【SVG无功补偿与APF谐波检测基本原理分析8600字】

SVG无功补偿与APF谐波检测基本原理分析目录TOC\o"1-3"\h\u20939SVG无功补偿与APF谐波检测基本原理分析 1183581.1SVG的基本工作原理 139681.1.1SVG的构成 1107981.1.2SVG的工作原理 2307051.1.3SVG的工作特性 465181.1.4SVG的控制策略 5102191.2 8105411.1.1APF的构成 8200891.1.2APF的分类 957711.1.3APF的谐波检测技术 13155861.1.4基于瞬时无功功率理论的谐波检测法 1368901.3 17265201.3.1联合运行系统结构 17326201.3.2联合运行系统仿真分析 181.1SVG的基本工作原理1.1.1SVG的构成日常生活中，桥式电路的SVG最为常见。而相关专家、学者为了更好地使用SVG，还对其进行了进一步的分类，将桥式电路的SVG进一步划分为电流桥式电路和电压桥式电路两种不同的类型，下面的图2-1和图2-2，就是这两种SVG的基本结构。在逆变电路中，所有IGBT都直接通过并联的方式和反馈二极管相连，为无功功率从交流侧流向直流侧提供了基础的通道。通常情况下，电压型SVG一般在直接将电感串联到直流侧，而电流型的SVG则将电容并立案到直流侧上，因此作为储能器件，接入电网中来。这两种SVG在原理上是基本相同的，设计目标都是为了保证交流侧始终有电流流经，通常使用电抗器并联电路。该模型在对电路输入电压、相位的控制是通过对IGBT的控制实现的，并且间接对主电路无功功率进行针对性的控制，这也就是电力系统中至关重要的动态补偿。此外，由于电压型SVG整体体积更小，具有更为理想的运行效率，加上故障率远低于电流型SVG，所以在实际应用中，目前电压型SVG占据绝对主流地位[8]。图2-1电压型SVG基本结构图2-2电流型SVG基本结构1.1.2SVG的工作原理SVG单项等效电路图可以简化表示为：图2-3SVG等效电路和向量图（无损耗）如上图（a）可知：（2-1）上式中，和以及别为电网电压和SVG交流侧输出电压、电抗器电压。理论环境下，即我们假设电网是完全无畸变、完全对称的，而且变换器以及线路不存在阻抗所导致的电能损耗，电感器也同样是完美条件下的电感器。如果有，那么SVG吸收感性无功，相当于电容器，电流滞后电压90°；如果有，那么SVG吸收容性无功，相当于电抗器，电流超前电压90°；如果有，那么SVG在电路中没有任何作用。在理想条件下，SVG的补偿的功率为：（2-2）上式中，和分别表示电网电压和SVG的交流侧输出电压的有效数值，而这里的X表示电抗器，在电路中处于串联状态；Q的数值为正数或者负数，则意味着SVG无功功率的性质。正如我们所了解的那样，现实生活中的电网是不可能不存在损耗的，在计算无功功率的过程中不可能忽视电网损耗的影响。因此我们在计算中认为，这部分损耗实际上是由电抗器的串联电阻承担的。所以，我们可以将SVG中添加串联电阻后的结构简化表示如下图所示情形：图2-4SVG等效电路和向量图（带负载）由图2-4（a）可知：（2-3）当负载为感性负载时，和的相位差为90°，当负载为容性负载时，和的相位差小于90°，为，其中的就是控制角。当时，认为SVG装置发出无功；当时，认为SVG装置吸收无功；当时，认为SVG与电网之间没有能量交换。在上述状态下，想要保证电流和电压相位相同，那么就要求电网系统中不仅要有理想的无功功率电流，同时还要有相应的有功功率电流分量存在，从而为电网的有功损耗提供足够的补充。通过调整电网电源电压和SVG端电压之间的相位差，即可实现对SVG端电流相位以及幅值的针对性调整，最终达成电网无功功率的动态补偿目的。1.1.3SVG的工作特性通过上文所进行的分析我们可以绘制出如图2-5所示的SVG电压和电流特性曲线。该图中的实线部分绘制成的区域表示的是电压-电流特性，而虚线部分绘制出的区域则是对应的特性曲线。