應(yīng)用多級有源濾波系統(tǒng)的分布式電源諧波治理

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司金華供電公司，浙江 金華 321000）

0 引言

隨著分布式電源的廣泛應(yīng)用，特別是新能源大量接入配電網(wǎng)，減少了對傳統(tǒng)能源的依賴，但同時(shí)分布式電源及電力電子裝置的使用會(huì)帶來系統(tǒng)的諧波污染。有源濾波器是電網(wǎng)中有效治理諧波的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置，而分布式電源包含變流器等電力電子設(shè)備，因此，加入有源濾波并通過一定的控制方法實(shí)現(xiàn)諧波抑制具有十分重要的意義[1-2]。

文獻(xiàn)[3]介紹了分布式電源接入配電網(wǎng)的特點(diǎn)，從電網(wǎng)運(yùn)行和電能質(zhì)量方面，闡述了分布式電源的相應(yīng)原則和要求，為配電網(wǎng)管理提供了標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)[4]研究了三相四相制電路中，分布式電源接入配電網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型，引入粒子群算法對分布式電源的安裝位置和使用容量進(jìn)行分析，得到能提升低壓配電網(wǎng)的運(yùn)行方式，但未考慮諧波帶來的影響。文獻(xiàn)[5]在并網(wǎng)結(jié)構(gòu)中加入了有源濾波器，利用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系實(shí)現(xiàn)對電壓電流的控制，在一定程度上改善了主線路上的諧波狀況，但未討論在其他線路的治理效果。文獻(xiàn)[6]運(yùn)用了多組有源濾波器，但在控制方法上難以達(dá)到預(yù)期的效果。

在配電網(wǎng)中接入分布式電源是以負(fù)載側(cè)功率為基準(zhǔn)，輸出有功和無功功率來彌補(bǔ)主網(wǎng)的不足。現(xiàn)階段的文獻(xiàn)主要從分布式電源的接入位置、逆變型電源控制策略優(yōu)化入手，難以實(shí)現(xiàn)諧波治理的靈活性。部分文獻(xiàn)加入了有源濾波器，但在控制方法上缺乏改進(jìn)，且只對單一電源電路進(jìn)行分析，無法實(shí)現(xiàn)對電能質(zhì)量的統(tǒng)籌優(yōu)化[7]。

本文采用多組有源濾波器并聯(lián)在各分布式電源，同時(shí)對配電網(wǎng)中的諧波進(jìn)行治理，研究了多級有源濾波器共同作用下的控制方法。以2 個(gè)有源濾波器為控制目標(biāo)，通過分析配電網(wǎng)的模型對其進(jìn)行簡化分析，以電網(wǎng)中一個(gè)節(jié)點(diǎn)為電能參考節(jié)點(diǎn)，通過滯環(huán)空間矢量電流控制法，根據(jù)分布式電源之間的阻抗值，分別設(shè)定合適的滯環(huán)寬度，最終達(dá)到多級有源濾波的效果。

1 多級有源濾波系統(tǒng)

在分布式配電網(wǎng)中，存在多個(gè)諧波源，此時(shí)單個(gè)有源濾波器對同時(shí)處理多個(gè)非線性負(fù)載的效果較差[8]。圖1 所示為一個(gè)多諧波源網(wǎng)絡(luò)，若只在a 點(diǎn)安裝有源濾波器，可以實(shí)現(xiàn)治理效果，但其他點(diǎn)處依然存在諧波問題，無法使整條線路上的諧波得以控制。基于此本文提出一種分布式多級有源濾波系統(tǒng)，將多個(gè)有源濾波器安裝在各母線側(cè)，協(xié)調(diào)控制治理諧波污染。

圖1 多諧波源網(wǎng)絡(luò)

為了實(shí)現(xiàn)更好的諧波抑制效果，將各有源濾波單元單獨(dú)進(jìn)行控制，采用改進(jìn)后的滯環(huán)空間矢量法作為控制方法，分布式多級有源濾波系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 多級有源濾波系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)

圖中以含諧波的電流源iL1，iL2，iL3，iL4作 為非線性負(fù)載，iAPF1和iAPF2是濾波器補(bǔ)償電流，由基爾霍夫定律可知，此時(shí)的電流i1，i2，i3，i4是由基波分量和諧波分量共同作用的結(jié)果。

