有源电力滤波器电压测量位置分析研究

摘要：有源电力滤波器的控制方式决定了它对电网中的电压、电流等谐波的补偿效果。本文针对电网中的电压传感器置于电网中的不同位置（电源端与负荷端）两种情况，研究电压传感器产生参考信号时对电网供电指标的影响。研究表明，在不对称模式下三相电源系统中，在负载终端接入电压传感器测量相电压时能够有效地减轻网络相电压和电流的效率、移位系数下降并且降低电网的总谐波失真。最后，在Matlab中对带有电力有源滤波器的供电系统进行建模并仿真，证实了所提研究的真实性。

关键词：有源电力滤波器；电压测量；供电系统

中图分类号：TM464文献标识码：A

AnalysisofActivePowerFilterVoltageMeasurementLocation

YuanPengsheng

JiangsuGuangshiElectricCo.，LtdJiangsuXuzhou221000

Abstract：Thequalityofcompensationofharmonicdistortionsfornetworkvoltagesandcurrentsbymeansoftheactivepowerfilterdependsonthecontrolsystemsettings.Thedifferenceinqualityindicatorsofpowersupplywhenplacingphasesensorsofthenetworktogenerateareferencesignalfortwopossiblecases–onthenetworkterminalsandontheloadterminals（atthepointofloadconnection）isshowedinthepaper.Itisprovedthatinasymmetricalmodesofthreephasepowersupplysystemoperationtheplacementofphasevoltagesensorsonloadterminalsleadstoadecreaseintheefficiency，shiftcoefficientandanincreaseintheTHDofanetworkphasevoltagesandcurrentsincomparisonwiththesecondcase.ThedevelopedtheoreticalpropositionsusingthemodelingofpowersupplysystemwithpoweractivefilterinMatlabenvironmentareconfirmed.

Keywords：activepowerfilter；voltagemeasurement；powersupplysystem

并聯型有源电力滤波器（Activepowerfiltersofparalleltype，APFs）已大量用于具有非线性不对称负载的三相供电系统（Powersupplysystems，PSS），用来减少负载对其他电力用户的影响并提高电力质量［1］。

目前，国内外学者针对现有的有源滤波器控制系统提出了多种设计方案，并给出了相应的优化算法。目前所有的APF控制算法的基础是通过获得三相PSS的电压和电流传感器的测量数据，来计算补偿器电流。通常情况下，补偿器的电流是按照供电系统的相电压比例计算的［2］。目前用于确定相电压测量位置的方法主要有两种：第一种是将电压传感器置于电网端（如变电站等）［3］；第二种是将电压传感器置于负荷端（即直接连接APF的位置）［4］。

1测量电源终端的相电压的瞬时值

图1为带有APF的电源系统的简化等效电路，并标出了电压传感器的可能接入的位置。由图1可得，负载可以借助带有有源Rs电阻和Ls电感且足够长的线路连接到电源。此时，电压传感器获得的相位电压瞬时值在线路的两端会有很大的差异，显然不同的参考电压值对通过带有有源电力滤波器的电源系统对相电流进行定性补偿有不同的影响。然而，在目前的文献中还没有对上述两种电压传感器接入位置进行比较。

因此，本文主要研究的是电压传感器接入位置即相电压测量点对具有非线性和不对称负载的三相供电系统中有源电力滤波器运行的定性特征的影响。

在图1中，APF可由一个可控电流源Jc所取代。根据基尔霍夫第一定律，网络电流的广义空间向量可以通过负载和APF电流的广义空间向量表示，如式（1）：

is=iL－ic=iLa－ica

iLb－icb

iLc－icc（1）

式中iLa，iLb，iLc，ica，icb，icc分别是相位负载电流和APF电流的瞬时值。

根据计算补偿器电流的矢量比例法，电源电流的广义矢量可通过测量所得的电源和负载电流两端的相电压瞬时值来确定，如式（2）：

is1=PSLus2us=1T∫t+Ttus·iLdtu2sa+u2sb+u2scus（2）

其中PSL是不考虑补偿器电流时供电网络的平均值，us=us·usT0.5是网络电压的广义空间矢量的模数。

由式（2），供电系统的效率可由下式表示：

η1=PL1Ps1=iL·uLis1·us=iL·uL1T∫t+TtuL+Δu·iLdt（3）

其中，Δu是连接电源和负载的线路上的广义空间电压降矢量；T是重复周期，在本文中等于电源网络电压周期。

2测量负载终端的相电压瞬时值

如果在负载上测量相电压，由于电压传感器和APF本身位于一个位置，从而极大地简化了电力有源滤波器控制系统的设定，同时也不需要使用额外的接口设备来传输测量信息。此时，根据计算补偿器电流的矢量比例法，电源电流的广义矢量可通过测量所得的负载相电压瞬时值和负载电流来确定：