所以，系统端电流必然和补偿无功之间为异号，也就是说补偿无功为正数的情况下，系统端电流必然为负数；反之亦然。对图2-5进行简单分析即可发现，电网参考电压用表示；而所使用的SVG的感性输出无功电流和容性输出无功电流则分别用与加以表示。而在的数值减小的时候，特性曲线同步向下移动，所以我们为了确保与的稳定性，就必须针对性的调整交流侧输出电压的相位以及幅值。从这一角度来说，电力器件是影响无功电流最大值的唯一因素。由于增加了并联状态的电容以及电阻，所以相对于此前传统的SVC来说，这里我们所重点介绍的SVG无功补偿装置能够根据电压的变化动态调整与，所以其工作特性曲线为倒三角形状。观察图2-5我们可以发现，其电流电压特征绘制的范围上方和下方的宽度基本上是想听的，而且和传统的SVC相比，其覆盖面积更大。从这一角度来说，显然SVG的补偿范围远超过传统的SVC，在适用性方面有着更为出色的表现[9]。与此同时，SVG中还引入了更为先进的多电平技术、多重设计技术以及PWM技术，可以有效消除电网中的背景噪声，滤除高次谐波带来的影响。图2-5SVG与SVC无功电流电压特性1.1.4SVG的控制策略如果电力系统中的电压值处于一个稳定的区间之内，那么我们在无功功率控制过程中，直接调整无功电流即可。在本章节的研究中，重点介绍了静止型无功发生器的具体控制方式，借助无功电流完成无功功率的针对性控制。因为这里我们使用SVG直流侧电容电压作为变流器的逆变电源，所以基本控制策略为稳定直流侧电压，以间接控制电力系统的整体输出性能。试试而有效地吸收、补偿电网中的无功功率，是控制SVG静止型无功发生器的基本要求。如果无功发生器能够在控制的过程中自动对自身的无功电流加以调节和控制，那么就是典型的电流直接控制模式；如果不能则是间接控制模式[10]，下面对这两种模式分别加以介绍。（1）电流间接控制这种控制模式下，如上文中所介绍的那样，静止型无功发生器无法对自身所产生电流进行调节，所以我们需要首先对交流电压幅值和相位进行针对性的测量，通过对这两个参数的控制实现对无功发生器电流的控制。在上文中已经介绍过，考虑损耗和电抗情况下的SVG等效电路，借助SVG对电网电路进行无功补偿的过程中，供电系统中的电压、SVG交流测电压以及电抗压降之间存在式（2-4）所示的关系：（2-4）上式中，电抗器所产生的阻抗用加以表示。而在这里则表示和之间的相位差。由上式得：（2-5）所以，稳态状态下的SVG无功功率和有效功率的有效吸收数值可以分别表示为：（2-6）SVG的角、和关系可以用如下曲线加以表示：图2-6与角的关系如果值围绕0上下小幅度波动，那么与之间存在近似于正比例的关系。如果电网中的电压数值较大，并且此时的电网种等效电阻R数值较小，那么则会导致角小范围波动而诱发SVG无功输出出现较大的波动，从而使得我们可以通过电力器件导通角的调整，实现对SVG吸收无功电流或者输出无功电流数值的针对性控制。无功电流的参考值乘以一个系数后作为角的控制信号，也可以直接使用控制SVG主电路，从而确保SVG吸收的有效无功电流的变化符合图2-6的曲线特征。同时，我们可以借此进一步反馈SVG所吸收的无功电流，并且和补偿电流的参考值进行对比和分析，计算出的差值就可以开展比例积分调节（PI），而由此计算得出的相位角即可实现对SVG电路的灵活控制。由于无功补偿装置的容量过大会减少电子器件的开关频率，而由于电流阙值处于较高的水平，所以通常只能使用间接控制法对容量超过10Mvar的无功补偿装置加以控制。（2）电流直接控制这里我们所介绍的电流直接控制，主要是指静止型无功发生器在控制的过程中能够对自身生产的无功电流加以直接控制，无需根据交流电压基波的相位和幅值的测量进行控制。作为一种作为经典也最为常见的电流直接控制方式，跟踪型脉冲宽度调制技术（PWM）能够有效控制无功发生器所输出的无功交流电流，进而控制无功功率。由于直接控制法在时间应用过程中需要对补偿系统中的电流信号进行实时监控，因此无论是控制精度还是响应速度都远超间接控制法。目前来说，我们一般通过三角波比较法和滞环比较法这两种方法，开展直接控制操作[11]，下面分别进行介绍。