张亚萍 田振清 吴冬 宋波 景琦
天津平高智能电气有限公司 天津 300000
摘要：提出了一种电能质量综合治理装置，具有全功率分相补偿能力，可灵活用于电力配电系统。该装置可以实时检测系统负载电流，同时将其分解得到各相的无功电流，设备输出与电网无功电流大小相等，方向相反的电流，从而实现无功补偿、提高功率因数的功能。该装置采用二极管钳位型三电平变流器结构，采用外环电压，内环电流的双闭环控制策略。采用PSIM仿真分析并进行实验分析，仿真和实验结果验证了装置的可行性。
关键词：电能质量；谐波；三相不平衡；无功补偿
Development of power quality comprehensive management device
Zhang yapping，TIAN zhenqing，WU dong，SONG Bo，JING Qi
（Tianjin Ping Gao Intelligent Electic Co.，Ltd，Tianjin 300000，China）
Abstract：A power quality comprehensive management device is proposed， which has full power phase separation compensation capability and can be flexibly used in power distribution systems. The device can detect the system load current in real time， and at the same time decompose it to obtain the reactive current of each phase， and the output of the device is equal to the reactive current of the grid， and the current is opposite in direction， thereby realizing the function of eliminating reactive power and improving the power factor. The device adopts a diode clamp type three-level converter structure， and adopts a double closed loop control strategy of outer loop voltage and inner loop current. The PSIM simulation analysis and experimental analysis were carried out. The simulation and experimental results verified the feasibility of the device.
Keywords：power quality；harmonic；three-phase unbalance；reactive compensation
引言
随着越来越多的电力电子装置应用到电网中，由此带来的电能质量[1]问题也越来越多。电能质量的好坏直接影响电网和各种电气设备的安全、经济运行，有必要研究一种电能质量综合治理装置，来保证电网的安全稳定运行[2]。
文献[3]提出了一种具有谐波抑制功能的电能质量综合质量装置，既能保证电压无功，也能动态治理谐波。文献[4]提出的电能质量治理装置，可以通过跨接电容补偿三相的有功、无功电流和负序分量，把因负载不平衡产生的零序电流引入电网。文献[5]通过分析现场测试的数据，提供了一种以谐波、负序电流治理为重点，兼顾闪变的电能质量综合治理方案。本文提出了一种基于二极管钳位型[6]三电平变流器结构的电能质量综合治理装置，既能够补偿容性无功[7]，也可补偿感性无功[8]，可以实时检测系统负载电流，同时将其分解得到各相的无功电流，设备输出与电网无功电流大小相等，方向相反的电流，从而实现无功补偿、提高功率因数[9]的功能。主电路采用二极管钳位型三电平变流器结构，该结构通过钳位二极管，提高了变流器的输出电压等级，大大简化了结构。
1主电路拓扑
电能质量综合治理装置主电路拓扑结构如图1所示，包括I型桥臂，钳位二极管，中点均压电容，LCL滤波器和三相电源系统。其中I型三电平拓扑结构简单，容易实现，输出电流纹波较低，且在系统工作于大于25KHZ时效率较高。LCL型滤波器可以提高系统的THD特性，使得系统开关次谐波具有更高的衰减增益。
2装置控制策略
电能质量综合治理装置控制原理如图2所示，设备通过对负载电流的采样提取、分析得到负载信号特征进而计算出补偿指令，同时通过电感电流、电网电压、直流侧电容检测，检测到的信号经过调理电路之后，送到控制器里进行控制策略的处理，然后再经过PWM脉宽调制给IGBT驱动信号来控制IGBT的导通控制输出负载补偿电流。
图1 电能质量综合治理装置主电路拓扑结构
Fig.1 Main circuit topology of power quality comprehensive management device
图2电能质量综合治理装置控制原理
Fig. 2 Control principle of power quality comprehensive management device
