电压不平衡下正序有功有源装置补偿特性研究

徐在德，范瑞祥，王文彬，邹进，刘卓睿，董清源

（1.国网江西省电力公司科学研究院电网技术中心，江西 南昌 330096；2.南昌大学信息工程学院，江西 南昌 330031；3.国网江西省电力公司抚州供电公司，江西 抚州344000）

电压不平衡下正序有功有源装置补偿特性研究

徐在德1，范瑞祥1，王文彬1，邹进1，刘卓睿2，董清源3

（1.国网江西省电力公司科学研究院电网技术中心，江西 南昌 330096；2.南昌大学信息工程学院，江西 南昌 330031；3.国网江西省电力公司抚州供电公司，江西 抚州344000）

介绍了应用于低压配电网三相四线系统的电力电子动态有源补偿装置，分析了基波正序电流分量检测方法的基本原理，利用此种控制方式的配电网有源补偿装置在谐波、无功、三相不平衡方面的补偿特性。在Matlab/Simulink环境下仿真证明此种检测方法的可行性和对三相负载不平衡情况下的良好补偿特性，尤其是在三相电压不平衡的情况下，最后通过开发样机证明了此种理论在补偿配电台区无功情况下的有效性。

有源补偿装置；电压不平衡；低压配电台区：电力电子

Abstract:The power electronic dynamic active compensation device applied to three-phase four-wire system of low-voltage distribution network was introduced，the basic principle of detection method was analyzed for fundamental positive-sequence current component as well as the compensation characteristics of active compensation device of power distribution network using the control mode in harmonic wave，reactive power and three-phase unbalance，the feasibility of the detection method and the good compensation characteristics to three-phase load unbalance with simulation demonstration under Matlab/Simulink environment were certified，especially under the condition of threephase voltage unbalance.Finally，the effectiveness of the theory in reactive power of compensation distribution station area via development prototype is proved.

Key words:active compensation device；unbalanced voltage；low-voltage power distribution station area；power electronics

伴随居民用电的突增，单相家用电器负荷功率越来越大，居民用电负荷的随机性、季节性突出，造成部分配电台区无功及三相不平衡的问题严重。

单相负荷过大、无功补偿不能实时准确补偿造成单相低电压问题；三相负荷不对称引起三相电压不平衡，从而造成配电系统三相电压中性点偏移；增加线路、变压器的损耗，零序电流及单相负荷过大常常引起变压器过负荷运行，尤其是夏天严重威胁配电网和电气设备的安全运行和正常使用。

目前电力公司解决三相不平衡问题主要通过长期监测配电台区的功率分布情况，采取人工或者智能开关换相方式达到负荷的基本平衡。因上述2种方法严重影响用户供电可靠性，因而新型电力电子装置有源补偿装置（active power electronic compensation device）可以对电网谐波、无功、负序、零序电流进行有效补偿，实现对电网的净化，成为解决低压配电网的有效手段之一。在配电网中，将中小容量的动态补偿装置分布安装在某些电能质量问题突出的配电台区变压器出口位置，尤其在因为三相负荷严重不平衡引起电压不平衡等严重情况下，依然可以明显改善负荷和公共电网连接点的电能质量，提高功率因数、治理谐波、降低损耗、平衡三相电流、解决单相高、低电压等问题［1］。

ip-iq瞬时无功检测方法是上世纪提出的实时检测算法，目前大量应用于APF，SVG等电力电子装置［2-3］。针对其算法实时检测电气量较多，计算量较大，造成CPU资源不足，本文应用更为简单的基波正序电流法。目前哈尔滨理工大学［4-5］、山东大学［6-7］、哈尔滨工业大学、湖南大学［8］等国内高校、研究院所［9］及国外期刊文献［10-11］对该方法进行了仿真研究及实验室验证，但对该方法的研究大部分都是在理想电压情况下进行的，在谐波、无功、三相不平衡补偿方面进行了尝试性实验研究论证，并没有对因单相负荷严重不平衡造成电压不平衡的情况进行研究。

