隨著人類社會的不斷發(fā)展和科學技術的進步，能源結構不斷升級優(yōu)化，電能已經(jīng)成為現(xiàn)代社會使用最為廣泛的能源形勢。電力系統(tǒng)作為電能的載體，承擔著發(fā)電、變電、輸電、配電和用電等職責，其中配電系統(tǒng)的作用是將電能分配給用戶[1]。
本文轉載自“亞洲電能質(zhì)量聯(lián)盟”，作者：雷萬鈞 陳明鋒，轉載請注明來源。
伴隨著國民經(jīng)濟生活水平的提升，配電系統(tǒng)愈發(fā)龐大、復雜。同時由于電子電子裝置等非線性裝置的廣泛應用，使得配電網(wǎng)的電能質(zhì)量問題也愈發(fā)引起學術界和工程界的關注[2,3]。其中諧波作為電能質(zhì)量的重要指標也成為國內(nèi)外學者研究熱點。
近年來，配電網(wǎng)諧波諧振問題的研究已經(jīng)成為學術界的熱點之一。諧波在配電網(wǎng)里傳播發(fā)生諧振，導致電網(wǎng)電壓諧波含量超標，甚至使諧波敏感型裝置和傳輸線路燒毀。然而由于配電網(wǎng)系統(tǒng)的復雜性和特殊性，即使電力電子裝置產(chǎn)生的諧波滿足國家標準，但當諧波頻率與線路中的寄生電感和寄生電容的固有諧振頻率滿足一定條件時，會致使諧波發(fā)生諧振現(xiàn)象，使得線路中很小的諧波電流和諧波電壓就會因諧振被放大幾十倍甚至更高[4]。
針對配電網(wǎng)諧波諧振問題，HirofumiAkagi教授首次提出在配電網(wǎng)中安裝有源濾波器（ActivePowerFilter,APF），并通過控制策略將其控制成“電阻”，即阻性有源濾波器（ResistiveActivePowerFilter,RAPF），來阻尼諧波諧振，提高配電網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量，使得配電網(wǎng)運行環(huán)境安全可靠。
本文主要針對包括RAPF控制策略研究、RAPF阻值和安裝位置對諧波抑制的研究等方面展開全面綜述。
1阻性有源濾波器控制策略研究
1.1單機阻性有源濾波器控制策略
在1994年，日本6.6kV等級的配電系統(tǒng)中出現(xiàn)嚴重的諧波污染問題，配電網(wǎng)中5次諧波含量嚴重超標，K.Oku教授發(fā)表論文對這一現(xiàn)象進行了全面的闡述[5,6]。
在1999年，日本學者AKAGI教授針針對上述現(xiàn)象以集中參數(shù)模型分析了配電網(wǎng)諧波污染問題，并且首次提出阻性有源濾波器（RAPF），即將APF在諧波頻點上控制成電阻來抑制諧波[4]，此時APF對外電路特性為：在諧波頻點段呈現(xiàn)一個小電阻特性，在基波頻點呈現(xiàn)一個大電阻特性。
圖1是AKAGI教授提出的阻性有有源濾波器接入配電網(wǎng)的整體系統(tǒng)框圖，RAPF首先檢測端口電壓va,vb,vc，經(jīng)過旋轉坐標變化和高通濾波器將基波分量濾除，再經(jīng)過旋轉坐標反變換得到端口諧波電壓分量v’a,v’b,v’c，然后乘上系數(shù)KV如式1所示，生成諧波電流指令i*har_a,i*har_b,i*har_c；檢測直流側電容電壓生成基波電流指令i*fun_a,i*fun_b,i*fun_c，然后兩者相加作為指令電流，與實際電流比較，經(jīng)過P控制器再與三角波比較生成PWM信號發(fā)送給變流器。
圖1RAPF整體系統(tǒng)框圖
如果有源濾波器的電流環(huán)增益足夠大（即實際電流始終能夠無差跟蹤指令電流），可以將APF視作理想電流源，當APF滿足式（1）時，APF對外電路表現(xiàn)為諧波頻點處的電阻特性（即RAPF）。
文獻[4]雖然通過提出RAPF對諧波進行抑制，但該文獻并沒有詳細描述諧波如何在配電網(wǎng)中傳播，RAPF如何對諧波進行抑制以及RAPF對外存在相位延時問題。
