配电网静止同步补偿器无功电流检测方法的研究

平 增，张忠锋，张 娟，张 辉，张良学

(1.华北水利水电学院，河南 郑州450045;2.吉林省电力有限公司辽源供电公司，吉林 辽源136200;

3.郑州祥和集团电力工程有限公司，河南郑州450000;4.平顶山易成新材料股份有限公司，河南平顶山467021)

我国与一些发达国家相比，在电网的总损耗中，10 kV及以下配电网约占43%［1－3］，同时在配电网中还容易出现三相负荷不平衡，功率因数偏低的情况.所以，一种能够进行连续调节，结构简单，能够满足配电系统需要的动态无功补偿装置就显得很重要.现在，我国对静止同步补偿器(STATCOM)的研究主要是在高压大容量方面，在低压配电侧方面对STATCOM的研究还不是很多，所以在配电网中对STATCOM的研究具有实际意义.

对配电网静止同步补偿器进行研究首先需要对配电网中的无功电流进行检测，对无功电流的检测是STATCOM最核心的环节.根据补偿的目的，准确实时地把负载电流中的无功电流分离出来，以产生需要的无功电流指令.配电网静止同步补偿器的性能受到无功电流检测方法的影响.一般常用的无功电流检测方法有以下几种:带通滤波器法［4］、基于Fryze时域分析的有功电流分离法［5］、自适应检测方法［6］、基于小波变换的检测方法［7］、基于神经网络理论的检测方法［8］、基于瞬时无功功率理论的电流检测方法［9］.

文献［4］的无功电流是通过高通滤波器得到的，该方法的电路实现简单、经济;但是这种方法的滤波效果在电网频率波动时不是很理想，电流中的无功分量不能直接检测出来.文献［5］将非线性负载电流分解为广义无功电流和有功电流分量两个正交的分量，但是该检测方法的实时性不好.文献［6］参考输入为电源电压，原始输入为负载电流，通过该种方法得到高次谐波和无功电流的总和，是通过自适应滤波器把电流处理后输出与负载电流基波有功分量幅值相位均相等的信号，并把此信号从负载电流信号中除去.该种方法在电源电压畸变的情况下，仍然有很好的自适应能力，但是此方法的动态响应比较慢，同时对硬件电路要求也很高.文献［7］采用不同尺度的分析方法，最佳的时域和频域分辨率可以在信号的不同地方获得，但是该检测方法要求比较长的电流信号周期，同时计算量也很大.文献［8］的原始输入是非线性负载电流，输出和待补偿的无功电流逼近.该种方法的计算量小，实时性好，抗干扰性好，但是需要的神经网络构造方法不是很规范，需要比较多的训练样本.

基于瞬时无功功率理论的无功电流检测方法包括p－q和ip－iq2种检测法，也是目前应用最广泛的方法.当电网电压波形没有畸变时，这2种检测方法都能对无功电流进行准确的检测;当电网电压有畸变时，p－q检测法有很大的误差，而ip－iq检测法能有效地避免电压畸变所带来的影响［10］.但是不能分离出无功电流，并且ip－iq检测法中为了产生与电源电压同步的正弦和余弦信号需要用到锁相环(PLL).锁相环在电网电压畸变的情况下，会使检测误差增大，所以无功电流不能准确地检测出来.同时，PLL电路还增加了电路板的面积，调试和设计也不简单［11］.文中在这2种方法的基础上采用一种无锁相环的检测方法.该检测方法能在电压畸变的情况下准确地检测出系统电流中的无功，并且实现过程比较简单，具有很强的实用性.

1 p－q检测法

p－q检测方法流程如图1所示.

图1 p－q检测方法流程

图1中:C32为坐标变换矩阵;LPF为低通滤波器;p，q分量可以根据瞬时无功功率定义［12］计算得出;p，q的直流分量p，q可以通过低通滤波器LPF得到;ia，ib，ic的基波分量可以由p，q通过反变换计算得到，即

如果要得到三相系统中的谐波分量，只需将基波分量 iaf，ibf，icf与原三相电流瞬时值 ia，ib，ic相减即可.

如果要得到电路中的谐波和无功电流，则可将图1中的无功分量q通道断开，此时由有功分量p反变换计算得到原电流中的基波有功电流分量ipaf，ipbf，ipcf，即

所以可以通过 ipaf，ipbf，ipcf与 ia，ib，ic相减得到原电流中谐波分量和无功分量之和.