本文应用Matlab/Simulink软件，针对目前配电网常见的三相电压不平衡情况，对谐波、无功、三相不平衡情况进行了仿真研究。通过仿真证明采用此种检测方法的有源补偿装置在解决电能质量问题具有较好的动态补偿效果，同时为后续开发装置及深入研究提供了理论基础。

1 基波正序有功电流控制的有源补偿装置

本文的有源补偿装置控制方案，采用直接控制基波正序有功电流的方式，减少了检测的电气量，降低了CPU运算量。

1.1 基波有功电流控制的有源补偿装置拓扑结构

图1所示为有源补偿装置主回路的原理图。由图1可知，有源补偿装置的主回路主要是由三桥臂功率开关、滤波电抗器、电容组成。对于三相四线系统，当三相负载不平衡时，a，b，c三相电流中包含了正序、负序、零序电流分量。零序电流分量通过主回路采用分裂电容结构的有源补偿装置，直流侧电容的中性点与零线相连，以此来消除零序电流。

图1 有源补偿装置主回路拓扑结构Fig.1 Topological structure of main circuit for active compensation device

1.2 基波正序电流控制的有源补偿装置原理

负荷越大，则该相电压越小；负荷越小则该项电压越大。三相四线制系统对称分量法都可以分解为幅值相等、相位差120°的正序及负序分量，也就是说不管负荷如何变化，基波正序分量都是相等的。

对有源补偿装置来说，瞬时无功功率不会引起直流侧与交流侧间的能量交换。如果不考虑器件的损耗，则直流侧瞬时有功功率全部来自交流侧基波有功电流，从而直流侧与交流侧的能量交换取决于瞬时基波有功功率的大小。

图2所示为有源补偿装置基波有功电流检测方法的控制原理图。

图2 基波正序有功电流检测算法原理图Fig.2 Diagram of detection algorithm for fundamental positive-sequence active current

如图2所示，电压控制环中，UCref为直流侧电容电压的设定值，UC为直流侧电容电压的瞬时值，两者的差值ΔUC则为电压的控制量，经过PI调节后得到有功电流幅值Im。三相电源电压同步的单位正弦信号与有功电流幅值相乘得到三相电流的设定值。设定信号和实际电流is的差值Δis，经过滞环比较器得到6路脉冲触发信号。

电容电压和电容电流具有下式的动态关系：

式中：u(0)为初始时刻的电压；i(t)为电容电流。

式中：udc0为设定值，在仿真中udc0=720 V；udc(t)为电容电压的实际值。

根据能量平衡的原理，直流侧电压的稳定是通过PI调节有功电流对电容充放电的过程。直流侧电容的有功电流设为i(t)，由式（3）可知，通过PI调节后就能获得有功电流幅值Im，其表达式为

式中：Um为峰值电压；Us为三相电网电压。kp为比例系数；ki为积分系数。

对式（4）两边求导数，对于任意系统来说，有功电流都是常量，而Im为有功电流的幅值，所以此时Im为一常数，因而求得导数为0，即

解得：

式中：a为常数。

当t趋近于无穷大时，Δudc无限趋近于零。由此可见，有源补偿装置直流侧电容电压都能够达到稳定，证明了此种控制方案的可行性。

当三相电压平衡时，通过实时检测三相电压，与最大值相除即为三相单位正弦信号。

式中：Usa，Usb，Usc为三相电压。

当三相电压不一致即三相电压幅值不相等时，通过变比计算台区电压基准电压，然后通过三相电压与计算电压相除计算得到相应数值。

式中：Usa，Usb，Usc为三相电压；Umref为台区出口电压原始电压基准值；a，b，c为相除后的值，其中a，b，c根据各项电压值的高低，结果大于1或者小于1。

2 仿真分析

根据上述分析，对采用直接控制基波正序电流方式的有源补偿装置，在Matlab/Simulink环境下分别进行仿真，基波正序电流检测方法采用电容分裂法对谐波、无功、不平衡的补偿效果进行分析。

