高压型谐波和无功综合补偿系统谐波电流控制方法研究

王少杰，王文华

(邵阳学院 信息工程学院，湖南 邵阳，422000)



高压型谐波和无功综合补偿系统谐波电流控制方法研究

王少杰，王文华

(邵阳学院 信息工程学院，湖南 邵阳，422000)

针对单独投入有源滤波器或无功补偿器难以大幅度提高电能质量的问题，论文结合有源滤波器和无功补偿器两者的优点，整合形成了新的高压型谐波和无功相结合补偿系统，给出了相应拓扑结构，并对该系统谐波域的单相等效电路进行了详细分析，采用神经网络控制方法实现对谐波电流进行控制，接着利用相应仿真软件进行了验证。从仿真的波形图可以看出，该系统的综合治理能力大幅提升，电能质量得到了较大地改善，达到了节能减排的目的。

高压型；谐波；无功；神经网络

随着人们对用电质量的要求日益提高，单纯靠无源滤波器提高电能质量已经无法满足人们的需求。而近几年随着电力有源滤波器的研究和投入，电能质量的改善已经迎来一个新的历史时期[1-4]，特别是能够同时具有无源滤波器和有源滤波器的共同优点、又能大幅度改善电能质量的混合型有源滤波器备受人们的喜爱，但有源部分容量过大，又会无形增大投资成本。无功补偿技术就是提高电网的功率因数，降低线路和供电变压器中的电损，从而促进供电效率提升。现在对无功补偿技术的优化和补偿地点的选择成为科研工作者重点关注的方向。如何进一步发挥无功补偿的优势，突出无功补偿的技术特点显得尤为重要。如何将无功补偿和谐波治理结合起来共同提高输配电质量日益成为人们的关注点，同时也拉开了综合治理电网、提高电能质量的大幕。为了降低有源部分容量，本文充分挖掘了混合有源电力滤波器的优点，结合无功补偿优势，将各自的不足降到最低，提高了其在中高压系统中的应用占比，对配电网高压系统进行谐波和无功综合动态治理，整合形成了既能完成高压型谐波治理、又能进行无功补偿的综合系统，该系统可以实现电能质量的提升，达到净化电网、高效节能的绿色环保输配电目标。

1 高压型谐波和无功综合补偿系统

高压型谐波和无功相结合补偿系统HVHRPCS (high voltage harmonic and reactive power compensation system)拓扑如图1 所示。从图中可以看出，HAPF能够对谐波进行动态治理,而采用三角形接法的TCR的SVC则完成无功连续调节。基波谐振电路包含有电容C1、电感L1，注入电容为CF，电网电压为US，电网等效阻抗为LS，母线电流为IS，负载电流为IL，TCR的电感为L，APF输出滤波电感为L0，APF直流侧电容为C。HAPF有源部分通过耦合变压器与基波串联谐振电路并联，连接到无功补偿电容器CF后接入电网。在这个系统中，SVC原理是根据负载的变化情况计算出TCR所需投入的等效电纳，调节采用三角形接法进行。无功的调节主要是通过适度变换晶闸管的导通角，继而调换出等效阻抗来实现。因为有源滤波器并联在基波谐振支路上，基波电压承受压力不会太大，这就降低了有源滤波器的容量。这些技术优势大大拓展了这个系统在中高压大容量谐波治理与无功补偿的应用范围和适用能力。

图1 HVHRPCS系统结构图Fig.1 System structure of HVHRPCS

2 谐波治理解析

HVHRPCS系统主要完成对谐波域的动态治理，先将图1的系统结构图在谐波域的单相等效电路图解析出来，如图2所示。从图中可以看出，非线性负载被当作理想的谐波电流源ILh，而有源部分被当做理想的受控电压源UC，则等效电路图如下：

图2 HVHRPCS的谐波域单相等效电路Fig.2 Single-phase equivalent circuit HVHRPCS in harmonic domain

图2中电网背景谐波电压为USh，电网等效阻抗为ZSh，无功补偿电容器等效阻抗为ZCF，基波谐振支路等效阻抗为ZR、TCR等效阻抗为ZTCR，负载阻抗为ZL，用ISh来表示电网谐波电流，用IFh来表示流经无功补偿电容器的谐波电流，用IRh来表示基波谐振支路谐波电流，用ITCRh来表示TCR谐波电流，用ILh来表示负载谐波电流。

根据Kirchhoff’s电压、电流定律可得：

(1)

如果令APF有源部分为谐波电流源，

则有

IC=K(ILh+ITCRh)，

(2)

令

解得：

(3)

(4)

据式(4)可知,电网谐波电流ISh与K息息相关，当K的范围逐渐向最佳控制点靠近时，ISh也将逐渐减少，那么此时流进电网的谐波电流也将随之降下来。从理论上来分析，谐波电流将被APF抵消掉，降低电网中的谐波含量，使得谐波电流趋向于零。此时：

(5)

3 HVHRPCS电流控制方法

通过HAPF对由负载和TCR所产生的谐波电流进行控制，就可以达到对HVHRPCS系统电流的控制[5-8]。如果把检测负载侧谐波电流作为检测方式，则参考电流信号为负载和TCR产生的谐波电流，APF输出的谐波电流记为IFh，将参考电流Iref与IFh进行做差，将这个差值信号作为控制器的输入，让这个输出信号直接作用在电压逆变器端，调整控制器信号，使得注入支路与负载的谐波电流在大小上与TCR产生的谐波电流相等，方向刚好相反，真正达到补偿谐波电流、治理电网谐波的目的，也能促进电网电能质量不断改善。