滞环比较法实际上是一张通过对比无功发生器输入电流和输出电流，在滞环比较器中输入对比的结果，进而生成调制波PWM波，作为电子元器件的控制信号，从而确保供电系统中有足够的无功补偿。由于这一方法有效满足了对电力系统中电流的实时监控，因此要求控制器件不断调整开关频率，由此缠身的大量背景噪声以及脉冲电流，都会对无功补偿的效果带来一定程度的影响。而三角波比较法对系统加以针对性的控制，主要有如下两种不同的方法：首先是基于abc坐标的电流控制系统；其次则是基于dq坐标的电流控制系统。下面分别加以介绍：图2-7是基于abc坐标的控制系统的整体框架结构，在实际的应用过程中可以有效控制无功电流，并且随时保证直流侧电压的稳定性。经过比例调节器的处理之后，反馈电压与输入电压和Ud对应的有功电流、无功电流和经过dq向三相abc变换而生成电流的瞬时数值，然后将恒品三角波和构建的复合瞬时电流进行对比，即可作为SVG的开关信号。借此实现了直流侧电压和无功电流的针对性控制。图2-7SVG电流abc轴三角波比较法框图图2-8是基于dq坐标的电流控制系统的基本结构。在实际的应用过程中，这种方法能够有效吗，安足以直流侧电流恒定的要求，并且对无功电流进行有效跟随。无功补偿接收到输出的三相电流的瞬时值之后，经过坐标变换生成有功电流和无功电流Id、Iq，将前者分别和、加以对比，对比结果录入PI调节器，通过dq反变换即可得到三相电流信号，然后进一步和预先设置的频率恒定三角波进行对比，即可实现对电子电器的有效控制。图2-8dq0坐标系直接电流控制因为abc直接控制法在实际的应用过程输出交流电流做诶信号，因此也同样应确保对比的信号也同样是交流信号；而基于dq的直接控制法，输出信号为直流，所以对比信号同样应该是直流信号。调节过程中，交流信号往往会带来一定的波动，所以误差问题无法得到有效的解决，这对于无功补偿精确度的提升显然是非常不利的。而直流信号的误差在相对较小。根据图2-7和图2-8来看，dq直接控制法相对于abc直接控制法来说，PI调节器更少，因此结构更为简单。因此，为了提高控制精度、缩小器件提及，本文中采用了基于dq的三角波调直流控制法[12]。1.21.1.1APF的构成APF能够动态的执行谐波抑制任务，除此之外还可以给不同大小和频率的谐波给予无功功率补偿，是全新的电力电子设备，凭借这一点优势，其在现实中的应用迅速的普及开来。除此之外，在研究人员的推动下，APF持续的走向完善，理论基础更为扎实，相关的检测和控制算法更为先进，电路的拓扑结构不断的优化[13]。并联型APF的系统结构详见下图2-9：图2-9并朕型有源电力滤波器系统构成图代表交流电源，系统中的谐波来自负载，负载在运行的过程中会产生谐波并将其注入到系统中，另外还会消耗一部分的无功功率。简单观察图2-9，概统包括了补偿电流发生电流以及指令电流运算两路两大部分。而如果系统中存在无功电流，或者存在谐波的情况下，将谐波与无功电流进行抵消，从而增加无功功率。在该系统工作的过程中，PWM在主要起到逆变器的作用，在特定情况下，它还可以起到整流器的作用，当APF直流侧储能元件处于充电状态时，PWM就会切换到整流器的角色[14]。因此，PWM是有源电力滤波器电路器中的重要整流器，并非逆变器PWM。并联型有源电力滤波器的运行流程为：首先发送系统谐波电压和电流值，通过CPU生成指令，对其予以放大处理，使其能够和谐波相互抵消，通过这样的方式消除电流中含有的谐波成分。整个过程中涉及到的公式包括：（2-7）（2-8）（2-9）（2-10）注：代表负载电流的基波分量。有源电力滤波器APF的特征可以总结为：1）APF在谐波治理方面的表现十分突出，除此之外，它还具有一定的补偿无功作用，表现出双向性特征；2）如果谐波和无功电流的频率以及值域都是动态变化的，这种情况是LC无法应对的，但是却可以通过APF予以解决，APF能够完成补偿任务，并且整个执行过程非常迅速，这是它相比于LC最显著的优势之所在；3）APF的电路结构比LC更为复杂，它受到的来自阻抗的影响非常小，小到可以直接忽视，从根本上避免了谐振现象的出现；4）能够对一个对象提供补偿，或者是对多个对象起到无功补偿和额谐波抑制的效果；5）如果需要补偿的电流太大，有源电力滤波器本身的运行并未受到影响，避免电路温度大幅提高，起到保护的作用，消除安全隐患；6）只需小容量的储能元件进行配合，就能够实现良好的谐波抑制效果。