低压配电网中有源电力滤波器的仿真研究

袁昕天　陆永耕　王照萌　刘梦花

摘 要：简要介绍了有源电力滤波器的补偿原理，以及应用在低压配电网中的补偿电流检测算法，根据某配电台区存在的三相不平衡和电压跌落等问题，提出了不同的补偿方案，搭建了仿真模型。通过现场实际采集的反馈数据，验证了所建仿真模型和选取补偿方案的合理性。

关键词：电力滤波器；补偿原理；仿真模型；工业领域

中图分类号：TM761 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.08.129

随着电力系统规模的不断扩大和相关单位对配变电的三相不平衡治理的重视程度长期欠缺，导致配变电的三相不平衡现象越来越严重。对电能质量的调整治理措施主要从管理上减少不平衡度和技术方法两个方面着手。

从技术方法角度出发，针对低压三相不平衡的情况，目前，主要采用人工调整换相、三相不平衡补偿器和三相不平衡自动换向器等技术进行治理。有源电力滤波器（APF）就是三相不平衡补偿器的一种，由于我国低压配电网中绝大多数采用的是三相四线制的供电方式，所以，本文采用了电容中点型三相四线制式柱上并联有源电力滤波（SAPF）作为主要的研究对象。

1 SAPF的补偿原理

在工业领域中，多采用并联型APF的方案投入运行，SAPF的基本工作原理如图1所示。

图中es代表了电网的三相交流相电压，is，iL和ic分别代表了电网侧流出的电流，负载侧流入的电流和SAPF输出的补偿电流。有源电力滤波装置主要由谐波和无功电流检测电路和补偿电流发生电路（由电流跟踪控制环节、功率开关驱动电路、主电路三个部分组成）两大部分构成，主电路采用由IGBT构成的电压型逆变器。检测出来的无功和谐波补偿电流的指令信号通过补偿电流发生电路产生要输出的补偿电流，输出电流与负载电流中要补偿的无功和谐波等电流分量抵消，以此来获得电网的目标电流。以抑制负载的谐波电流为例，有源电力滤波器首先检测出负载电流的谐波分量ih，将其反极性后作为补偿电流发生电路的指令电流信号i*C， 控制有源电力滤波器输出与ih大小相等，方向相反的补偿电流，用以抵消电网电流is中的谐波分量，使得电网电流is中只含负载电流的基波分量if，从而达到了抑制电网电流中谐波的目的，用公式描述如下：

同理，如果有源电力滤波器还需要补偿负载的无功功率或治理三相不平衡，只需要在检测出的电流中加入负载的基波无功分量或不对称电路的负序电流分量，使发出的补偿电流与负载电流中对应的分量相互抵消，从而有效补偿无功功率，抑制谐波，改善系统中的功率因数和电流波形。

2 剔除零序分量的谐波检测算法

由于传统的APF的谐波检测算法只适用于三相三线制，所以，在低压配电网中可以采用剔除零序电流的方法。本文采用基于对称分量法的负荷补偿方法对配电网三相不对称的负载进行补偿，根据对称分量法，以基波A相电流为例，负载产生的电流可以分解为各次电流的正、负序和零序对称分量，即ia+，ia-和ia0，表达式如下：

因此得到ip-iq电流检测法的原理图，如图2所示。由于中线电流的存在所以采用了去除中线电流的方法，首先计算出三相不平衡负载中的零序电流，然后分别用A，B，C三相电流减去零序电流，可以得到除去零序电流后的电流ia，ib，ic，接著通过克拉克（Clark）变换和运算矩阵C得到瞬时有功电流ip和瞬时无功电流iq，由于系统中还存在着末端电压过低的情况，所以，为了兼顾无功补偿，改善功率因数的作用，令其无功电流分量iq为0，然后将处理后的ip和iq再进行克拉克反变换，这样就得到了只含基波有功分量的电流；最后将负载三相电流与有功基波电流相减就得到了由零序电流、负序电流和无功基波电流组成的指令电流ica、icb和icc，从而达到了补偿三相不平衡和无功功率的作用。

3 SAPF仿真治理结果

采集当地某配变台区线路末端电压数据记录在表1中。从表1中的现场数据不难看出，该配电台区同时存在着供电末端用户电压偏低、配电变压器三相不平衡等问题。

由此提出了3种治理方案：①线路进线安装1台三相不平衡治理设备；②变压器出口侧安装三相不平衡治理设备，同时进行全线路改造；③线路进线安装1台三相不平衡治理设备，线路末端安装有功换流设备。

分别对上述3种方案进行仿真，线路末端的电压仿真波形图如图3所示。

由图3可以看出，方案一中三相不平衡得到了解决，但是末端电压依然比较低；方案二虽然末端的电压得到了提升，但是由于APF的容量有限对三相平衡度的改善不是很明显；方案三很好地解决了三相不平衡的问题，且末端电压也得到了提升。

选用第三种补偿方案，并在线路末端测试点位置使用日志3198进行测量并记录相关参数，数据每3 s记录一次，得到了表2中数据。

从以上结果可以看出，如果不采取谐波治理措施，在用电高峰时段三相不平衡严重，线路末端跌落明显。经过治理后，系统电能质量达到合格标准，补偿效果明显，验证了所建模型的仿真结果具有一定的指导意义。

4 结论

本文首先就配电网中存在的电能质量下降的现象提出了使用APF治理的方法，介绍了其补偿原理和电流检测算法。就某配变台区的测量数据，反映了三相不平衡和末端电压跌落等现象，提出了不同的综合治理方案，并通过仿真确立了最优补偿方案。仿真结果和实际现场测试数据表明，该综合补偿方案对系统电压支撑和三相不平衡补偿治理效果明显。

参考文献

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〔编辑：张思楠〕