电源电流正弦化的降低APF容量控制策略

颜文旭，纪志成，谢林柏

（江南大学物联网工程学院，无锡 214122）

电力电子技术大量应用而形成的各种非线性负载对电力系统的影响日趋严重，而新能源发电装置在电力系统的比重也逐步增加［1，2］，使电力系统的电源质量也受到前所未有的影响，电力系统中的无功功率、谐波污染已成为一个非常严重的问题而日益受到重视［3，4］。有源电力滤波器 APF（active power filter）是动态抑制电力系统中的非线性电流及补偿无功电流的有效途径［5～8］，然而由于其单位电流的总造价比较高以及自身的损耗等问题，致使目前为止并没有在我国的电力系统广泛应用。

本文从有源电力滤波器的补偿目的出发，分析基于当前复杂电力系统环境下，讨论在保持与电力系统传统工作方式相容情况下的容量减小控制问题。在全补偿方式下，APF只能对电源电流中存在的谐波及无功电流同时实施补偿［9，10］，这种方式下APF的容量比较大。本文通过对电源电压进行基波正序分解，得到基波有功功率及基波无功功率，并获得了不包含基波正序有功功率及基波正序无功功率的滤波器补偿电流，实现了电源电流正弦化的降低APF容量控制策略。仿真结果表明了该方法能够在复杂电力系统环境下有效地实现谐波补偿，同时其自身容量较小，可以保留配电侧原有的电力电容无功补偿方式，用于对电力系统配电侧的滤波改造。

1 电源畸变条件下的APF功率分析

由于电力系统中由非同步发电机发电的比例正在逐步增大，如新能源发电系统中的光伏并网发电以及其他一些经过电力电子变流装置的发电系统而产生的电力，致使电力系统的电源本身存在一定的畸变。电力系统是以三相对称为基础，在考虑畸变或不对称系统时，可以在对称分量理论的基础上进行分解［11］。三相电源系统由正序分量、负序分量及零序分量合成，即

式中，α是相位移算子，且有

式（1）中，无论电源是否存在畸变或不对称，都可以按此表示。一般地，三相系统中电源电压及电流可以分解为Fourier级数，即

同样可以用对称分量法进行分解。对式（2）和式（3）的对称分量进行αβ0变换，得到

瞬时功率理论中的瞬时实功率p和瞬时虚功率q以及瞬时零序功率p0为

而三相瞬时有功功率p3φ为

将功率p、q、p0分解为各自的平均值p、q、p0和振荡分量，即

对于三相三线系统而言，p0不存在，所以可以得到简化。

在电力系统中接入有源滤波器的目的是为了消除负载功率分量中的振荡部分，或者同时将基波无功功率一同补偿，使电源侧的电流平滑连续线性化或者使电源侧保持与负载侧有功功率相等。

2 基于电源电流正弦化的降低APF容量控制策略

本文仅考虑三相三线电源系统，图1示出了瞬时功率理论下的有源滤波功率流［12］。

图1 并联型有源滤波器的功率流Fig.1 Power flow of shunt active power filter

在恒功率补偿策略时，电源系统仅提供恒定有功功率，而负载中的基波无功功率、振荡无功功率及振荡有功功率均由有源电力滤波器提供。从功率流可知，并联型有源电力滤波器的直流侧电容与交流侧之间仅存在振荡功率的交换，负载侧的无功功率并没有与直流侧电容发生关系，然而由于此无功功率所需的电流必须由变流器开关器件实现交换，这与APF本身的损耗有着密切的关系。设APF变流器的开关损耗为p1，虽然从功率流看来，直流侧电容并没有参与任何无功成份的交换，但是由于它是变流器开关工作的基础，所以p1也与及有关。由于变流器的直流侧电容电压基本保持不变，而APF的容量Sapf实际上与变流器开关上通过的电流直接相关，因而一般地有源电力滤波器是以电流来衡量容量的大小。以上分析可知，有源电力滤波器的容量Sapf与负载振荡有功功率和振荡无功功率有关，在恒功率补偿策略时，它还与负载基波无功功率q有关，即

而其效率ηapf不仅与Sapf有关，还与辅助设备的功耗有关。

因而，在保持对电力系统有效滤波的前提下，为减小有源电力滤波器的容量，应尽可能地减小流经APF的电流。在恒定功率控制策略下，对于电源而言是最优功率状态，但对于滤波器的容量而言却是最大的，因为除负载有功功率由电源提供外，其余的部分需要由APF提供。

如果图2中的q为零，即有源电力滤波器仅提供负载所需的振荡有功功率和振荡无功功率，很明显流经变流器只有振荡视在功率对应的电流，因而可以减小有源滤波器的容量，如图3所示。而对于传统配电侧的无功功率补偿方式而言，电力负载的总无功功率一般是由配电侧电力电容器集中补偿，因而有源电力滤波器本身可以不必补偿基波无功功率。