is2=PLu2LuL=1T∫uL·iLdtu2La+u2Lb+u2LcuL（4）

由式（4），PSS的效率可以表示为：

η2=PL1Ps1=iL·uLis2·us=iL·uLKT∫tuL·iLdt（5）

其中：

K=us·uLu2L=USLuL（6）

式中uL=（uL·uTL）0.5是负载终端的广义空间电压矢量的模块；USL是网络电压空间矢量投射到负载终端的空间电压矢量方向。

结合式（3）和式（5），对于任何对称的三相供电系统，计算补偿器电流的矢量比例法得到了相同的结果，那么有：

ψ=η2η1=1T∫t+TtuL+Δu·iLdtKT∫t+TtuL·iLdt=1KT∫t+TtKdt（7）

由式（7），對于一个在对称的三相供电系统，满足以下等式：

Ψsm=1T∫t+Ttψdt=1（8）

同样地，对于任何不对称的三相供电系统，式（8）可修改为：

Ψam=1T∫t+Ttψdt>1（9）

值得注意的是，由式（9），在供电系统中，电压和电流的不对称性系数越大，对负载终端的电压测量的积极作用就越大。同理，Ψam的值也取决于连接电缆线的参数。

3带有源电力滤波器的三相供电系统仿真

为了验证在负载终端测量三相PSS相电压瞬时值的优越性，用MATLAB进行仿真，建立额定功率为400kW的非线性不对称负载和APF的PSS模型。线路的电感由1μH变化至100μH，并测量电网的定量和定性指标。对APF与负载终端断开以及连接时电压传感器的四种接入情况进行仿真：（1）接入并测量电源终端的相电压瞬时值；（2）接入测量负载终端的相电压瞬时值；（3）同时接入并测量电源和负载终端的相电压瞬时值，由下式计算：

usL1=UmsUmLuL（10）

其中Ums、UmL分别为供电网络和负载的相电压幅值的广义向量；（4）同时接入并测量电源和负载终端的相电压瞬时值，由下式计算：

usL2=us+uL2（11）

图2和图3为仿真结果，表示四种PSS指定工作模式下电源质量指标对线路电感变化的依赖性，通过仿真结果计算得以下电网供电指标：效率的平均值（图2）；功率因数的平均值（图3）；无功功率的平均值（图4）；网络电流总谐波畸变系数的平均值（图5）。图中曲线的编号（1，2，3，4）对应上文所提的四种电压传感器接入情况。

比较四种情况下电压传感器接入不对称三相PSS测量相电压的仿真结果，不难得出，当电压传感器测量位置位于负载终端时，电网供电指标可以得到有效的提升。

4结论

本文对带有源电力滤波器的三相供电系统等效电路进行了分析，发现在对称三相供电系统中，电压传感器接入电源端和负载端测量相电压瞬时值时对系统的运行影响不大。在不对称三相供电系统中，电压传感器接入负载端测量相电压瞬时值时能够有效地提升电网供电指标。

对三相供电系统在不对称负载的情况下进行的仿真结果表明：（1）如果将接入负载端的电压传感器获得的测量信号引入APF的控制环节中可以获得更高的电源特性；（2）如果在电源终端接入电压传感器测量相电压，将对电源网络的效率和相电压和电流的非线性失真系数等产生影响；（3）在负载终端接入电压传感器测量相电压可以明显地消除上述负面影响，并使系统的结构更耐受外部参数的变化。

综上所述，在实际供电系统中应用并联型电力有源滤波器时，应在负载端或APF接入供电网络的位置接入电压传感器。

参考文献：

［1］唐钰政，刘书铭，张博，等.弱电网下有源滤波器谐振与抑制策略研究［J］.武汉大学学报（工学版），2023，56（01）：122128.

［2］王秀芹，赵吉文，王群京，等.一种改进型三相四线制谐波检测方法［J］.电机与控制学报，2020，24（09）：8494.

［3］谷岭，刘超，王炜，等.并联有源电力滤波器优化控制方法［J］.电力电子技术，2022，56（01）：107110.

［4］张艳军，杨晟飞，王耀.一种无电流检测的并联型有源电力滤波器［J］.电力电子技术，2013，47（12）：7880.

作者简介：袁朋生（1971—），男，汉族，湖南长沙人，博士，高级职称，研究方向：电力系统自动化。