STATCOM用于补偿无功电流，所以只需将无功分量q直接反变换即可.

此时，低通滤波器可以省略，得到的是三相电路中的无功电流瞬时值.跟踪此无功电流，就可以实现对无功电流的实时补偿.

该方法计算简单，响应速度快，但在电压畸变的情况下误差比较大.

2 ip－iq检测法及其无锁相环的实现

ip－iq检测法流程如图2所示.

图2 ip－iq检测法流程

图2中的变换矩阵C为

该检测方法的主要目标是计算出瞬时有功电流ip和瞬时无功电流iq.ip－iq检测法采用的变换矩阵C是采用一相电压(例如a相电压)，通过锁相环(PLL)获得与之同相位的正弦信号和余弦信号，从而构造变换出来的.在通过变换矩阵C之后，三相电流可以变换为瞬时有功电流ip和瞬时无功电流iq.直流分量ip和iq在经过低通滤波器LPF之后获得，iaf，ibf，icf在经过直流分量ip和iq反变换计算后即可得到.

如果要得到三相系统中的谐波分量，只需将iaf，ibf，icf与 ia，ib，ic相减即可.

如果要检测电路中的谐波电流和无功电流之和，则可断开图2中无功电流分量iq的通道，此时原电流中的基波有功电流分量可以通过反变换计算得到，即

原电流中谐波分量和无功分量之和可以通过ipaf，ipbf，ipcf与 ia，ib，ic相减得到.

对此电流进行跟踪，即可实现STATCOM对无功电流的实时补偿.该检测法在补偿无功电流时和p－q检测法相似，不需要低通滤波器LPF，因而可以实现瞬时无功电流的实时检测.

但是该检测方法在电压畸变的情况下不能分离基波中的有功和无功，并且由于锁相环(PLL)的存在，使该检测方法的计算比较复杂，响应比较慢.

如图2所示，ip－iq检测法中需用到锁相环(PLL)，利用PLL可以得到三相电流的基频和初相角，但是受信号的影响往往比较大.当电网电压发生畸变时，会导致检测误差，从而无法准确地检测出需要的电流.同时，PLL电路不但使电路板的面积增加，同时也使设计和调试比较复杂.为了解决使用锁相环所带来的误差，并结合ip－iq检测法的特点可知，通过锁相环获得变换矩阵C中的w，可以通过采用单相电压构造出同步旋转角来实现，从而就可以实现无锁相环的目标.

三相不平衡a相电压表达式可以表示为

式中:Aa为a相电压的基波幅值;Aka为k次谐波电压的幅值.

将ua经过一个微分器得到

式(9)的第一项是式(8)第一项的微分量，二者是正交的关系.由于实际电网电压的畸变量一般很小并且为高次谐波，所以可以把ua和的第一项通过一个低通滤波器分离出来.

设ua分离后的Aasin(wt)值为x分离后的Aawcos(wt)值为 y，则

由于电网频率的偏差一般不会超过0.5 Hz，是很小的，令ω=100 π，则可以得到

利用公式(11)就可以减小ip－iq检测法中利用锁相环电路获取同步旋转角带来的延时误差.

3 电压畸变情况下的控制策略

综合p－q检测法和ip－iq检测法的优点，采用能在电压畸变的情况下仍能检测出STATCOM无功电流的方法，其原理如图3所示.系统基波电压对应α －β坐标系下的分量uα0和 uβ0，可以通过三相系统电压ua，ub，uc经过无锁相环ip－iq检测法后得到，并用 uα0和 uβ0替代普通 p－q法中只经过 C32变换得到的uα和uβ，将图3中ip断开，然后按p－q法的规律计算出的电流iaq，ibq，icq即为无功电流.

图3 STATCOM无功电流检测原理

4 结语

在综合基于瞬时无功功率理论的p－q和ip－iq2种检测方法的基础上，采用一种新的检测方法对配电网静止同步补偿器的无功电流进行研究.该方法的优点是采用无锁相环，避免了锁相环所带来延时误差，并且该方法可以在电压畸变的情况下，仍然可以检测出配电网静止同步补偿器的无功电流，所以此方法具有很强的实用性.

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