1、基f有源电力滤波器的无功补偿装置设计 电工电气 (2010 No6) 基于有源电力滤波器的无功补偿装置设计 蒲晓羽 (广东江门供电局，广东江f1 5 29000) 摘要：为了提高电能质量，降低电网污染治理的成本，设计了一个采用晶闸管分相投切电容器补偿 基波和部分基波负序功率，并采用有源电力滤波器(APF)补偿谐波、无功功率和部分基波负序功率的电 能质量综合补偿装置。介绍了该装置的硬件拓扑结构、主电路设计、谐波检测方法、控制策略、控制器 硬件设计，通过实验表明，该装置中APF能有效抑制电网中的谐波。 关键词：无功补偿装置；有源电力滤波器；实验；设计 中图分类号：TI7143 文献标识码：A 文章
2、编号：10073175(2010)06001705 Design of Var Compensator Based on Active Power Filter PU Xiaoyu (Guangdong Jiangmen Power Supply Bureau，Jiangmen 529000，China) Abstract：In order to improve power quality and reduce the cost of treating measures for electric harmonic pollution，a kind of power quality compre
3、hensive compensation device was designed，compensating fundamental wave power and some part of power about negative sequence fundamental wave power by using thyristor to switch capacitor and using active power filter(APF)technology to compensate har。 monies，reactive power and some part of power about
4、 fundamental wave negative sequence powerIntroduction was made to the devices topological structure of hardware，design of the main circuit，methods of harmonic detection，control strategies，hardware design of the con trollerAPF ofthe device for power harmonics suppression has been verified by experime
5、nting Key words：var compensator；active power filter；experiment；design 0引言 在谐波含量较高的配电网中，对无功功率补偿 有着严格的要求。目前电力系统中无功补偿大都是 采用机械开关控制的电容器投切，谐波补偿大多采 用无源滤波装置，负序治理的工作尚未大范围开 展。另外，无功补偿、负序电流补偿、谐波抑制是 分别单独地进行的。由于不是按统一的数学模型综 合地进行治理，常出现顾此失彼的情况，且响应速 度慢、经济性差、安装维护工作量大，妨碍了电网 污染治理工作的顺利进行“ 。因此，本设计是通 过晶闸管分相投切电容器(TSC)补偿基波和部
6、分基 波负序，通过小容量的有源电力滤波器(APF)补偿 谐波和部分基波负序解决问题。 在实际应用中，有源部分和无源部分由一台工 控机统一控制，共用一套检测系统，无源部分首先 动作，待基波无功功率基本补偿之后，有源部分再 补偿剩余的谐波电流、无功电流和负序电流，使补 偿后的电源电流中只含有基波有功电流。 l 电能质量综合补偿装置硬件拓扑结构 图1为电能质量综合补偿装置硬件拓扑结构 图。电压变送器、电流变送器将接入母线上的电压 互感器和电流互感器输出的电压、电流信号分别 转换成弱电压、弱电流信号，其中，同一相的电 流和电压信号需要同步采集，然后将得到的电压 信号和电流信号传送到APF控制器，由控制
