隨著人類社會(huì)的不斷發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，能源結(jié)構(gòu)不斷升級(jí)優(yōu)化，電能已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)使用最為廣泛的能源形勢(shì)。電力系統(tǒng)作為電能的載體，承擔(dān)著發(fā)電、變電、輸電、配電和用電等職責(zé)，其中配電系統(tǒng)的作用是將電能分配給用戶[1]。
本文轉(zhuǎn)載自“亞洲電能質(zhì)量聯(lián)盟”，作者：雷萬(wàn)鈞 陳明鋒，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來(lái)源。
伴隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)生活水平的提升，配電系統(tǒng)愈發(fā)龐大、復(fù)雜。同時(shí)由于電子電子裝置等非線性裝置的廣泛應(yīng)用，使得配電網(wǎng)的電能質(zhì)量問(wèn)題也愈發(fā)引起學(xué)術(shù)界和工程界的關(guān)注[2,3]。其中諧波作為電能質(zhì)量的重要指標(biāo)也成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究熱點(diǎn)。
近年來(lái)，配電網(wǎng)諧波諧振問(wèn)題的研究已經(jīng)成為學(xué)術(shù)界的熱點(diǎn)之一。諧波在配電網(wǎng)里傳播發(fā)生諧振，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓諧波含量超標(biāo)，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(fù)雜性和特殊性，即使電力電子裝置產(chǎn)生的諧波滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，但當(dāng)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(shí)，會(huì)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(huì)因諧振被放大幾十倍甚至更高[4]。
針對(duì)配電網(wǎng)諧波諧振問(wèn)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(guò)控制策略將其控制成“電阻”，即阻性有源濾波器（ResistiveActivePowerFilter,RAPF），來(lái)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(yùn)行環(huán)境安全可靠。
本文主要針對(duì)包括RAPF控制策略研究、RAPF阻值和安裝位置對(duì)諧波抑制的研究等方面展開(kāi)全面綜述。
1阻性有源濾波器控制策略研究
1.1單機(jī)阻性有源濾波器控制策略
在1994年，日本6.6kV等級(jí)的配電系統(tǒng)中出現(xiàn)嚴(yán)重的諧波污染問(wèn)題，配電網(wǎng)中5次諧波含量嚴(yán)重超標(biāo)，K.Oku教授發(fā)表論文對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了全面的闡述[5,6]。
在1999年，日本學(xué)者AKAGI教授針針對(duì)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(wèn)題，并且首次提出阻性有源濾波器（RAPF），即將APF在諧波頻點(diǎn)上控制成電阻來(lái)抑制諧波[4]，此時(shí)APF對(duì)外電路特性為：在諧波頻點(diǎn)段呈現(xiàn)一個(gè)小電阻特性，在基波頻點(diǎn)呈現(xiàn)一個(gè)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(cè)端口電壓va,vb,vc，經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變化和高通濾波器將基波分量濾除，再經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)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(cè)直流側(cè)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(shí)際電流比較，經(jīng)過(guò)P控制器再與三角波比較生成PWM信號(hào)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(shí)際電流始終能夠無(wú)差跟蹤指令電流），可以將APF視作理想電流源，當(dāng)APF滿足式（1）時(shí)，APF對(duì)外電路表現(xiàn)為諧波頻點(diǎn)處的電阻特性（即RAPF）。
文獻(xiàn)[4]雖然通過(guò)提出RAPF對(duì)諧波進(jìn)行抑制，但該文獻(xiàn)并沒(méi)有詳細(xì)描述諧波如何在配電網(wǎng)中傳播，RAPF如何對(duì)諧波進(jìn)行抑制以及RAPF對(duì)外存在相位延時(shí)問(wèn)題。