1.1.2APF的分类从功能的角度来看，有源电力滤波器包括了多种类型，其中，最早诞生的是并联型有源滤波器，此后，随着谐波方面理论成果的日益丰富，人们又研发出串联混合型电力滤波器，以及并联混合型滤波器、电压电流型电力滤波器等，详细的分类见下图2-10：图2-10有源电力滤波器的分类从APF和电网连接方式的角度来看，它包括了两大类：（1）并联型有源电力滤波器此类装置是单独和系统相连的，是最早的APF装置，其应用也是最广泛的，尤其是很多三相三线制系统中，都采用这种装置来解决谐波的问题，具体的连接方式详见下图2-11：图2-11单独使用的并联型有源电力滤波器系统在图2-11中，三相桥式全控整流器是谐波的主要来源。具体的原理是：APF在运行的过程中会形成谐波电流，能够和负载产生的谐波分量相互抵消，通过这样的方式达到抑制谐波的效果。对其运行特征和结构进行分析能够确定，直接在逆变桥上加载电源电压，因此所使用的开关装置必然是高压开关，因此这种APF的应用范围并不广泛，无法为大容量以及宽频带电路提供补偿。通常情况下，其在感性负荷的谐波治理和无功补偿方面应用[15]。（2）串联型有源电力滤波器在电力系统中，此类装置扮演的是受控电压源的角色，这是它和并联型APF最显著的不同之处。它的运行原理是：如果系统中产生了谐波，首先利用专门的装置予以检测，从而确定谐波分量的大小，据此形成能够和它抵消的电压值，通过这样的方式对系统的波形进行修复，直至波形变得正常。串联型APF很好的避免了并联型APF的缺陷，但它也不具备后者的优势。和后者相比，它需要的工作容量更小，但在运行效率方面具有显著的优势。当然，它也有一定的不足之处，主要体现为动态的无功功率在串联中的效果非常有限。串联型APF的电路详见下图2-12，对该图进行分析可知，图里面的谐波来自esa、esb、esc，三者都具有电压特性，在本电路中为三相电压源。图2-12单独的串联型有源电力滤波器原理电路出于方便研究的考虑，将复杂的串联型有源电力滤波器当作单相的装置并予以分析，详见图2-13：图2-13串联型有源电力滤波器的单相等效电路在上图2-13中，代表有源滤波器为受控电压源，代表的是负载的电压，代表端口的电压。在这里通过滤波器施加电压，以起到补偿的作用，此时能够计算出电源电流为：(2-11)1.1.3APF的谐波检测技术利用APF抑制谐波成分时，如果要实现良好的效果，前提是确定谐波和无功的电流值，因此需要采用恰当的方法对其进行检测，获取实时、准确的谐波波形，为APF滤波器提供依据，使其能够产生实时、精确且相反的谐波波形，从而使二者能够彼此抵消，解决谐波污染的问题，另外还能够起到无功补偿的作用。大量专家、学者纷纷从不同角度，给出了一系列针对新的谐波电流检测方案，具体如下[16-17]：（1）模拟滤波器法；相比其他方法，该方法在谐波电流检测方面的应用历史是最悠久的。它的适用范围并不广泛，仅能够检测确定次数的谐波，通过滤波器进行检测，而且只能够补偿检测到的谐波电流，如果谐波电流是不断变化的，该方法就会失效，因此其在现实中的应用非常少见。（2）基于时域分析的有功分离法：该方法的关键是收集电源值并分析。对系统中存在谐波成分的电流予以动态跟踪，采集一个周期的数据，并予以分析和计算，由此得到谐波电流值。由此可见，该方法是以计算为基础的，因此精度非常高，但是一个周期的电流持续较长的时间，且需要采集大量的数据，计算工作量较大，无法考虑周全，无法兼顾所有的情况。（3）基于傅里叶分解的方法：综合测定电路中的非正弦波对应的电流和电压数值，借助傅里叶分解，得到正弦波，利用傅里叶变换器予以处理，由此获取误差信号，接着予以FFT反变换处理，从而确定谐波电流值。