7、器内数 据采集环节测量并由双DSP计算出总补偿电流 和 并从补偿电流中分离出基波分量 和 作为晶闸管分相投切电容器的补偿控制 量，而将剩余谐波及负序分量 = 一 ， = ， = 一 作为有源滤波器的补偿控制量。APF控制 作者简介：蒲晓羽(1978一)，男，：程师，硕士，从事变电运行工作。 一17 基于有源电力滤波器的无功补偿装置设计 电工电气 (2010 No6) 图5为电流源等效电路。 上 ，J1 图4低通滤波器的结构示意图 跌落、闪变、谐波情况下的补偿值。基于瞬时无功 功率理论的瞬时空问矢量法简单易行，性能良好。 本装置使用该算法。 图5电流源等效电路 LL-1C：1194 8 X 10
8、 2 CL=2210 (2) ：2122 210 其中， 主要是逆变器等效内阻，假设为O8Q (该电阻大小可根据IGBT的伏安特性来确定)，可 得：L =042l0 H，L=12810 H，C=174 10 F 3谐波检测方法 在电能质量调节器的工作过程中，检测是一个 关键环节。只有准确无误地检测出电压或电流中的 畸变量，才能得到准确的参考电压值。常见的检测 算法有以下几种：低通滤波器提取基波分量法、基 于FrY Z e时域分析的有功电流分离法、基于频域分 析的FFT法、自适应检测法等。 基于瞬时无功功率理论的瞬时空间矢量法是目 前应用最广的一种检测方法，经过不断改进，它包 括Pq法、ip-
9、法以及 q法。其中，Pq法适用 于电网电压对称且无畸变情况下谐波电流的检测； ip- 法不仅在电网电压畸变时适用，在电网电压 不对称时也同样有效；而基于同步旋转坐标变换的 d一日法在检测电流时，可在电网电压不对称、畸变 情况下精确地检测出谐波电流。当dq法用于检测 电压时，可以有效地检测出三相电压不对称、电压 4控制策略 有源滤波器的基本构成如图6所示。 二= 图6有源滤波器的基本构成 有源滤波器的控制器由两部分组成：(1)控制 PWM放大器获得需要频率和波形的谐波电流，称为 内环控制器I；(2)根据检测的谐波电流以及经验 知识，再通过某些控制算法，获得控$1jp WM放大器 的的控制参考量，
10、实现该功能的控制器称为外环控 制器II。 图6中可以看出，由谐波电流检测单元获取补 偿电流 ，经控制器II求得控制参考量 ，再由 控制器I控制PWM放大器将辅助电源中的电能转变 为所需频率和波形的谐波电流 ，经输出变压器 注入电力线路 。 5控制器硬件设计 51控制器结构 控制器结构框图如图7所示。逆变器根据相应 的检测算法和控制策略发出PWM波形，经 低通滤 波器滤除高次谐波，经变压器耦合到系统中，串联 一19 电工电气(2010 No6) 基于有源电力滤波器的无功补偿装置设计 型电能质量调节器相当于一个受控电压源，按照控 制目标发出相应的补偿波形。 控制系统在APF中的基本结构 图7控制器
11、结构框图 52控制器硬件结构 控制器硬件总体框图如图8所示。对于三相串 联型电能质量调节器，需采集三相系统电压、三相 负荷电流、串联型电能质量调节器实际输出电压和 电流、直流侧电压等信号，为使该控制器在采集通 道更多的UPQC中也能运用，还预留了一些模拟信号 通道，硬件上总共留有l8路模拟信号通道。 这18路模拟信号直接从电流、电压传感器接 入，经过数据采集和处理模块后，通过数据交换 模块，将关键的PWM脉宽等数据传给PWM底层控制 模块；该模块产生的PWM信号经过驱动模块输出至 IGBT的栅极，控制功率开关器件的通断，IGBT模块 虽然已白带保护功能，但为了使保护更可靠，还对 它的保护功能进
12、行了扩展。 模 信 蓬垂 薹踅 I 图8控制器硬件总体框图 6 APFb偿谐波电流的实验 至 继电器 IGBT 栅极 实验系统的结构图如图9所示。图中系统指含 有谐波电流的电源。 一20一 图9实验系统结构图 图10至图13为单相系统电流在补偿前和补偿后 的电流波形和频谱图，该图形为泰克示波器TDS210 记录并分析得来的结果。表l为补偿前后的各次谐 波电流分析结果。 罂 粤 tms 图1 0补偿前系统电流波形 谐波次数次 图11补偿前系统电流频谱 基于袁源电力滤波器的无功补偿装置设计 电工电气 (201 0 No6) 趔 媛 蜒 tmS 图12补偿后系统电流波形 谐波次数次 图1 3补偿后系