2.1信号采样及检测方法
信号采样功能采用DSP28377的内部AD模数转化器，其内部有4个采样保持器SH，故而可实现4路输入信号的同时采样，为了保证信号无相差延时，即要保证三相电感电流、三相网侧电流、三相负载电流、三相电网电压、直流母线上下电容电压的同时采样，这就要保证其在可并行采样通道上。
2.2控制策略
电能质量综合治理装置控制策略为，输入信号通过信号调理进行滤波、幅值处理成为采样调理信号，其通过DSP的AD部件进行相应采样及数值整定，SPLL使用三相电网电压进行电网相位鉴别和锁定输出电网角频率w，中点电压控制器使用上下电容直流电压进行中点平衡控制输出中点补偿指令，电压外环控制器使用总直流电压进行直流母线控制输出有功电流指令，以及无功谐波提取部分对负载电流进行分析计算输出无功谐波补偿电流指令，这些指令再通过电流指令合成器输出电流指令给电流内环控制器进行电流跟踪控制输出跟踪指令到PWM发生器生产PWM波信号到IGBT驱动电路驱动IGBT工作，同时逻辑保护通信部分控制设备启停机和故障保护以及通信工作。
2.2.1中点电压控制
采用基于载波幅移的中点电压波动抑制方法，可知钳位型三电平变流器的中点电压波动量为：
式中，K为载波幅移系数，m为调制比。
而载波则可表示为；
2.2.2基于神经网络的PI双闭环控制算法
三电平变流器通常采用电压外环和电流内环的双闭环控制结构，其中外环采用PI控制器实现直流侧母线电压均压控制，内环采用P或PR内环控制器实现电流跟踪控制。采用该方法会因其PI控制参数的固定性而导致系统实时性较差，容易使系统出现非线性，影响系统功能实现。因此本文提出一种可以实时改变控制参数的基于神经网络的PI双闭环控制算法，可以适应电力系统的运行条件变化，算法结构如图3所示。
图3 基于神经网络的PI双闭环控制算法
Fig. 3 PI double closed loop control algorithm based on neural network
其中，Uref为直流侧母线参考电压值，Ucd1和Ucd2为直流侧电容电压值，经过差值运算后进行dq变换，再进行差值运算可得到三相电流参考值Iabc_ref，与负载三相电流实际值Iabc进行比较后进入基于神经网络的PI控制器，自动调节完PI控制器的控制参数后生成PWM触发信号，来控制三电平变流器的开关管的开断。
3仿真分析
为了验证电能质量综合治理装置的主电路和控制策略设计的可行性，本文在PSIM上搭建了系统仿真模型，包括主电路拓扑，系统电源，谐波检测部分，三相不平衡检测部分，控制部分等。本文的仿真参数设置为：系统电源相电压220v，频率50Hz，直流侧电容9000uF，直流侧电压750v，开关频率35KHz，在0s投入谐波负载，0.3s投入无功负载，装置在0.2s进行谐波补偿、0.4s进行无功补偿。如图6所示为系统从开始到0.2s后进行谐波补偿的a相电流波形图，如图7所示为电流仿真波形，图7为无功补偿前的负载波形和无功补偿后的负载波形。由仿真波形可知，电能质量综合治理装置投入工作后，可以实时检测系统负载电流，同时将其分解得到各相的无功电流，设备输出与电网无功电流大小相等，方向相反的电流，从而实现无功补偿、提高功率因数的功能，能有效治理电网出现的电能质量问题。
图4 a相谐波补偿前后波
Fig.4 A phase waveform before and after harmonic compensation
图5 无功补偿前后仿真波形
Fig.5 Simulation waveform before and after reactive power compensation
4实验分析
在理论和仿真分析的基础上研制出了实验装置，用该装置进行无功补偿实验，将该装置外接谐波源负载，设置为自动滤波补偿状态，输入电压400V，测得总谐波补偿率如表1所示：
表1无功补偿实验数据
Tab.1 Experimental data of reactive power compensation
用该装置进行三相不平衡补偿实验，输入相电压230v，调整三相负载为不平衡状态，测量电流不平衡度大于60%，将该装置并入负载后启动，测得数据如表2所示：
表2三相不平衡补偿实验数据
Tab.2 Three-phase unbalance compensation experimental data
从实验数据可以看出，电网产生的谐波问题和三相电流不平衡问题都得到极大改善，说明本文设计的电能质量综合治理装置及其控制策略具有良好的可行性，能有效治理谐波并对三相不平衡电流进行补偿，满足电网运行要求。
5结束语
本文首先对电能质量综合治理装置进行了理论和仿真分析，在此基础上研制出了实验装置。实验装置采用的控制策略可以较好地输出稳定的直流侧电压，可以实时检测系统负载电流、谐波和三相不平衡情况，并实现无功补偿、提高功率因数的功能。实验数据的获取进一步验证了电能质量综合治理装置的主电路和控制策略设计的可行性。
参考文献：
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作者简介：张亚萍（ 1992-），女，硕士，主要从事电力电子产品研发设计。
论文作者:张亚萍,田振清,吴冬,宋波,景琦
论文发表刊物:《防护工程》2018年第24期
论文发表时间:2018/11/28
标签：电流论文; 电能论文; 装置论文; 谐波论文; 电压论文; 负载论文; 质量论文; 《防护工程》2018年第24期论文;