低壓配電網中有源電力濾波器的仿真研究

袁昕天　陸永耕　王照萌　劉夢花

摘 要：簡要介紹了有源電力濾波器的補償原理，以及應用在低壓配電網中的補償電流檢測算法，根據某配電臺區存在的三相不平衡和電壓跌落等問題，提出了不同的補償方案，搭建了仿真模型。通過現場實際采集的反饋數據，驗證了所建仿真模型和選取補償方案的合理性。

關鍵詞：電力濾波器；補償原理；仿真模型；工業領域

中圖分類號：TM761 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.08.129

隨著電力系統規模的不斷擴大和相關單位對配變電的三相不平衡治理的重視程度長期欠缺，導致配變電的三相不平衡現象越來越嚴重。對電能質量的調整治理措施主要從管理上減少不平衡度和技術方法兩個方面著手。

從技術方法角度出發，針對低壓三相不平衡的情況，目前，主要采用人工調整換相、三相不平衡補償器和三相不平衡自動換向器等技術進行治理。有源電力濾波器（APF）就是三相不平衡補償器的一種，由于我國低壓配電網中絕大多數采用的是三相四線制的供電方式，所以，本文采用了電容中點型三相四線制式柱上并聯有源電力濾波（SAPF）作為主要的研究對象。

1 SAPF的補償原理

在工業領域中，多采用并聯型APF的方案投入運行，SAPF的基本工作原理如圖1所示。

圖中es代表了電網的三相交流相電壓，is，iL和ic分別代表了電網側流出的電流，負載側流入的電流和SAPF輸出的補償電流。有源電力濾波裝置主要由諧波和無功電流檢測電路和補償電流發生電路（由電流跟蹤控制環節、功率開關驅動電路、主電路三個部分組成）兩大部分構成，主電路采用由IGBT構成的電壓型逆變器。檢測出來的無功和諧波補償電流的指令信號通過補償電流發生電路產生要輸出的補償電流，輸出電流與負載電流中要補償的無功和諧波等電流分量抵消，以此來獲得電網的目標電流。以抑制負載的諧波電流為例，有源電力濾波器首先檢測出負載電流的諧波分量ih，將其反極性后作為補償電流發生電路的指令電流信號i*C， 控制有源電力濾波器輸出與ih大小相等，方向相反的補償電流，用以抵消電網電流is中的諧波分量，使得電網電流is中只含負載電流的基波分量if，從而達到了抑制電網電流中諧波的目的，用公式描述如下：

同理，如果有源電力濾波器還需要補償負載的無功功率或治理三相不平衡，只需要在檢測出的電流中加入負載的基波無功分量或不對稱電路的負序電流分量，使發出的補償電流與負載電流中對應的分量相互抵消，從而有效補償無功功率，抑制諧波，改善系統中的功率因數和電流波形。

2 剔除零序分量的諧波檢測算法

由于傳統的APF的諧波檢測算法只適用于三相三線制，所以，在低壓配電網中可以采用剔除零序電流的方法。本文采用基于對稱分量法的負荷補償方法對配電網三相不對稱的負載進行補償，根據對稱分量法，以基波A相電流為例，負載產生的電流可以分解為各次電流的正、負序和零序對稱分量，即ia+，ia-和ia0，表達式如下：

因此得到ip-iq電流檢測法的原理圖，如圖2所示。由于中線電流的存在所以采用了去除中線電流的方法，首先計算出三相不平衡負載中的零序電流，然后分別用A，B，C三相電流減去零序電流，可以得到除去零序電流后的電流ia，ib，ic，接著通過克拉克（Clark）變換和運算矩陣C得到瞬時有功電流ip和瞬時無功電流iq，由于系統中還存在著末端電壓過低的情況，所以，為了兼顧無功補償，改善功率因數的作用，令其無功電流分量iq為0，然后將處理后的ip和iq再進行克拉克反變換，這樣就得到了只含基波有功分量的電流；最后將負載三相電流與有功基波電流相減就得到了由零序電流、負序電流和無功基波電流組成的指令電流ica、icb和icc，從而達到了補償三相不平衡和無功功率的作用。

3 SAPF仿真治理結果

采集當地某配變臺區線路末端電壓數據記錄在表1中。從表1中的現場數據不難看出，該配電臺區同時存在著供電末端用戶電壓偏低、配電變壓器三相不平衡等問題。

由此提出了3種治理方案：①線路進線安裝1臺三相不平衡治理設備；②變壓器出口側安裝三相不平衡治理設備，同時進行全線路改造；③線路進線安裝1臺三相不平衡治理設備，線路末端安裝有功換流設備。

分別對上述3種方案進行仿真，線路末端的電壓仿真波形圖如圖3所示。

由圖3可以看出，方案一中三相不平衡得到了解決，但是末端電壓依然比較低；方案二雖然末端的電壓得到了提升，但是由于APF的容量有限對三相平衡度的改善不是很明顯；方案三很好地解決了三相不平衡的問題，且末端電壓也得到了提升。

選用第三種補償方案，并在線路末端測試點位置使用日志3198進行測量并記錄相關參數，數據每3 s記錄一次，得到了表2中數據。

從以上結果可以看出，如果不采取諧波治理措施，在用電高峰時段三相不平衡嚴重，線路末端跌落明顯。經過治理后，系統電能質量達到合格標準，補償效果明顯，驗證了所建模型的仿真結果具有一定的指導意義。

4 結論

本文首先就配電網中存在的電能質量下降的現象提出了使用APF治理的方法，介紹了其補償原理和電流檢測算法。就某配變臺區的測量數據，反映了三相不平衡和末端電壓跌落等現象，提出了不同的綜合治理方案，并通過仿真確立了最優補償方案。仿真結果和實際現場測試數據表明，該綜合補償方案對系統電壓支撐和三相不平衡補償治理效果明顯。

參考文獻

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〔編輯：張思楠〕