有源濾波器是以諧波電流為基準(zhǔn)，補(bǔ)償一個(gè)與之大小相等的電流[9]。設(shè)4 個(gè)電流所在線路對應(yīng)線路1，2，3，4，若只在線路2 安裝有源濾波器，線路2 達(dá)到治理效果，但對于其他線路沒有起到作用；當(dāng)在線路2 和線路4 安裝時(shí)，可以提高對多條線路的諧波治理效果。

2 有源濾波器諧波檢測

有源濾波器需要進(jìn)行諧波檢測和電流控制[10]。本文的諧波電流檢測法為單位功率因數(shù)法，諧波源以非線性負(fù)載為模型，當(dāng)假設(shè)線路中不含有諧波時(shí)，單位功率因數(shù)為1，此時(shí)負(fù)載只具有電阻性，與實(shí)際情況做計(jì)算所得即為諧波電流。通過有源濾波器補(bǔ)償后，能使電網(wǎng)側(cè)的電壓和電流保持同相位。單位功率因數(shù)法具有運(yùn)算簡單、適應(yīng)性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。

當(dāng)三相負(fù)載未發(fā)生畸變時(shí)，則電壓在理想情況下的關(guān)系式為：

同樣可得三相電流為：

式中：k 為等效電導(dǎo)。

對負(fù)載電流進(jìn)行傅里葉變換，得：

式中：iL為負(fù)載電流。

負(fù)載電流是由基波電流is和廣義無功電流iq構(gòu)成，其關(guān)系式為：

設(shè)功率因數(shù)為1，則在一個(gè)周期內(nèi)：

將其帶入式（4），得：

對于三相線路，得：

三式相加，得：

當(dāng)對時(shí)間變量求解積分時(shí)，其數(shù)值相當(dāng)于積分周期內(nèi)時(shí)間與直流變量之積，即：

式中：P 為有功功率。

由式（4）可得補(bǔ)償電流為：

圖3 所示為單位功率因數(shù)框圖。通過設(shè)定低通濾波器得到所對應(yīng)的直流分量。合理選取PI 控制器參數(shù)，使得直流側(cè)電容電壓達(dá)到穩(wěn)定。

圖3 單位功率因數(shù)框圖

3 有源濾波器控制方法

滯環(huán)空間矢量的設(shè)計(jì)思路是在三相逆變電路中，通過滯環(huán)寬度的調(diào)節(jié)達(dá)到控制開關(guān)頻率的目的，再將滯環(huán)后所得的誤差電流與參考電壓進(jìn)行矢量選擇得到開關(guān)狀態(tài)，最后以8 種開關(guān)狀態(tài)為基準(zhǔn)產(chǎn)生實(shí)際磁鏈，在開關(guān)頻率的調(diào)節(jié)頻次下使其逼近理想磁鏈圓，達(dá)到諧波抑制的目的[11]。

3.1 滯環(huán)寬度調(diào)節(jié)

對于三相電路而言，每一相滯環(huán)寬度均與各相參考電壓和輸入電流相關(guān)[12]，各部分互不影響，以單相逆變電路結(jié)構(gòu)為模型，從圖4（a）中可以看出，輸出電流ic受線路非線性負(fù)載和電源的影響，R 和L 分別為單相線路中的電阻和電感。

即可得到瞬時(shí)電路的關(guān)系式：

式中：uc為輸出電壓。

將指令電流ic*帶入關(guān)系式，得到：

圖4（b）所示為指令電流與參考電流控制下，滯環(huán)寬度變化的系統(tǒng)框圖。

忽略圖4（a）中電阻的影響，由式（11）和式（12）可得指令電壓uc*和輸出電壓uc的關(guān)系式：

對于單相逆變電路，其輸出電壓有：

圖4（c）所示為設(shè)定環(huán)寬值與開關(guān)通斷周期的關(guān)系，圖4 中Tu為環(huán)寬內(nèi)電流增速時(shí)間，Td為環(huán)寬內(nèi)電流降速時(shí)間[13]，則有以下關(guān)系式：

式中：h 為環(huán)寬設(shè)定值。

圖4 電壓源滯環(huán)電流控制

對于整個(gè)開關(guān)周期內(nèi)則有關(guān)系式：

設(shè)f 為開關(guān)頻率，得出環(huán)寬的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

這樣可在設(shè)定開關(guān)頻率一定的條件下，滯環(huán)寬度隨參考電壓的變化而變化。

3.2 空間矢量控制

圖5 所示為滯環(huán)空間矢量控制框圖，左側(cè)為通過環(huán)寬調(diào)節(jié)輸出的誤差電流，通過滯環(huán)部分得到狀態(tài)信息Ba，Bb，Bc；右側(cè)為理想狀態(tài)下的參考電壓，通過檢測當(dāng)前狀態(tài)參考電壓所在矢量區(qū)間得到狀態(tài)信息Xab，Xbc，Xca；最后經(jīng)一定的矢量選取規(guī)則得到一組最佳的開關(guān)函數(shù)Uk[14]。

