串联型电能质量补偿器的研究
摘要：随着非线性负荷的大量增加以及系统中各种干扰造成的配电网电压畸变将影响许多电力用户的正常用电，由此可能造成巨大的经济损失。本文介绍了串联型电能质量补偿器的工作原理，在补偿器中采用了基于广义瞬时无功功率理论（Park变换）的检测方法 。仿真和实验结果表明，串联型电能质量补偿器可抑制电网电压中的不对称、波动以及谐波等各种畸变，从而满足电力负荷对供电质量日益提高的需求。 关键词：电能质量 电压畸变 Park变换 串联补偿 1 引言
近年来，随着电力电子等非线性负荷的大量应用，电网中的谐波污染越来越严重。另外由于电网发生故障造成的电压不对称、电压下降等和谐波一起严重地恶化了电能质量指标，降低了电网供电的可靠性。对于那些对电能质量要求较高的生产单位，由于电压下降、谐波等电能质量问题将使其产品质量 下降甚至导致生产过程中断，从而造成巨大的经济损失。因此，电能质量问题已引起国内外专家学者的极大关注
［1，2］
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电能质量补偿技术作为“用户电力技术（Custom Power）”的一个重要部分，其目的是将配电系统改造
成无电压波动、无不对称以及无谐波的实时控制的柔性化配电网。随着这一技术的迅猛发展，出现了一系列旨在提高电能质量的新型补偿装置。串联型电能质量补偿器就是其中的一种重要型式。它能抑制电源电压中的各种畸变分量，大大提高用户的电能质量。
国外对串联型电能质量补偿器的研究开展得较早，如Westinghouse公司为美国电科院（EPRI）研制的世界上第一台串联型电能质量补偿器DVR（Dy－namic Voltage Restorer）已于1996年8月投入工业运行
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国内对串联型电能质量补偿器的研究还处于刚起步的阶段。本文主要分析串联型补偿器的工作原理，并用仿真和实验方法验证其对于系统电压中谐波、不对称和电压下降、升高等畸变量的抑制和补偿功能。 2 串联型电能质量补偿器工作原理
图1为串联型电能质量补偿器主电路的单相结构示意图。它由电压型逆变器、LC低通滤波器、串在线路中的串联变压器和直流电容组成。直流电容电压由PWM整流器提供
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串联型电能质量补偿器工作原理为：由检测电路检测出电源侧的畸变电压；通过控制电路产生由补偿策略确定的补偿信号；然后形成PWM信号后，由驱动电路去控制逆变器的功率器件开关；最后由滤波器滤除逆变器的高次谐波，在串联变压器上产生与补偿指令相同的补偿电压来抵消电源电压中的各种畸变分量，从而使负载侧电压免除电源侧电压的不对称、闪变、波动及谐波的干扰。
在串联型电能质量补偿器的工作过程中，检测是最为关键的环节。只有准确无误地检测出电源电压中的畸变量，才有可能得到理想的补偿效果。因此，这里着重介绍本文所用的畸变电压检测方法。补偿器中采用的方法为Park变换（即d，q，0变换），亦称为广义瞬时无功功率理论。兹将其检测原理介绍如下。
假设电源侧电压为
式(3)中的电压畸变量仅给出了谐波分量，实际还可能包括电压的不对称、电压的波动等畸变成分。检测环节的任务就是如实地把电源电压中的畸变部分分离出来。基于Park变换的检测方法能够很好地完成这一任务。Park变换公式如下所示
将abc坐标系下的三相电量（电压或电流）经Park变换后，可转换为dq0坐标系下相应的分量
从Park变换计算结果不难得到如下规律：abc系统中的第n次正序分量将变换成dq0系统中的第n－1次分量，而第n次负序分量将变换成第n＋1次分量，只有abc系统中的基波正序分量通过Park变换，才转换成dq0系统中的直流分量，而且此时0轴分量为零。
这样，Park变换就可用作串联型电能质量补偿器的检测手段。检测过程如下：先用Park变换对畸变的电源电压us实施变换，将其从abc系统转换到dq0系统中去；然后，用低通滤波器得到d、q轴中的直流分量，该直流分量即对应电源电压us中的基频分量u；再对直流分量实施Park逆变换，便得到电源基频电压u；最后，将所得基频电压从电源电压us中减去，便得到了需补偿的包含谐波、不对称及波动等在内的电压畸变量Uc。由于Park变换是对瞬时值进行变换，故这种检测方法具有很好的实时性。检测部分原理框图如图2所示。
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上述检测得到的畸变量Uc通过PWM控制驱动逆变器的功率器件，便可在串联变压器的线路侧得到实际补偿
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电压Uc，将其从电源电压中减去，负荷端就得到了三相对称的正弦基频电压。可见，串联型电能质量补偿器能有效地抑制电源电压畸变，保证用户的电压质量。 3 仿真结果
采用电力电子网络分析中较为流行的Pspice仿真软件对串联型电能质量补偿器进行仿真计算，结果如图3所示。图3(a)为电源电压us，在三相不对称同时又包含了谐波畸变。其中C相电压比其余两相电压高30%，谐波阶次最高达11次。图3(b)为经补偿器补偿后负荷侧的三相电压波形。从图中可以看出，补偿器对电源电压的谐波分量实现了抑制，负荷侧三相电压的谐波畸变率由补偿前的15%、17．32%、24．49%下