針對(duì)基于P控制的RAPF對(duì)外存在相位延時(shí)問(wèn)題，文獻(xiàn)[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(shí)間和相位上的延遲問(wèn)題所帶來(lái)的不良影響，在工程上具有一定的實(shí)用價(jià)值。
為了進(jìn)一步研究配電網(wǎng)諧波諧振問(wèn)題，文獻(xiàn)[8]通過(guò)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(diǎn)處的諧波得到抑制，其他點(diǎn)處的諧波電壓卻被放大。另外還分析了當(dāng)RAPF安裝在線路末端時(shí)，RAPF對(duì)外最優(yōu)阻值的選取。但該文獻(xiàn)研究的前提是線路參數(shù)已知的前提下進(jìn)行，一旦線路參數(shù)未知或者發(fā)生變化，RAPF很難達(dá)到最優(yōu)的諧波抑制效果。
針對(duì)實(shí)際線路參數(shù)的不確定性，無(wú)法做到與線路阻抗相匹配而導(dǎo)致RAPF的諧波抑制效果達(dá)不到最佳的問(wèn)題，一種阻值自適應(yīng)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(wèn)題[9,10]，該方法本質(zhì)上是自動(dòng)調(diào)節(jié)對(duì)外阻值達(dá)到輸出阻抗與線路阻抗匹配的結(jié)果。
文獻(xiàn)[11]提出離散頻點(diǎn)阻性有源電力濾波器來(lái)提高針對(duì)特定頻點(diǎn)的諧振抑制效果，該方法通過(guò)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變化能夠只在特定頻點(diǎn)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(wèn)題。
為了提供用戶安全可靠的電能，環(huán)型結(jié)構(gòu)的配電網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始受到關(guān)注。一些文獻(xiàn)基于環(huán)型配電網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)諧波抑制進(jìn)行了研究。
文獻(xiàn)[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(diǎn)的新的APF控制策略，該控制策略將APF模擬成無(wú)限長(zhǎng)傳輸線，對(duì)線路中的諧波擴(kuò)散起到了抑制效果。
文獻(xiàn)[13]基于環(huán)型配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，提出了一種包含無(wú)源濾波器和有源濾波器的阻抗變流器，通過(guò)將該阻抗變流器模擬成無(wú)限長(zhǎng)輸電線路，達(dá)到消除反射波和諧波諧振抑制的目的。
1.2多機(jī)阻性有源濾波器控制策略
單機(jī)阻性有源濾波器對(duì)配電網(wǎng)諧波抑制具有一定效果，但為了進(jìn)一步提高配電網(wǎng)諧波抑制效果，文獻(xiàn)[14]對(duì)基于分布式參數(shù)且含有多個(gè)RAPF的射線型配電網(wǎng)進(jìn)行建模，并且分析了多臺(tái)RAPF共同工作的工況，該方法能夠有效提高了對(duì)諧波的抑制效果，但由于增加了RAPF的數(shù)量，導(dǎo)致系統(tǒng)愈發(fā)復(fù)雜，且增加了諧波抑制成本。
文獻(xiàn)[15]將下垂控制應(yīng)用于多臺(tái)離散頻點(diǎn)阻性有源濾波器的控制中，相對(duì)于多臺(tái)RAPF之間實(shí)時(shí)通信的方式，能夠更加快速動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)多臺(tái)RAPF的輸出來(lái)維持線路中的電壓畸變率，但該方法增加了控制的復(fù)雜度。
2RAPF阻值和安裝位置
對(duì)諧波抑制的研究
一些文獻(xiàn)對(duì)于RAPF阻值和安裝位置對(duì)諧波抑制進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[16]針對(duì)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(guān)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(xiàn)[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(lái)決定在多節(jié)點(diǎn)的配電網(wǎng)最佳的APF安裝位置以達(dá)到最優(yōu)補(bǔ)償效果。
3仿真分析
本次仿真基于如下工況：電網(wǎng)側(cè)不存在諧波源，在BUS5節(jié)點(diǎn)接入二極管整流負(fù)載（用于模擬諧波電流源），用9個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)模擬9km的長(zhǎng)直輸電線路，RAPF裝置安裝在線路末端。