针对谐波抑制和无功补偿的APF－SVG一体机系统的设计研究

乔 亮，张立颖

（1.中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015；2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006）

开发与应用

针对谐波抑制和无功补偿的APF－SVG一体机系统的设计研究

乔 亮1，张立颖2

（1.中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015；2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006）

电网谐波和无功功率损耗是影响电力系统电能质量的两大关键因素，因此谐波抑制技术和无功功率补偿技术对提高电网电能质量起到极其重要的作用。目前针对谐波治理主要应用的技术手段是采用并联型有源电力滤波器（APF），针对无功功率损耗主要应用的技术手段是采用静止无功发生器（SVG），文中研究并设计兼有谐波抑制功能和无功补偿功能的APF－SVG一体机系统，最后通过MATLAB Simulink仿真软件验证其可行性及有效性。

电力系统；谐波抑制；APF；无功补偿；SVG

随着电力系统中谐波污染日益严重，电网电能质量受到的影响越来越大，电网谐波可造成电网发生谐振、对通信系统产生电磁干扰、增加系统损耗等一系列危害，因此如何有效治理谐波意义重大［1－2］。传统的无源滤波器虽然结构简单价格低廉，但其只能补偿固定次数的谐波，不能随负荷的改变而有效调节补偿量，且容易和电网中的电感电容等装置发生谐振，而APF由于其能够动态的对任意次数谐波组合进行精确补偿，现已成为谐波治理的主要手段［3］。无功补偿对维持电网电压，降低电力系统损耗，提高电力系统稳定性和电能质量有重要意义［4］。SVG由于其能够实现快速动态调节，迅速而准确地吸收或者发出所需的无功功率，现已成为最有效的无功补偿技术。

针对电力系统中的谐波和无功补偿问题，研究并设计了一种APF－SVG一体化设备。首先介绍设备系统的拓扑结构和实现谐波抑制及无功补偿的大体设想，进而对系统的工作原理及算法进行分析研究，最后通过仿真验证了系统的有效性。

1 系统结构及工作原理

1.1 系统拓扑结构

目前，有源滤波和无功补偿装置主要采用电压型并联方式，该系统以电容作为储能装置并接于电网上来实现综合治理。APF－SVG系统的拓扑结构如图1所示。

图1 APF－SVG系统的拓扑结构图

图1中ea，eb，ec为电网电压，LL，CL，RL通过三相全桥组成非线性负载，ila，ilb，ilc为负载电流，APF－SVG系统以电容C作为储能元件并通过IGBT组成系统主电路，通过电感L并联到电网端，ica，icb，icc为补偿电流，isa，isb，isc为补偿后的电网端电流。信号检测电路、数据处理及控制电路、功率开关驱动电路为弱电部分，经数据分析后控制IGBT开断使APF－SVG系统主电路对电网发出补偿电流。

1.2 系统工作原理及各模块功能

对负载电流il分解可得基波有功分量ilf和谐波及基波无功分量总和ilk，当APF－SVG系统补偿的电流ic＝ilk时，通过基尔霍夫电流定律可得电网端电流is满足以下关系

即电网端电流可恢复为基波电流的有功分量。

由于控制模块为数字系统，为使系统能够在高频采样下进行数据分析，控制模块使用高速数字信号处理器DSP作为核心处理器。系统首先通过信号检测电路对负载电流进行高频采样，进而通过控制模块对采样信号进行数据分析，使用谐波及无功电流检测算法得出电流补偿量，并通过电流控制法将补偿电流转换为对应的开关信号，最后通过IG⁃BT驱动电路对开关信号进行处理来控制系统主电路的功率开关器件动作，使APF－SVG系统补偿谐波及基波无功电流。系统同时对补偿电流进行检测，以实现补偿电流的闭环控制，提高系统的稳定性和准确性。

2 电流检测及控制方法

数据处理及控制模块是系统实现谐波及无功补偿的核心环节，主要通过对采样到的负载电流信号进行分析得到补偿量，并发出IGBT的控制信号来控制主电路发出补偿电流。分别对系统的电流检测算法、补偿电流控制方法和直流侧母线电压控制方法展开分析。

2.1 电流检测算法

由于三相三线电网中ea＋eb＋ec＝0，并且ia＋ib＋ic＝0，所以三相参数完全可用两相坐标系下的对应坐标表示。通过CLARKE变换将电网基波电流与电压所对应的三相瞬时值转换为两相坐标α－β下的参数，转化过程如下

式中：I、E分别为电流、电压的模；φ为负载端电流基波分量对电压的滞后；ω为电网工频对应的角频率。电网负载端电流i可以看成是基波电流和高次谐波电流的总和，则其与电网电压e在两相坐标系下的矢量关系可表示为图2所示。

