正余弦信號發生器電路生成正弦sin和余弦cos信號。對三相電流ia、ib、ic進行Clark變換，得到實電流ialfa、虛電流ibeta，則根據定義，經過C矩陣變換就可得到有功電流ip和無功電流iq。經LPF濾波器濾波后得到有功電流直流分量ip*和無功電流直流分量iq*，則將有功電流直流分量ip*和無功電流直流分量iq*進行C矩陣變換，得出直流分量實電流ialfaf和直流分量虛電流ibetaf，再由Clark反變換，形成相電流（濾除諧波）ia*、ib*、ic*。最后得到諧波電流iax=ia-ia*，ibx=ib-ib*，icx=ic-ic*。

若要得到諧波電流和無功電流，則在上述原理圖中將無功電流iq計算過程斷開即可；若只要得到無功電流，則直接將無功電流iq輸入C矩陣計算，無需進過LPF濾波，斷開有功電流ip的計算。

3 仿真結果分析

當t=0s時，電阻和感抗負載在運行；當t=0.02s時，整流電路負載接入電網開始運行；當t=0.04s時，三相無功補償裝置開始作用，補償了無功電流和諧波電流；當t=0.08s時，整流電路負載斷開，諧波電流消失；當t=0.12s時電阻和感抗負載斷開。

通過對圖2、圖3的比較分析，可以看出：t=0.04s時，無功功率補償裝置開始補償無功電流和諧波電流，且補償效果很好，補償后的相電流為標準正余弦波形，頻率50Hz，相電流與相電壓之間的相位差很小，近似為零。在t=0.12s時，其兩個負載均斷開系統，然而由于這個無功補償系統在檢測環節運用了低通濾波器，導致了補償電流的滯后；在圖2、圖3中t>0.12s時，仍有相電流。

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作者簡介

吳林峰，安徽理工大學電氣與信息工程學院，研究方向：無功補償。