針對基于P控制的RAPF對外存在相位延時問題，文獻[7]提出了一種全數(shù)字控制的阻性有源電力濾波器裝置，解決了時間和相位上的延遲問題所帶來的不良影響，在工程上具有一定的實用價值。
為了進一步研究配電網(wǎng)諧波諧振問題，文獻[8]通過建立基于分布式參數(shù)模型的射線型配電網(wǎng)的諧波電壓分布方程分析了上述諧波污染現(xiàn)象的原因，并且解釋了“打地鼠現(xiàn)象”：RAPF安裝點處的諧波得到抑制，其他點處的諧波電壓卻被放大。另外還分析了當RAPF安裝在線路末端時，RAPF對外最優(yōu)阻值的選取。但該文獻研究的前提是線路參數(shù)已知的前提下進行，一旦線路參數(shù)未知或者發(fā)生變化，RAPF很難達到最優(yōu)的諧波抑制效果。
針對實際線路參數(shù)的不確定性，無法做到與線路阻抗相匹配而導致RAPF的諧波抑制效果達不到最佳的問題，一種阻值自適應的阻性有源電力濾波器控制策略被提出，該方法在一定程序上解決了阻尼電阻取值與系統(tǒng)參數(shù)不匹配的問題[9,10]，該方法本質(zhì)上是自動調(diào)節(jié)對外阻值達到輸出阻抗與線路阻抗匹配的結果。
文獻[11]提出離散頻點阻性有源電力濾波器來提高針對特定頻點的諧振抑制效果，該方法通過旋轉坐標變化能夠只在特定頻點處呈現(xiàn)電阻特性，有效避免線路阻抗與RAPF阻值不匹配的問題。
為了提供用戶安全可靠的電能，環(huán)型結構的配電網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡開始受到關注。一些文獻基于環(huán)型配電網(wǎng)系統(tǒng)對諧波抑制進行了研究。
文獻[12]基于環(huán)型配電網(wǎng)提出一種新的建模方式，并且根據(jù)環(huán)型配電網(wǎng)的特性，提出一種安裝在環(huán)型配電網(wǎng)中間點的新的APF控制策略，該控制策略將APF模擬成無限長傳輸線，對線路中的諧波擴散起到了抑制效果。
文獻[13]基于環(huán)型配電網(wǎng)結構下，提出了一種包含無源濾波器和有源濾波器的阻抗變流器，通過將該阻抗變流器模擬成無限長輸電線路，達到消除反射波和諧波諧振抑制的目的。
1.2多機阻性有源濾波器控制策略
單機阻性有源濾波器對配電網(wǎng)諧波抑制具有一定效果，但為了進一步提高配電網(wǎng)諧波抑制效果，文獻[14]對基于分布式參數(shù)且含有多個RAPF的射線型配電網(wǎng)進行建模，并且分析了多臺RAPF共同工作的工況，該方法能夠有效提高了對諧波的抑制效果，但由于增加了RAPF的數(shù)量，導致系統(tǒng)愈發(fā)復雜，且增加了諧波抑制成本。
文獻[15]將下垂控制應用于多臺離散頻點阻性有源濾波器的控制中，相對于多臺RAPF之間實時通信的方式，能夠更加快速動態(tài)調(diào)節(jié)多臺RAPF的輸出來維持線路中的電壓畸變率，但該方法增加了控制的復雜度。
2RAPF阻值和安裝位置
對諧波抑制的研究
一些文獻對于RAPF阻值和安裝位置對諧波抑制進行了研究。文獻[16]針對諧波源以電壓源的形式向配電網(wǎng)注入諧波的工況，基于分布式參數(shù)的配電網(wǎng)傳輸線方程，分析討論了RAPF的安裝位置與諧振抑制效果的關系，并且指出了在該工況下，RAPF的最優(yōu)安裝位置，然而該方法更多地依賴于配電網(wǎng)中裝置部署約束條件。
文獻[17]提出一種基于配電網(wǎng)系統(tǒng)電壓和電流傳輸矩陣的分析方法來決定在多節(jié)點的配電網(wǎng)最佳的APF安裝位置以達到最優(yōu)補償效果。
3仿真分析
本次仿真基于如下工況：電網(wǎng)側不存在諧波源，在BUS5節(jié)點接入二極管整流負載（用于模擬諧波電流源），用9個節(jié)點來模擬9km的長直輸電線路，RAPF裝置安裝在線路末端。