依据上述治理谐波的原理与方法，那么就可以推导出这个系统在各个模块的传递函数(如图3所示)。控制器传递函数为GC(S)，负载侧谐波在注入之路分流传递函数为G1(S)，逆变器传递函数为Ginv(S)，逆变器输出传递函数为Gout(S)。

图3 HAPF控制框图Fig.3 Control block of HAPF

负载谐波电流设为G1(S)，和逆变器电压在注入之路产生的分流传递函数设为Gout(S)，由于上现实中系统阻抗一般很小，则绝大部分负载谐波电流将流入电网侧，即相当于：

G1(S)≈0。

(6)

此时，系统传递函数可简化为图4。

图4 简化后的控制框图Fig.4 Simplified control block

依上述框图，可知其传递函数为：

(7)

相对于电压型逆变器，由于可将调制波输入到逆变器的传递函数是做惯性环节，令Kpwm=Ud/Ut(直流侧电压记为Ud、三角载波的幅值记为Ut)，则传递函数可表示为：开关周期记为T，那么Ginv(S)的传函可表示为：

(8)

如果将系统阻抗忽略不计，那么该系统的等效电路图如图5所示。

图5 HAPF精简等效电路结构Fig.5 Simplified equivalent circuit of HAPF

根据电路原理中的回路分析法定律，列出如下方程组：

(9)

上式中，输出滤波电感为R和基波谐振之路电感内阻为R1。

根据图(3)和上述分析，进一步可以建立系统等效结构如图6所示。

图6 系统等效结构图Fig.6 System equivalent structure

根据上述图可以得到系统输出的传递函数：

(10)

用PI传统方式控制时，GC(S)用(11)表示：

(11)

式中Kp为比例系数，Ki为积分系数。在本论文中采用神经网络控制器。在该控制器中，控制算法框图如图7所示，据图可以看出，根据不同的输入信号E和EC，将K1、K2和K3的经验模拟值分别确定为5.5，3.9和0.6。 将E和EC的模糊集设定{NM,NS,Z,PS,PM}，论域为{-9,9}；U的模糊集为：{NVB,NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB,PVB}论域为{-7，7}，用神经网络控制算法计算得到ΔKP、ΔKI，从而实现PI参数的调整，具体做法参照[9-11]。

图7 基于神经网络控制器图Fig.7 Controller based on neural network

4 仿真

利用仿真软件PSIM7.0构建了上述搭LL〗建的系统模型，其具体参数(基本参数)如表1所示，注入支路参数如表2所示。

表1 仿真参数

表2 注入支路参数

逆变器直流侧采用三相全桥不可控整流，输出滤波器的电感L0为0.5mH。利用三角波调制方法来启动开关模式，三角波调节的频率控制在10kHz，调节幅值控制在-100A～+100A。由图8的波形图可以得出，在传统PI电流控制方法的作用下，负载部分的谐波电流得到了有效的补偿，电网中的电流畸变率也得到了很大程度的降低，波形非常接近于正弦波。但是，在无功补偿方面存在着过补的情况，具体表现在：因为谐波治理是针对于固定的容性无功补偿，负载所需的无功很小。当过补现象发生时，电网基波电路就会逐渐升高，也会造成电能的额外负担，节能效果反而大打折扣。

图9 神经网络控制算法作用下的波形Fig.9 The wave of neural network control algorithm

由图9可以看出，在HVHRPCS系统中投入神经网络控制算法后，能对TCR和负载谐波进行有效的治理，因而相对于负载侧来说，在电网侧的谐波和无功得到了很大程度的补偿，已经基本接近于零，波形和正弦波也没有明显的区别，而且幅值下降明显，这些参数充分说明了HVHRPCS谐波治理和无功补偿的效果。

5 结语

针对单独投入有源滤波器或无功补偿器难以大幅度提高电能质量的问题，将高压型谐波和无功相结合补偿系统结合起来形成了一种新的电气节能系统HVHRPCS，它可以完成无功连续调节，并进行谐波动态治理，对HVHRPCS系统的控制方法采取了基于神经网络控制方法，理论和实践上表明新的电流控制方法能够大幅度提升谐波与无功的综合动态治理能力，达到了节能减排的功效。

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Harmonic current control method of high voltage type harmonic and reactive power compensation system

WANG Shaojie，WANG Wenhua

(School of Information Engineering,Shaoyang University,Shaoyang 422000,China)

Because active filter or reactive power compensator is difficult to improve the power quality problems greatly,new type high voltage harmonic and reactive power compensation system are combined in this paper,and the corresponding topological structure is given.Single phase equivalent circuit of the system harmonic domain is analyzed.Then the control method of harmonic current is studied.Comprehensive ability and power quality of the system have been improved significantly by simulation,and the purpose of energy conservation and emissions reduction is achieved.

high voltage type；harmonic；reactive power；neural network

1672-7010(2017)03-0028-06

2017-03-20

邵阳市科技计划重点攻关项目(2015JH13)

王少杰(1974-)，男，湖南邵阳人。副教授，博士，硕士生导师，从事电气工程方面教学与科研工作； 王文华(1990-)，男，河南洛阳人。硕士研究生，从事电气工程方面的学习与科研。

TM864

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