圖5 空間矢量控制方法

根據(jù)式（11）得到三相電路的表達(dá)式：

對式（19）進(jìn)行拉式變換：

式中：U*為參考電壓。

圖6（a）所示為U*選區(qū)規(guī)則，可以得到，6 個(gè)扇形可以將參考電壓U*分為正負(fù)2 個(gè)部分，從而得出狀態(tài)信息Xab，Xba，Xca表達(dá)式為：

圖6（b）所示為Δi 選取規(guī)則，將所設(shè)定的滯環(huán)寬度與誤差電流比較，可得到電流的狀態(tài)信息Ba，Bb，Bc表達(dá)式：

式中：j=a，b，c。

現(xiàn)假設(shè)電壓和電流狀態(tài)如圖6（c）所示，此時(shí)的參考電壓位于區(qū)間1，誤差電流位于區(qū)間6，從6 個(gè)扇形頂點(diǎn)出發(fā)可與參考電壓連接成6 個(gè)矢量，而在這6 個(gè)矢量中能夠使誤差電流快速趨近于原點(diǎn)的為矢量ΔU1此時(shí)所對應(yīng)的U1即為最優(yōu)電壓矢量[15]。根據(jù)此規(guī)則，可以得出參考電壓和誤差電流在各個(gè)區(qū)間時(shí)的最優(yōu)電壓矢量，如表1所示。

4 仿真研究

圖6 電壓電流區(qū)間選擇

表1 最優(yōu)電壓矢量的區(qū)間選取

基于MATLAB/Simulink 仿真平臺，搭建了含單一濾波器和多級有源濾波系統(tǒng)的分布式電源接入的配電網(wǎng)仿真模型，從3 個(gè)算例展開討論，分別是不含有源濾波器的分布式配電網(wǎng)、安裝一個(gè)濾波器的分布式配電網(wǎng)和安裝2 個(gè)濾波器的分布式配電網(wǎng)的仿真研究。仿真采用圖2 所示的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。三相電網(wǎng)線電壓為380 V，電壓頻率為50 Hz。實(shí)驗(yàn)中用4 個(gè)整流橋代替非線性負(fù)載，其中電感值為8 mH，電阻值為20 Ω。有源濾波器的開關(guān)頻率為10 kHz。

4.1 無有源濾波器仿真算例

對于諧波電路不含有源濾波器仿真結(jié)果，由于諧波源的存在，此時(shí)的每條線路都具有較大的諧波畸變。圖7 所示為線路1 的電流波形，此時(shí)的總諧波畸變率為34.1%。

圖7 線路1 的電流波形

4.2 單個(gè)有源濾波器仿真算例

在線路2 上加入一個(gè)有源濾波器時(shí)，此時(shí)圖8 所示為線路4 的THD（諧波畸變率），表2 所示為每條線路上的總諧波失真，由仿真結(jié)果可以看出該線路諧波得到了治理，但在未安裝濾波器的線路上，仍具有較大畸變，線路3 和4 相比未安裝時(shí)諧波含量變大。

圖8 單個(gè)有源濾波器時(shí)總諧波失真

表2 單個(gè)有源濾波器的THD

4.3 多級有源濾波系統(tǒng)仿真算例

多級有源濾波系統(tǒng)仿真為分別在線路2 和線路4 上安裝有源濾波器，此時(shí)圖9 所示為線路4的THD，表3 所示為該條件下的總諧波失真，根據(jù)仿真結(jié)果可以看出，在線路2 和線路4 這兩段線路的諧波得到了有效治理。

圖9 多級有源濾波器時(shí)總諧波失真

表3 多級有源濾波系統(tǒng)的THD

5 結(jié)語

本文提出了一種多級有源濾波系統(tǒng)，應(yīng)用于治理分布式電源接入的配電網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)了對全線路的諧波治理。通過對含諧波源的配電網(wǎng)電路的運(yùn)行方式進(jìn)行分析，得出多級有源濾波系統(tǒng)比單個(gè)有源濾波器在治理上更有優(yōu)勢，并給出了有源濾波器的諧波檢測和控制方法。最后通過對比仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了所采用的多級有源濾波系統(tǒng)對分布式電源接入配電網(wǎng)諧波污染治理的可行性和有效性。