三相APF-STATCOM諧波不平衡負載無功電流復合控制策略

ABSTRACT: Based on compound power quality concept, this paper proposed a compound harmonic, negative and reactive current compensation strategy for harmonic current, load imbalance and low power factor issues in smart distributed grid. Key factors are presented in detail. Corresponding three phase four line APF-STATCOM simulation and experimental tests and field operation results verify the compound control and compensation concept.
KEY WORDS: Smart distributed grid；active power filter(APF); static synchronous compensator (STATCOM)；harmonic；unbalanced load；reactive；compound control
摘要:基于電能質(zhì)量復合控制思想，針對智能配電網(wǎng)中諧波電流、負載不平衡、功率因數(shù)較低問題，給出一種諧波、負序及無功電流復合補償策略，并給出關鍵參數(shù)設計方法。相關APF-STATCOM仿真、實驗驗證及產(chǎn)品現(xiàn)場運行實測結(jié)果驗證了復合控制思想及補償策略正確性及可行性。

關鍵詞:智能配電網(wǎng)；有源電力濾波器；靜止同步補償器；不平衡負載

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用越來越廣泛，如照明、辦公、空調(diào)、電梯等相關供電系統(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，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、電表計量不準，甚至保護誤動作等現(xiàn)象時有發(fā)生。傳統(tǒng)無源濾波及投切電容器補償盡管能夠解決上述問題，且成本較低，但無法實時連續(xù)調(diào)節(jié)，存在過補償、無功倒送甚至誘發(fā)配電網(wǎng)諧振可能性[1-3]。---三相APF-STATCOM諧波不平衡負載無功電流復合控制策略

為保障智能配電網(wǎng)終端用戶高品質(zhì)定制電力供應，隨著瞬時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償裝置，其主電路拓撲結(jié)構(gòu)及設計、諧波電流檢測、補償方法、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)應用的持續(xù)熱點話題[2-6]。
由于如今智能配電網(wǎng)中電能質(zhì)量問題已經(jīng)不再是一個單一的問題，而是一個非常復雜的系統(tǒng)問題。如圖1所示，某公用設施配電系統(tǒng)中同時存在諧波電流、負載不平衡及功率因數(shù)較低等問題。電能質(zhì)量復合控制技術(shù)逐漸被學術(shù)界及工業(yè)界提上研究日程[7-8]。

圖1 實際配電網(wǎng)電能質(zhì)量問題
Fig. 1 Power quality issue in a real distributed grid

本文研究了智能配電網(wǎng)環(huán)境下，同時面對時變諧波電流、不平衡負載及無功問題，給出一種諧波、負序和無功電流復合補償策略，及其關鍵參數(shù)設計方法。相關仿真、實驗驗證及產(chǎn)品現(xiàn)場運行實測結(jié)果驗證了該控制策略的正確性及可行性。

APF-STATCOM電路結(jié)構(gòu)及工作機理

圖2 并聯(lián)APF-STATCOM框圖
Fig. 2 An APF-STATCOM diagram

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撲，其中前三橋臂實現(xiàn)諧波及無功補償，第四橋臂獨立用于控制中線電流。這是由于三相四線制系統(tǒng)中，當負載不平衡時，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 APF-STATCOM產(chǎn)生一個與負載電流 iL,abc中諧波、基波負序和零序分量之和相反的補償電流iC,abc，使得電源電流iS,abc僅提供負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)制是實現(xiàn)高性能APF-STATCOM的關鍵。鎖相環(huán)、直流電壓控制等與三相三線制系統(tǒng)相同，在此不作詳細介紹。---三相APF-STATCOM諧波不平衡負載無功電流復合控制策略
關鍵問題分析
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，此時中線電流采樣值iN，與中線零序電流分量補償指令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信號。---三相APF-STATCOM諧波不平衡負載無功電流復合控制策略
同時有，

(2)
(3)
(4)

式中，僅含正序分量及負序分量，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
Fig. 3 The schematic diagram of the harmonics detecting method based on d-q rotating coordination transformation

傳統(tǒng)基于p-q瞬時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，實際場合并不適用[9]。實際場合多采用加入鎖相環(huán)PLL電路的ip-iq瞬時無功功率理論檢測方法，具體如圖3所示，相關變換為

(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償功率損耗部分。若為提高功率因數(shù)，可以同時補償無功電流，此時基波負序無功電流指令值設定為0。后用負載電流減去基波電流正序分量，即可得到補償負載電流中諧波分量和因負載不平衡導致的電流負序分量、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，實現(xiàn)APF-STATCOM功能。
3. 電流PR諧振控制器設計