图2 并联型有源滤波器容量与负载功率的关系Fig.2 Relationship of shunt active power filter capacity and load power

图3 降低APF容量时的功率流Fig.3 Power flow of shunt active power filter with capacitance reducing

由于电力系统的电源电压存在不对称或畸变，使得电源所提供的电流也将存在畸变，而对于电力系统而言，如果仅提供基波正序有功功率，那么就可以使整个系统工作于近似于理想的对称正弦条件下，改善电源中存在的畸变现象，而这正是采用有源电力滤波器的初衷。

因而，如果将负载所需的基波正序有功功率及基波正序无功功率得出，其中基波正序有功功率由电力系统提供，而基波正序无功功率由集中补偿的电力电容提供，这就是基于电源电流正弦化的补偿控制策略。这样既可以保留传统的电容无功补偿方式，同时可以减小有源电力滤波器的容量，使其可靠性得以提高，如图4所示。

图4 兼容传统电容无功补偿方式的并联APFFig.4 Shunt active power filter in compatible with traditional reactive compensation in power system

由式（4）～ 式（6）得基波正序瞬时有功功率p＋1及基波正序瞬时无功功率q＋1为

其中C32为Clarke变换矩阵，且有

将负载中基波正序有功功率p＋1和基波正序无功功率q＋1去除，可得到有源电力滤波器的补偿有功功率pC和无功功率qC为

进而计算补偿电流i＊C，α和i＊C，β为

经Clarke反变换，得到三相补偿电流的参考值为

其中C32为Clarke反变换矩阵，且有

由以上分析，可得电源电流正弦化的降低APF容量的控制策略，如图5所示。

由以上的分析可知，基波正序电压的实时检测是十分重要的一环，文献［13］提供了一种电源电压的基波正序检测的方法，该方法具有很好的暂态特性和稳态特性。

如果出现电源缺相的情况，该方法将无法得到基波正序信息，而且由于其中wt为线性变量将随时间而不断增大，因而在实际实现中，需要进行缺相保护并且使及时复位。由于PLL系统中存在正弦分量，所以当满足

即可以将复位。

其中，n值由系统的需要而灵活设定。

图5 电源电流正弦化的降低APF参考电流检测框图Fig.5 Reference currents detection of APF chart in power currents sinusoidal to reduce the capacitance of APF

3 仿真结果

由以上分析，在Matlab中建立仿真验证，电源电压为

在此条件下，即电源系统中存在20%的负序分量，20%的5次谐波分量。

负载为三相全桥晶闸管移相调压电路，滤波电感为50mH，负载电阻为5Ω，移相角α＝60°。另外B相与C相之间还有一个阻性线电压负载，负载电阻为10Ω，APF于0.1s时投入，考虑恒功率补偿策略与本文的电源电流正弦化控制策略作对比，仿真结果如图6所示。

图6 电源畸变时的APF补偿仿真结果Fig.6 Simulation results with unbalanced nonlinear loads under power distortion

仿真结果表明，在电源电压存在严重畸变的情况下，当负载不平衡时，采用恒功率补偿策略所需的APF容量约为25.6kVA，而采用本文的电源电流正弦化补偿策略时APF的容量约为18.8 kVA，其容量减小了26.6%，并且电源电流正弦化，可以采用传统的电力电容进行总功率因数校正。

表1 有源电力滤波器在两种控制策略下的容量对比Tab.1 APF capacitance contrast in the two control strategies

两种条件下的APF容量随功率因数变化对比如图7所示。

图7 有源滤波器容量随负载功率因数变化对比Fig.7 APF capacitance contrast with the change of load power factor

显然，由于不需要补偿基波正序无功电流，故在负载功率因数较低时本控制策略可明显降低APF补偿容量。需要说明的是，APF不仅用于补偿谐波电流，也补偿负载无功电流的波动，因而本控制策略更适用于负载功率因数较低且无功功率相对稳定的场合。

4 结语

本文分析了电源电压含有较大畸变时，在保证补偿效果的前提下，分析了有源电力滤波器的补偿原理，说明了有源电力滤波器的补偿实质是为负载提供振荡有功功率和振荡无功功率；指出实现降低有源电力滤波器容量就是要避免有源电力滤波器通过负载基波正序无功功率，采用电源电流正弦化的降低APF容量控制策略，以使补偿的总电流减小。仿真结果表明，采用本文的控制策略，可以降低有源滤波器的容量，同时可以在电源电压严重畸变的条件下正常工作，并使电源电流校正后正弦化，证明其有效性与实用性。该控制策略及实现方法由于适应于高畸变环境的电力系统，以较小的容量实现电力滤波，对于传统电力电容无功补偿方式的电力系统进行配电侧滤波治理改造具有较好的指导意义。

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