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摘要：针对配电系统中时有发生的并联电容器与电网阻抗之间谐振的现象，该文首先分析了传统的负载电流检测方式下并联型有源电力滤波器(parallel active power filter，PAPF)对系统谐振的抑制情况。分析表明，由于无功补偿电容器的影响，传统控制策略下的PAPF 对系统谐振的抑制效果不理想，同时当检测的负载电流中包括无功补偿电容器电流时，系统还有可能出现不稳定的现象。针对这种情况该文提出了一种新的PAPF 控制策略，该控制策略可以在进行谐波治理的同时有效抑制负载谐波电流或者系统谐波电压造成的并联电容器与电网阻抗之间的谐振。最后给出了实验验证结果。
关键词：谐振抑制；谐波治理；电容器；并联型有源电力滤波器
1 引言
并联电容器是电网无功补偿的重要设备，根据不同的负荷水平来确定电容器的投切，可达到减少网络损耗、消除过载和改善电压分布的效果。然而近年来，随着工业自动化和节能减排工作的不断推广，变频器的应用越来越广泛。变频器的应用降低了企业能耗，提高了企业生产效率，同时也使得低压配电系统中的谐波电流日益增加，谐波电流在电网阻抗上产生谐波电压。在一定的参数配合下，谐波电流或者谐波电压有可能使并联无功补偿电容器与电网阻抗产生并联或者串联谐振，这种情况在低压配电系统中时有发生，严重危及并联电容器本身及系统的安全运行。
目前，解决这一问题，通常在电容器支路串接一定电抗率的电抗器，这样可以对谐波起到一定的滤波作用，并且可以改变系统的谐振点，从而在一定程度上抑制电容器的谐振。然而串接电抗器只是使系统谐振点从一个频率转移到另外一个频率，如果出现该频率的激励，系统仍然会发生谐振。
并联型有源电力滤波器（Parallel Active Power Filter - PAPF）作为抑制谐波污染的一种手段， 以其优越的性能成为近年来研究的热点，在理论和实际应用方面都得到很大发展。PAPF可以对频率和幅值都变化的谐波进行补偿，它的补偿特性不受电网阻抗影响，不容易与电网发生谐振，并且可以在进行谐波治理的同时有效抑制负载谐波电流或者系统谐波电压造成的并联电容器与电网阻抗之间的谐振。
2 有源电力滤波器的基本原理
根据接入电网的方式不同，APF可以分为并联型有源电力滤波器(Parallel Active Power Filter, PAPF)、串联型有源电力滤波器(Series Active Power Filter,SAPF)和串并联型有源电力滤波器三类。后者又称统一电能质量调节器(Unified Power Quality Conditioner,UPQC)。本文研究的是应用于三相三线制系统中的PAPF。
PAPF系统主要包含两个部分，谐波电流检测电路和谐波电流发生电路。其中，谐波电流检测电路的作用是检测出非线性负载中的谐波电流分量，谐波电流发生电路根据检测所得的谐波电流产生非线性负载所需的谐波电流分量，其具体结构如图1所示。
图1 并联型有源电力滤波器系统结构图
图中，iL 为非线性负载电流，包括基波分量iLf 和谐波分量iLh 两部分。谐波电流检测电路从负载电流iL中提取出谐波电流分量iLh并将其作为补偿电流的指令信号iC*，在电流跟踪控制电路的作用下，使PAPF输出的补偿电流iC 跟踪iC*，从而使其与负载电流的谐波分量iLh相等，这样电源电流iS中只含有负载基波电流iLf，不含谐波分量。这样就达到了滤除电源电流中谐波的目的。
从上述分析中可以看出，APF的工作性能很大程度上取决于对负载电流中谐波电流的准确、实时检测。由于谐波电流的变化率高，因此APF的电流控制器需具有快的动态响应速度和高的控制精度，同时还需保证系统具有良好的稳定性。
3 新控制策略对谐振的抑制情况
3.1 新PAPF 控制策略
通过前面的分析可以看出，传统的负载电流检测控制方式下的PAPF对系统中的并联电容器与系统阻抗之间的谐振抑制效果不是很理想，并且当检测的负载电流中包含并联补偿电容器电流时，系统还存在稳定性的问题。
针对这种情况，本文提出了一种新PAPF控制策略，该控制策略同时检测负载电流和公共接入点(PCC)电压中的谐波分量，将二者之和作为参考指令来控制PAPF的输出电流，如下图2所示(以电流检测点位于A点为例)。其中PCC点的谐波电压检测环节为比例环节，即GU=KU。因此该通道可以近似的等效为在电网侧并联一个谐波频段上的阻值为“1/KU”，基波频段上阻值为无穷大的“谐波电阻”，下面将详细分析该“谐波电阻”的接入对抑制系统谐振的影响。
可以看出，采用新控制策略的PAPF有理想的谐波抑制效果并且可有效抑制系统中并联谐振现象。
2）对系统串联谐振的抑制情况分析。不考虑图3所示系统中的负载谐波电流IL，图5为并联电容器值一定(C=1412.76μF)，KU取不同值时IS/Us的幅频特性曲线。图5中可以看出，在谐振频率点附近，随着KU的增加，曲线会下移，PAPF对谐振起到了抑制作用。
4 结论
针对配电系统中时有发生的并联电容器与电网阻抗之间谐振的现象，本文分析了传统的负载电流检测方式下PAPF对系统谐振的抑制情况。并提出了一种新的PAPF控制策略，同时进行了实验验证，从分析和实验可以得到以下结论：
1）当PAPF检测的负载电流中不包含无功补偿电容器的电流时，传统控制方式下的PAPF能有效抑制系统并联谐振，但不能抑制系统串联谐振。
2）当PAPF检测的负载电流中包含无功补偿电容器的电流时，传统的PAPF控制方式很容易造成系统不稳定，无法有效抑制系统的串并联谐振。
3）当PAPF采用新的控制策略后，无论其检测电流中是否包含无功补偿电容器的电流，PAPF 对系统串联和并联谐振均能有效抑制。
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论文作者:黄文进
论文发表刊物:《电力设备》2017年第11期
论文发表时间:2017/8/8
标签：谐波论文; 电流论文; 谐振论文; 电容器论文; 系统论文; 负载论文; 抑制论文; 《电力设备》2017年第11期论文;