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計及噪聲控制問題[9]。

通過旋轉(zhuǎn)坐標變換可以將正弦信號變?yōu)橹绷餍盘?，從而在新的坐標系下采?font face="Times New Roman">PI控制器。但在APF-STATCOM控制領域，在多個頻率下進行坐標變換，計算復雜，不利于實際應用。近年來，針對正弦信號的提出的PR控制器，在可以避免旋轉(zhuǎn)坐標變換，計算量大大降低的同時，獲得與同步坐標系下的PI控制器相同控制效果：能無穩(wěn)態(tài)誤差地跟蹤特定頻率的正弦信號，更重要的是可以對指定頻率的諧波進行有選擇地補償。

(7)
(8)

式中為諧振頻率。

由式(7)可知，對直流系統(tǒng)而言，由于積分環(huán)節(jié)的存在，0 Hz處的增益極高，從而系統(tǒng)可以實現(xiàn)無靜差調(diào)節(jié)；對于交流系統(tǒng)，50Hz及其倍數(shù)次諧波，式(7)增益有限，式(8)由于諧振環(huán)節(jié)的引入，在相應頻段有較高的增益。若跟蹤的目標為基波rad/s；若需補償較高幅值的5次諧波，則有rad/s。通常補償諧波次數(shù)至20或50次，尤其是幅值較高的奇次諧波。因此有，

(9)

圖4所示為基波及三、五、七次諧波補償用PR諧振控制器波特圖，可以看出在相應頻段電流控制器增益較高，有助于減小跟蹤誤差。

圖4 ?PR諧振控制器波特圖
Fig. 4 PR controller bode plots

仿真及實驗驗證
為驗證所提出的諧波、負序及無功電流復合補償策略，本文在Matlab Simulink環(huán)境下建立仿真平臺。相關參數(shù)設置如下：輸入三相四線制電壓380V/50Hz，三相二極管整流器非線性負載直流側(cè)濾波電感1mH，電阻3.2Ω，三相二極管整流器交流電抗0.4mH，APF-STATCOM并網(wǎng)電抗0.4mH，直流側(cè)支撐電容4000μF，交流側(cè)不平衡RL負載星型聯(lián)接，電感值均為8mH，電阻值分別為5Ω，50Ω，500Ω，開關頻率10kHz。

圖5所示以A相為例，表明補償后APF-STATCOM注入電流很好地抵消了負載電流的諧波電流，使得電網(wǎng)電流正弦化較好，實現(xiàn)了APF諧波補償功能；同時電網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，功率因數(shù)接近于1，實現(xiàn)了STATCOM無功補償功能。圖6給出三相補償結(jié)果，對稱三相電流波形驗證其具有較好抑制不平衡負載能力。

圖5 A相補償后電壓電流波形(從上到下依次是電網(wǎng)電壓/V、電網(wǎng)電流/A、補償電流/A、負載電流/A，時間軸t/s)
Fig. 5 Phase A wave forms after compensation

圖6 補償后電網(wǎng)三相電壓電流波形(從上到下依次是三相電網(wǎng)電壓/V、三相電網(wǎng)電流/A，時間軸t/s)
Fig. 6 Three phase wave forms after compensation
圖7進一步給出直流側(cè)母線電壓波形，可以看出APF-STATCOM在完成諧波補償后，母線電壓略有波動，但穩(wěn)定在750V設定值附近。

圖7 直流側(cè)母線電壓/V(時間軸t/s）
Fig. 7 Dc link bus voltage

圖8及圖9進一步給出工業(yè)樣機內(nèi)部測試結(jié)果，受實驗條件限制，此時負載僅為整流性非線性負載，故負載電流及補償電流與仿真有所區(qū)別，其主要體現(xiàn)了APF補償功能。圖10給出產(chǎn)品在現(xiàn)場投運結(jié)果，與圖1相比，中性線電流由37A減小至5A，三相電流THD不超過3.4%，且對稱性較好，充分驗證了APF-STATCOM復合補償功能

。圖8 A相及B相補償后網(wǎng)側(cè)電流及負載電流(從上到下依次是A相電壓、B相電流、A相負載電流、B相負載電流)
Fig. 9 Phase A &B grid & load current after compensation

圖9 A相補償后網(wǎng)側(cè)電流、發(fā)出反向諧波電流及負載電流
Fig. 9 Phase A grid, inverse harmonic current & load current after compensation

圖10 實際現(xiàn)場APF-STATCOM補償后結(jié)果
Fig. 10 APF-STATCOM Compensation effects in practice

結(jié)論語
基于電能質(zhì)量復合控制思想，針對智能配電網(wǎng)中諧波電流、負載不平衡、功率因數(shù)較低問題，提出一種諧波、負序及無功電流復合補償策略。
仿真、工程樣機試驗及現(xiàn)場運行結(jié)果驗證了基于該策略所實現(xiàn)的APF-STATCOM復合補償功能。
文章來源：《電氣應用》2014年第6期
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