图2 两相坐标系下的矢量关系图

对于基波电流分量，由式（2）、（3）可看出其与电压的旋转矢量相对夹角不变，且基波电流有功分量为常值，对于高次谐波电流，其角频率是电压频率的n倍，所以其与电压的旋转矢量相对转动，因此其在电压e上的有功分量为交流量［5］。图中负载端电流i的有功分量可由下式求得

ip可看成是基波电流有功分量与高次谐波电流有功分量的总和，由于高次谐波电流有功分量为交流量，因此对ip进行滤波即可得到基波电流有功分量ipf，其在α、β轴上的分量为：iαf＝eαipf／e，iβf＝eβipf／e，最后将iαf、iβf通过CLARKE反变换转换为三相坐标系下的负载电流基波有功分量，并与负载电流相减得到电流的补偿量。

2.2 电流控制方法

该系统采用滞环比较控制法对电流补偿量进行调节，其原理及输出特性如图3所示。

将经过电流检测算法得到的补偿电流作为指令电流，对实际输出的补偿电流ic进行采样并与指令电流进行比较，若差值小于设置的滞环宽度h，IGBT不动作，当差值大于环宽h时，调节IGBT开断使补偿电流在指令电流附近环宽h处波动，以实现跟踪控制。

图3 滞环比较控制法原理图

2.3 直流母线电压控制方法

APF－SVG系统的主电路以电容器作为电源，因此需使其维持在一个稳定的电压上才能实现电流的准确补偿。本系统采用PI控制法对母线电压进行闭环控制，PI控制器系统框图如图4所示。

图4 PI控制器系统框图

对母线电压与给定值进行比较，将差值信号经过比例积分环节后转换得到电流的差值信号，再将其引入电流补偿信号中，通过IGBT的开断实现补偿电流与母线电压的综合闭环控制。通过实验看出当电压维持在850 V左右时，该系统可有效补偿谐波及无功电流，因此将给定值U设置为850 V。

3 仿真验证

通过仿真软件对APF－SVG一体机系统的可行性及有效性进行仿真验证，在MATLAB Simulink平台上搭建系统仿真模型。模型参数设置如下：三相电源为220 V／50 Hz正弦电压，负载端参数为1 000 μF、10 Ω和3 mH，APF－SVG系统主电路电容为6 000 μF，通过3 mH电感并接于电网上，电流滞环比较控制法中环宽设置为1，PI控制器中比例系数Kp＝1。对系统进行仿真，得到补偿后的电网端电流、负载电流及补偿电流如图5所示。

图5 A相电网电压、补偿后的电网端电流、负载电流及补偿电流图

由图5可知，负载电流为典型的双头波，电流畸变率较高，且其基波滞后于电网电压一定的相位，功率因数较低。APF－SVG仿真模型经过2个周期调节后即可使电网端电流实现精确补偿，极大程度滤除了谐波分量，电流畸变率较低，且与电网电压基本同相位，功率因数接近于1。通过仿真实验证明，APF－SVG系统能够有效滤除谐波，并实现无功补偿，速度快、精度高，验证了该系统的可行性及有效性。

4 结束语

电网谐波和无功功率是影响电网电能质量的重要因素，如何实现综合治理已成为研究热点。本文所提出的APF－SVG一体机经仿真验证能够很好地实现谐波抑制和无功补偿，实验样机中的信号处理及控制信号发生环节由于在数字系统中完成，会产生信号延时，这是提高系统补偿精度应重视的问题，也是今后的研究方向。

［1］ 蔡志远，戈阳阳，马少华.大规模风电接入电网谐波影响研究［J］.东北电力技术，2014，35（4）：31－34.

［2］ 王伟炳，王宏华.谐波抑制和无功补偿技术［J］.机械制造与自动化，2006，35（2）：92－94.

［3］ 王宝良，解 大，李维成.并行结构的电力有源滤波器设计［J］.东北电力技术，2006，27（1）：4－8.

［4］ 吴远志，夏德明，岳 涵.蒙东地区风电场无功补偿设备调查分析［J］.东北电力技术，2012，33（2）：43－45.

［5］ 叶明佳.基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流检测方法研究［D］.重庆：重庆大学，2012.

Study on APF⁃SVG System Design for Harmonic Suppression and Reactive Power Compensation

QIAO Liang1，ZHANG Li⁃ying2
（1.Coal Design and Research Institute of Shenyang Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110015，China；2.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power，Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

Power grid harmonic and reactive power loss are two key factors affecting the power system power quality，so the harmonic suppression and reactive power compensation technology play an important role on improving the power grid power quality.At present for the harmonic suppression，the main application is to use the shunt Active Power Filter（APF），and for reactive power loss，the main application is to use the Static Var Generator（SVG）.APF⁃SVG system is analyzed and designed，which has both functions of the harmonic suppression and reactive power compensation.The feasibility and effectiveness of this system is verified through the simu⁃lation software MATLAB Simulink.

Power system；Harmonic suppression；APF；Reactive power compensation；SVG

TM761＋.12；TM76

A

1004－7913（2015）04－0042－04

乔 亮（1988—），男，硕士，工程师，主要从事工业企业及民用供配电技术研究。

2014－12－20）