仿真系统的基本参数为：系统电源电压us= 200 V，直流侧电容C=3 300 μF；电容电压的设定值UCref=720 V；滞环比较器的环宽0.5 A，输出电感值L=0.5 mH；负载侧Rdc=10 Ω，Ldc=10 mH；A相负载20 Ω，0.5 mH；B相负载2 Ω，0.5 mH；C相负载2 Ω，0.5 mH。

图3为三相电流的过渡曲线。根据上述参数，图3中，在三相四线不平衡负载系统中，有源补偿装置投入前明显可看出三相电流中含有大量无功及谐波电流，其中A相负载最大，B，C两相负荷小。

图3 三相电流的过渡曲线Fig.3 Transition curves of three-phase current

图4为三相电压的过渡曲线。通过图4可以明显看出因为负荷的严重不平衡造成三相电压出现电压不平衡现象，其中最高与最低电压差距为30 V左右。装置在0.04 s投入基于基波正序电流方法的有源补偿装置。

图4 三相电压的过渡曲线Fig.4 Transition curves of three-phase voltage

图5为A相电压与电流的过渡曲线。由图5可以明显地看出装置投入前A相电流存在谐波及无功电流，装置在0.04 s时投入，其中图中虚线时刻为投入的瞬间，A相电压、电流大约在不到一个电网周波的时间内完全同步，由此可以分析得出无功完全补偿，同时三相电流趋于平衡，三相电压也慢慢趋于平衡状态。图6为逆变器三相输出电流波形，在装置刚投入后不到1个周波趋于稳定状态。

图5A相电压与电流的过渡曲线Fig.5 Transition curves ofA-phase voltage and current

图6 逆变器输出三相电流波形Fig.6 Three-phase current waveforms of inverter output

图7为补偿后三相电流谐波含有量，补偿之后THD为1.57%。

图7 有源补偿装置补偿后电流波形频谱图Fig.7 Spectrogram plot of current waveformsafter active compensation

图8为零序电流在有源电力补偿装置投入前后对比图，可以明显看出投入前，零序电流峰值高达100A，补偿之后零序电流接近0A。

图8 零序电流的曲线Fig.8 The curve of zero-sequence current

3 开发样机实验

3.1 硬件设计

参照图1三相四线制有源补偿装置结构图开发样机，实验的基本参数为：三相电压为线电压380 V，采用英飞凌FF450R17ME4，电解电容10 000 μF/450 V，直流侧电压750 V，滤波电抗器2 mH。采用3桥臂分裂电容拓扑结构，通过PORE软件，将实物按1∶1的比例设计，从而有效解决了空间问题，使内部部件得到优化布局，如图9所示。

图9 柜内设备三维设计视图Fig.9 Three-dimension design view of equipment in the cabinet

3.2 软件设计

有源补偿装置采用DSP+FPGA核心控制器，通过AD采样负荷电流、逆变器输出电流、网侧电压数据，采样频率8 kHz，每一个电网周波160个点。

装置投入后首先进入升压、稳压模式，待直流侧电压在电压升高至620 V时，切除并网电阻，继续升压直到电压稳定到750 V，电压稳定之后进入逆变输出模式，核心控制器通过采集数据进行相应的计算，从而反向补偿，达到净化电网的目的。

3.3 无功补偿实验

装置进行无功补偿实验，其中阻感负载中电阻为11Ω，电感值为30 mH。

图10所示为补偿前电流、电压相位波形和功率因数。

由图10可知，三相电压平衡，补偿前功率因数为0.76，当有源电力补偿装置投入运行之后，各相电压与电流保持同相位，功率因数为0.99，且三相平衡，各相系统侧电流明显下降，无功电流基本上被补偿，完全满足工业要求，如图11所示。

图10 补偿前的电流电压相位波形和功率因数Fig.10 The diagram of voltage and current and power factor before compensation

图11 补偿后的电流电压相位波形和功率因数Fig.11 The waveforms between voltage and current and power factor after compensation