（4）基于瞬时无功功率理论的方法：二十世纪八十年代，随着科学技术的不断发展，这种检测方法应运而生，这种方法变得更加成熟，其应用日渐普及开来，它的原理是对坐标予以转换，把三相电路瞬时功率代入到公式中，将其转换得到坐标和，再次进行反向的转换计算。此类方法包括了两种类型，分别为ip、iq运算法和p、q运算法，此次研究应用的是ip、iq算法，接下来对这两种算法的原理予以说明。1.1.4基于瞬时无功功率理论的谐波检测法三相电路瞬时无功功率理论以瞬时功率p和瞬时功率q为基础。在三相电路中，我们用、、代表电压的瞬时值，用、、代表电流的瞬时值，将这六项参数带入到公式中，通过计算确定、坐标系中的值，由此确定的结果为：（2-12）（2-13）（2-14）电压、电流在、坐标系的关系详见下图2-14。对该图进行分析能够确定，在、平面中，电压矢量、和电流矢量、可以合成电压矢量ｅ和电流矢量i：（2-15）（2-16）式中，e、i代表e、i的模；、则为其相位角。图2-14电压、电流在、坐标的关系图观察上图，有功电流ip为矢量e方向上电流的投影，而无功电流iq在该图中则是电流在电压法线方向上的投影，那么有：（2-17）（2-18）三相电路瞬时无功功率和瞬时有功功率可以表示为：（2-19）（2-20）将上式描述为矩阵，由此可以确定：（2-21）其中公式（2-21）中最终可得p、q为：（2-22）（2-23）在检测系统无功和谐波电流时，可以应用的方法多种多样，其中应用最普及的为p、q以及ip、iq运算方法。两种方法都是以瞬时无功功率理论为理论依据的，且在三相电路中应用能够充分发挥出其优势。（1）基于瞬时无功理论的p、q运算方式如图2-15即为此方法的运算框图：图2-15p、q运算方式的原理框图对2-15进行分析能够确定，LPF为低通滤波器，在LPF之前计算并确定p、q的值，接着利用LPF能够确定有功与无功分量。在理想情况下，电网电压形成的是p，同样的道理，另一种情况下形成的是q，由此能够计算得到基波分量、、。（2-24）（2-25）在上式中、、与、、的差值，即为所需的谐波分量下标为h的值。在电流检测的过程中，APF会完成无功补偿，另外在进行谐波抑制时，必须检测无功和谐波电流。把图中q断开，由此能够确定三相电流的基波有功分量。（2-26）同样的道理，三相电流和有功分量的差值，就是所需检测的参数iad、ibd、icd，也就是有功与基波的共同值。（2）基于瞬时无功理论的ip、iq运算方式图2-16ip、iq运算方式原理图其中图2-16中PLL表示的为锁相环，PLL与正弦信号发生电路即可得到和，则可得出ip、iq为：（2-27）并且由图2-16可得，ip、iq通过低通滤波器得到ip、iq，就可以计算出：、、。（2-28）计算、、与、、的差值，就能够确定、、的值。要确定谐波与无功这两个电流，和p、q运算方式一致，只需断开iq。和p、q运算方式相比，ip、iq运算方式主要的不同之处在于无需直接使用三相电压，因此最终计算出的电流值和电压畸变电路无关，在三相电压不对称情况下，通过g运算方式得到的结果误差更为明显，精确度更低。所以，除非是在ip、iq运算方式不适用的情况下，通常人们不会选择p、q运算方式，也就是说，ip、iq运算方式的应用更为普遍，笔者在本课题的研究中也采用了该方法[18]。1.31.3.1联合运行系统结构通过对SVG和APF的工作原理及特性进行分析，能发现本文中所重点研究的SVG无功补偿装置虽然能够补偿非线性负载导致的谐波电流，不过本身所产生的谐波也同样会对电网的稳定性带来冲击，在产生无功问题的同时也带来了谐波问题。APF能够迅速的对系统做出响应，且其无需考虑电网阻抗这一因素，但是单独使用又存在成本高昂的缺陷。因此上述两种装置并联在一起，充分发挥出其优势，相互弥补各自的缺陷，实现抑制谐波和无功补偿的双重效果，节省成本的同时能够有效的提高电能质量[19]。SVG和APF组成的联合系统结构如图2-17所示。图2-17中，中，为三相