版权信息 主管单位：国家海洋局 主办单位：中国电源学会;国家海洋技术中心 国际标准刊号：2095-2805 国内统一刊号：12-1420/TM 联系我们
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基于APF电能质量调节装置的研究
Abstract With the diversification of network equipment, power quality problems of the electric power system gradually emerged. The power quality problem is covered extensively, which involves both the qualified rate of the voltage and the harmonic content. In this paper, the design of the power quality control device based on active power filter and thyristor control is proposed, and the hardware circuit and control strategy are presented. Test results show that the method proposed in this paper is effective in restraining the effect of nonlinear load in power network. Keywords: Power quality；Active power filter (APF)；Nonlinear load；Adjusting device；Harmonic 随着技术的发展，基于电力电子的新型设备被广泛应用到日常生产和生活中。这些设备在给人们带来巨大效能的同时，也因其非线性特质而给电网造成一定的电能质量问题。 就大的方面来说，电能质量问题可划分为两个方面：即电压幅值问题(电压合格率)、电能纯净问题(谐波含有率)。当前，控制电压幅值主要通过手动或自动投切电容器实现；控制谐波含量主要通过配制无源滤波装置(比较便宜)来实现；两者基本独立进行。但很多情况下，无功补偿、谐波抑制需要协同进行、综合治理[1]，这就需要在全兼顾响应速度、经济性、安装工作量等因素的基础上，开发一种电能质量综合调节装置，使电能质量的各项指标进入合理区间，而不出现顾此失彼的现象。
1 总体框架
前已述及，电能质量调节涉及基波分量和谐波分量、正序分量和负序分量等多个层面，笔者根据当前技术发展状况，结合国内外研究态势，提出如图1所示的电能质量调节装置的构成框架。
图1 可执行多层次调控的电能质量调节装置框架
解说：①TA、TV负责将强电范畴的电网电气量同步转换为弱电等级的对应信号，以方便智能控制器的计算。②智能控制器内配置双数据处理器 (DSP)，由其负责计算总补偿电流ia、ib、ic。③总补偿电流需进一步进行分解，以ia为例，有ia= iah+ iaT，其中iaT为基波分量，iah为谐波分量；ib、ic的分解与此类似。④基波分量控制TSC中晶闸管的通断，使固定安装的无功补偿设备实现按需分相投切(具体来说就是使固定安装电容器的电流达到iaT、ibT、icT)。⑤谐波分量控制脉宽调制电路(PWM)，使有源滤波器(APF)输出接近iah、ibh、ich。⑥综合①~⑤，电源侧的电流得到调节，保证了电网污染的治理。
2 主电路设计
2.1 APF层面
笔者参阅大量资料，设计如图2所示的APF主电路。其由两部分组成，逆变主电路产生补偿电流，低通滤波器负责对逆变主电路进行“净化”，以防电能调节装置对电网造成二次污染。
图2 APF主电路组成示意
以上电路中有几个关键参数需确定，分别是：
(1)E1、E2容量。
根据E1、E2认为应(1)IH1.5)
(1)
(2)LPFC3图3 LPF的等效电路
LPFAPF253dB23dB
(2)
R=0.6L=1.26×10-4H层面
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图4 TSC设计主电路示意
3 谐波检测与APF控制策略
谐波检测是电能调节装置正确工作的前提。目前，关于谐波测算的方法主要有FFT法、自适应检测法、瞬时空间矢量法等[4]。其中，瞬时空间矢量法应用最为广泛，其分支包括p-q法、ip-iq法、d-q法等。d-q法能在电网运行状况不甚理想(如电压不对称、闪变)下检测出谐波存在，精确度较高，因此本项研究选择该算法作为谐波检定方法。
为了确保APF输出的补偿波形的有效性，设计如图5所示的两环控制策略。其中，内环控制(即控制器I)的任务是依照特定的控制参考量，对辅助电源的输出进行调制，使电力线路获得所需要的消谐电气量；外环控制(即控制器II)的任务则是根据检测到的谐波电气量产生一个控制参考量，作为内环控制的控制依据。以上表述详见图5所示。
图5 APF两环控制策略的构成
4 控制器结构
APF是电能质量调节装置的核心，而控制器是APF的核心。控制器应满足响应快速、结构紧凑、布局合理、通道足量等要求，同时具备良好的人机交互。为此，构建如图6所示的控制器硬件框图。
图6 APF控制器硬件组成示意框图
5 应用案例
某机器制造公司拥有大量中频炉设备，负荷呈现强电感性且非线性明显。投运一段时间以来，除了功率因素持续较低外，还发现厂内电气设备故障频发以及相邻用户(与该厂公用一条10kV线路)较多投诉到供电公司。经供电公司检测，该机器制造公司的谐波大量超标；进一步检查发现，虽然该公司在电气设计上考虑了谐波治理和无功补偿，但由于方式落后(无源滤波+电容器整组投切)、滤波器参数选择不当、电容器最小投切容量过大等因素，谐波未能得到有效治理，缺损无功也未能得到足额补偿。图7为用户中压母线上实测得到的电流、电压波形。
图7 机器制造厂中压母线实测电流波形
为了解决问题，该机器制造公司进行认真分析，认为必须对现有谐波治理设备进行改造，方向是引进基于APF的电能质量调节装置，重点治理5、7、11等奇次谐波。
在设备改造完毕，所有生产线全力运行情况下，再在中压母线进行电流实测，得到如图8所示的电流图。与图7对照可知，新电能质量调节装置使电流、电压的波形明显变得平滑，效果显著。
图8 进行电能质量调节后的母线实测电流、电压波形
6 结论
电能质量调节是一项复杂的工程，需要考虑响应速度、控制精度、二次污染的避免以及投资经济性等。文章针对新形势下电网面临的谐波问题和无功补偿问题，结合最新的技术发展，提出以APF为基础的电能质量综合调节装置的开发，就该装置的结构蓝图、主电路设计、控制策略、控制器框架等进行研究。应用实例表明，文章的研究成果是有效的，值得推广。
参考文献
[1] 张 颖. 有源滤波器在改善电能质量中的应用[J].电力系统及其自动化学报. 2010,31(2):132-135.
[2] 赵 敏. 基于TMS320F2812的有源电力滤波器设计[J].低压电器. 2011,42(1):15-18.
[3] 冯兴田. 基于直流储能的多功能APF控制策略研究[J].电力电子技术. 2018,8(2):226-228.
[4] 范瑞祥. 并联型APF死区效应分析及对策[J].电机与控制学报. 2009,30(11):95-99.
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