4 结论

本文采用结构简单的基波正序电流控制有源补偿装置，通过Matlab/Simulink进行仿真。实验表明，在电压发生严重不平衡的情况下，采用不检测无功量的有源补偿装置同样能达到补偿谐波、无功、零序电流的目的。同时通过开发样机，证明其在无功补偿方面的可行性，为后续开发其他功能奠定了基础。实验证明：均衡了三相电压、三相负荷电流不平衡度，满足了标准要求，降低了变压器的损耗，同时也验证了其补偿无功效果的可行性，证明该方法有广阔的使用前景。

［1］范瑞祥，邓才波，徐在德，等.基于RTDS的有源电力滤波器实物控制器闭环仿真技术［J］.电力系统自动化，2014，38（21）：104-107．

［2］邢姗姗，田素立，王振华，等.光伏MPPT系统电压控制器的优化设计［J］.电力系统保护与控制，2016，44（12）：114-118.

［3］张海鹏，林舜江，刘明波，等.低压配电网无功补偿及效益评估系统的开发及应用［J］.电力系统保护与控制，2016，44（4）：129-136.

［4］刘勇超，葛兴来，冯晓云.两电平与三电平NPC逆变器单桥臂故障重构拓扑SVPWM算法比较研究［J］.中国电机工程学报，2016，36（3）：775-783.

［5］周静，边海峰，贾晨，等.基于分布的含DG配电网实时无功优化［J］.电力系统保护与控制，2015，43（23）：117-124.

［6］梁莹玉，刘建政，许杏桃，等.基于电源电流和负载电流的前馈加反馈的三相四线制APF控制策略［J］.电力自动化设备，2015，35（1）：94-100.

［7］周晨，郑益慧，王昕，等.基于双闭环控制器的电容分列式三相四线制DSTATCOM控制方法［J］.电力自动化设备，2014，34（8）：114-121.

［8］刘骥，魏新劳，徐在德，等.源侧电流检测的DSTATCOM控制策略［J］.电机与控制学报，2012，16（1）：56-61.

［9］付伟，刘天琪，李兴源，等.静止无功补偿器运行特性分析与控制方法综述［J］.电力系统保护与控制，2014，42（22）：147-153.

［10］庄述燕.基于逆系统方法的带SMSE的静态无功补偿器的RBF滑模控制研究［J］.电力系统保护与控制，2013，41（3）：91-95.

［11］杨培宏，刘文颖，魏毅立，等.基于自适应逆推变结构方法的非线性励磁控制［J］.电力系统保护与控制，2012，40（20）：125-129，144.

［12］吴忠强，庄述燕，马宝明，等.基于逆系统方法的并网逆变器自适应模糊滑模控制研究［J］.电力系统保护与控制，2011，39（24）：1-7.

［13］丁理杰，杜新伟，周惟婧.SVC与STATCOM在大容量输电通道上的应用比较［J］.电力系统保护与控制，2010，38（24）：77-81，87.

［14］郑连清，池俊锋，陆治国.基于模糊-PI控制的SVC电压控制器的设计与实现［J］.电力系统保护与控制，2011，39（23）：117-122，127.

［15］陈娇英，李啸骢，李文涛，等.基于自适应Backstepping的SVC鲁棒性能控制设计［J］.电力系统保护与控制，2011，39（17）：40-44，69.

Research on Compensation Characteristics of Positive-sequence Active Compensation Device Under Voltage Unbalance

XU Zaide1，FAN Ruixiang1，WANG Wenbin1，ZOU Jin1，LIU Zhuorui2，DONG Qingyuan3
（1.Department of Electrical Technology，State Grid Jiangxi Electric Power Research Institute，Nanchang330096，Jiangxi，China；2.School of Information Engineering，Nanchang University，Nanchang330031，Jiangxi，China；3.State Grid Fuzhou Electrical Power Supply Company，Fuzhou344000，Jiangxi，China）

TM464

A

10.19457/j.1001-2095.20170914

基于动态智能补偿及谐波治理技术的新型配电变压器研究与应用（521820150008）

徐在德（1984-），男，高级工程师，Email：xuzaidexuzaide@163.com

2016-08-12

修改稿日期：2016-10-23