降为补偿后的3%以内。同时基波的不对称现象也基本消除了。这就表明，串联型电能质量补偿器能有效地抑制电源电压中的谐波、不对称以及波动等各种畸变分量。
4 实验结果
东南大学电气工程系从1998年就开始对串联型电能质量补偿器进行研究。经过理论分析、仿真计算等工作后，在实现了一套容量为3 kVA试验样机的基础上，已初步完成了两台补偿容量为70 kVA的补偿装置，目前已进入了最后调试阶段。该装置控制电路硬件采用数字信号处理器（DSP）为CPU，大大简化了控制电路。主电路逆变器的功率管选取了三菱公司的IGBT功率器件。以下给出3 kVA小容量试验样机的部分实验结果。
3 kVA试验样机参数如下：串联变压器变比为14，滤波电感及电容分别为10 mH和2μF ，逆变器功率管选用日本三菱公司的智能化IGBT模块（IPM），其开关频率选用12．8 kHz 。阻性负载50Ω，负载额定电压为110 V、频率50 Hz，也就是说在电源电压畸变的情况下要将负载侧基波电压幅值补偿到155 V。实验中对电源电压的波动、谐波等干扰进行了分析研究。下面给出部分实验结果。图4(a)、(b)分别为补偿前后A相电压波形。图5(a)、(b)则给出了补偿前、后A相电压的频谱特性。
图4(a)中将电源电压降低为额定电压的75%左右(额定电压幅值为155 V)。经装置补偿后，负荷电压的基波幅值上升至152 V，如图4(b)所示。这就说明了补偿器能有效地补偿电源电压的下降、上升等波动。图5的频谱特性表明，补偿后负荷电压中各次谐波的幅值较补偿前已有所减小。用傅氏变换对实验波形进行分析，补偿前电压总的谐波畸变率为3．2%，而补偿后总的谐波畸变率已降为2．7%。补偿前后各次谐波含量如表1所示。
可见各次谐波都有一定程度的降低。需要指出的是，表1中出现了少数谐波值补偿后大于补偿前的情况，这是因为表1中所给为电压的实际值，而补偿前的基波电压低于补偿后的基波电压，若按相对值计算，则各次谐波都能得到抑制。例如，对于11次谐波，补偿前后的谐波电压分别为0．550 V和0．562 V。若按它们的基波电压114．04 V和151．2 V换算成相对值，则补偿前后的11次谐波含量分别为0．48%和0．37%，可见得到了抑制。另外，由于实验条件所限，补偿前电源中的谐波分量很小。考虑到逆变器工作时本身要产生一些谐波，如果电源电压中谐波含量比较大，则装置对谐波的补偿效果将会更好。以上实验结果表明串联型电能质量补偿器对各种电压畸变均有较好的抑制作用，具有实际应用价值。
5 结语
随着电力电子和计算机技术的发展，推出了一系列解决电力系统电能质量问题的补偿装置，串联型电能质量补偿器是这些器件中具有代表性的一种。它可以有效地抑制电源电压的下降、升高以及不对称和谐波等畸变的干扰，提供用户高质量的电能，因而是解决配网电能质量的有效手段之一。本文对串联型电能质量补偿器的仿真计算和实验结果都有力地表明了其良好的电能质量补偿功能。随着电力电子器件以及硬件电路的成本不断降低，串联型电能质量补偿器必将在配电网中得到广泛的应用。
参考文献
［1］Narian GHingorani．Introducing custompower［J］．IEEESpec－trum，1995，32(6)：41－48．
［2］Woodley NH，etal．Experience with an inverter－based dynamicvoltage restorer［J］．IEEE Transaction on Power Delivery，1999，14(3)：1181－1186．
［3］Zhao Jianfeng，Jiang Ping，LiNaihu，TangGuoqing，Den Junx－iong.Study of power quality compensatorsin power system［C］．Proc IEEE PEDS＇1999：1163－1167．
［4］Van DerBroeck H W，Skudeleny H C，StankeG V．Analysisand realization ofpulse width modulator based on voitage spacevector［J］．IEEETranson IA，1988，24(1)：142－150．
［5］CamposA，JoosG，ZiogasP，Lindsay J．Analysisand design of a series compensator forthree－phase unbalanced sources［J］.IEEE Trans Industrial Electronics，1999，39(2)：159－167． ［6］赵剑锋，蒋平，唐国庆（Zhao Jianfeng，Jiang Ping，Tang Guo－qing）．配电系统电能质量补偿器的仿真研究（Simulation StudyofPowerQuality Compensator in Distribution System）［J］．电力电子技术（POWERELECTRONICS），2000，34(3)：43－45．