13、统电流频谱 表1补偿前后的各次谐波电流分析结果 对比补偿前和补偿后的系统电流，证明并联型 有源电力滤波器在治理电流型谐波源方面有非常明 显的效果。 图14至图17为控制器采样结果，即三相电流经 电流传感器采样后通过一个二阶低通滤波器得到 的结果，其中滤波器截止频率为5 kHz，采样频率为 10 kHz。从图中可以更清楚的看到AP 偿的过程。 蚓 蟋 删 O 0004 0008 0012 0016 0020 tms 图14三相补偿电流 c 、 cB、 cc 兽 、 蚓 粤 0 0004 0008 0012 0016 0020 tms 图1 5三相指令电流 矗 ； 0 0004 0008 00l2
14、 0016 0020 t ms 图1 6三相负荷电流 Lc 图1 7补偿后三相系统电流 、 sB、 sc 综合实验研究结果，并联APF主电路的设计和 控制电路的设计都是成功的，在上述理论下研制出 来的并联型有源电力滤波器在实际应用中发挥了应 有补偿谐波电流的作用，具有实用性，可广泛应用 于工程实际中。 7结语 应用谐波、负序、无功的综合治理技术，从新 的综合治理理论出发，采用无源和有源相结合的混 (下转第33页) 一21一 O 加 的 0 如加0加踟 加 0 加 基于CDMA嘲络的无线技术在配电监控系统中的应用 电工电气 (2010 No6) (2)远程控制。可以在监控主机或者远程的工 程师站
15、对现场的各种配电元件进行操作，点击界面 对象方便实施远程操作、设备定值管理。 (3)报警故障。如果现场发生报警或者故障， 系统可以通过多种方式(如语音、图形闪烁、短信 息等)将当前状态和故障原因通知值班人员，并且 帮助维修人员快速排除故障。 (4)历史数据。系统包含一个历史数据库，用 于存储指定变量长时间的变化趋势，方便用户对现 场情况进行分析。 (5)数据库记录。系统可对各种报警、故障以 及操作进行记录，并通过ODBC接口存储到各种通用 数据库中。并通过系统数据库提供包括各种数据报 表、曲线分析、事件记录和设备维护信息等方面的 完善管理功能。 4采用CDMA网络无线技术的配电监控系 统的主要
16、优缺点 对比传统的基于有线通信的配电监控系统，基 于CDMA网络的无线配电监控系统主要具有如下优 点： (1)成本低。省去了架设电缆等相关费用，而 所采用的DTU等设备价格相对便宜；对于数据流量 可采用流量包月的方式，费用也比较便宜。 (2)建设工程周期短。由于无需架设电缆或挖 掘电缆沟，工程周期大大缩短。 (3)适应性好。特别是面对布线困难的地方， 比如遇到山地、湖泊、林区等特殊的地理环境。 (4)扩展性好。即使在系统投入运行后，增加 设备也无需重新布线，只需要对相应设备、软件进 行设置、调整。 (5)设备维护上更容易实现。出现故障时，无 需检查线路，就能快速找到故障点。 当然采用CDMA网
17、络无线技术的配电监控系统也 存在一定的缺点： (1)可靠性上对比传统的基于有线通信的系统 存在一定的不足。 (2)受CDMA网络运营商影响比较大，碰到运营 商网络维护等情况，有可能造成系统工作不稳定。 (3)延时比现场总线的监控系统要来得长。 CDMA网络存在12 S的传输延时，也就是从CDMA DTu端发送的数据包将大致在l2 S后到达数据 中心。 5展望与前景 目前，基于CDMA网络的无线配电监控系统已经 在配电自动化工程中得到了一定程度的应用，特 别是针对现场设备分散、传输距离远、布线困难的 场合，能可靠地实现“四遥”功能，具有一定的市 场应用前景。同时，我们也看CDMA网络的无线配 电
18、监控系统存在着或多或少的问题，希望在CDMA网 络运营商、设备制造商以及系统集成商的多家努力 下，这些问题能得到解决，以利于这种网络在配电 监控领域的大范围推广应用。 参考文献 1庞博GPRs通信的配电监控系统J内蒙古电力技 术，2006，24(21)：1517 2王文博时分双工cDMA移动通信技术 北京：北 京邮电大学出版社，2001 收稿日期：20100407 (上接第21页) 合方法，集所有电网污染源(谐波、负序、无功)的 治理于一身，对所有污染同时进行治理。这对于提 高电能质量、提高电力系统运行安全、提高电网经 济效益、降低污染治理的成本、提高电网污染治理 的有效性无疑具有重要的理论上和实践上的意义。 参考文献 1张代润有源电力滤波技术研究的新进展J电工 技术，2000，21(7)：47 2查晓明统一电能质量调节器(UPOC)的理论研究及 其实现D武汉：武汉大学，2001 3吴洪洋，何湘宁级联型多电平变换器PWM控制 方法的仿真研究J中国电机_L程学报，2001， 21(8)：4246 4吴洪洋，何湘宁高功率多电平变换器的研究和应 用J电气传动，2000，21(2)：7 12 收稿日期：2010 0305 33
