基于有源滤波器的电网三相负载不平衡补偿方法

技术领域

本发明涉及电网三相负载不平衡补偿技术领域，特别涉及基于有源滤波器的电网三相负载不平衡补偿方法。

背景技术

三相四线配电系统由于其经济效益良好，在住宅和工地得到了广泛的应用[1-2]。在该系统中的馈线上使用单相负载会导致负载电流不均衡，负载不均衡导致中性点电流过大，变压器过热、损耗增加，降低了系统效率。当出现三相不平衡问题时，必须对系统进行负载补偿。三相不平衡分为故障性不平衡和正常性不平衡，其中故障性不平衡主要是由不对称故障(单相接地短路故障居多)造成的，正常性不平衡的原因是负载随机分配导致不均衡。由于无功补偿器能够提高电网输电能力，增强系统稳定性，进行补偿时不会对电网结构产生影响，因此无功补偿被用来解决三相不平衡问题。分别为三相负荷的不合理分配，用电负荷的随机变动和监管配变负荷意识不强烈。在三相四线制电力系统中，三相负载不平衡不仅会导致中性线通过电流，增加损耗，还会危害变压器，降低电动机效率等。

发明内容

本发明的目的在于提供基于有源滤波器的电网三相负载不平衡补偿方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于有源滤波器的电网三相负载不平衡补偿方法，包括以下步骤：

S1：基于矢量定向方法的负荷补偿电流检测；

S2：并联型有源滤波器控制结构；

S3：三相四线制有源滤波器补偿结构及电路参数设置；

S4：仿真验证。

进一步地，针对S1中，空间矢量法能够很好地反映负荷电流的变化，采用矢量定向方法来进行补偿电流的检测，将三相负荷电流在-和d-q坐标系之间变换，首先将三相电流投射到得到-坐标系，再将该坐标系下的电流投射到在d-q坐标系，转换公式如下；

再将d-q电流分量滤波得到电流的基波分量i

此时要准确检测出基波的有功分量和无功分量，需要知道电压位置角

t，因此还需要一个θ角观测器，对u

θ角观测器，此观测器将三相电压从直角坐标系映射到-坐标系。

进一步地，针对S2中，有源滤波器控制结构在三相四线制系统下，控制策略采用电压外环和电流内环的双环串级结构，补偿系统采用电压并联型的四桥臂式结构，由监测电路、指令运算电路、电流控制电路和PWM驱动电路构成。

进一步地，针对S3中，电路中元器件参数选择包括主容量、直流侧电容、直流侧电压U

(1)有源电力滤波器的补偿容量是由系统相电压和最大补偿电流I

S

对低压负荷进行补偿，民用负荷相电压有效值为220V，补偿电流取150A，因此有源滤波器的主容量为100kVA；

(2)直流侧电容的选取规则为

(3)直流侧电压选取标准为

(4)IGBT为电路主要元件，它的额定电压由U

U

U

IGBT选取参数为：额定电流为150A，耐压等级1100V，最大开关频率25kHz；

进一步地，针对S4中，搭建Matlab仿真模型，仿真模型主要由5部分组成，包括：电源模块、不平衡负载模块、检测模块、有源电力滤波器模块和分析处理模块。

进一步地，针对S4中，系统仿真结果分析：仿真参数为：系统电压U

进一步地，负载不平衡情况,配电变压器处于严重的三相不平衡状态，中性线有电流通过，有源滤波器投入后，大约在0.01s后中性点电流削弱到0，在0.12s后三相处于平衡。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出的基于有源滤波器的电网三相负载不平衡补偿方法，搭建了有源电力滤波器补偿系统模型，推导了基本公式，确定了元件参数，搭建了仿真模型，并设计了补偿系统的5大模块，所提出的策略不仅对负载不平衡进行补偿，也能够对极端条件下(如短路故障)造成的不平衡进行补偿，所设计的补偿系统除了能够改善三相不平衡，也能够抑制负序、零序和谐波电流，提高功率因素。

附图说明

图1为本发明的-和d-q坐标变换矢量图；

图2为本发明的电网电压位置角度观测器结构图；

图3为本发明的负荷补偿电流监测示意图；

图4为本发明的三相四线制系统控制结构图；

图5为本发明的三相四线制有源滤波器不平衡负荷补偿系统结构图；

图6为本发明的三相不平衡负载补偿仿真模型图；

图7为本发明的有源电力滤波器模块图；

图8为本发明的补偿电流检测模块图；

图9为本发明的补偿电流控制模块图；

图10为本发明的负载不平衡补偿前后三相电流波形图；

图11为本发明的三相不平衡度变化图；

图12为本发明的A相功率因素变化图；

图13为本发明的单相短路补偿前后三相电流波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

基于有源滤波器的电网三相负载不平衡补偿方法，包括以下步骤：

步骤一：基于矢量定向方法的负荷补偿电流检测；

空间矢量法能够很好地反映负荷电流的变化，采用矢量定向方法来进行补偿电流的检测，将三相负荷电流在-和d-q坐标系之间变换，首先将三相电流投射到得到-坐标系，请参阅图1，再将该坐标系下的电流投射到在d-q坐标系，转换公式如下；

再将d-q电流分量滤波得到电流的基波分量i

此时要准确检测出基波的有功分量和无功分量，需要知道电压位置角

t，因此还需要一个θ角观测器，对u

θ角观测器原理如图2所示，此观测器将三相电压从直角坐标系映射到-坐标系，负荷补偿电流的监测示意图如图3所示；

步骤二：并联型有源滤波器控制结构；

有源滤波器控制结构在三相四线制系统下，控制策略采用电压外环和电流内环的双环串级结构，其控制结构如图4所示；

步骤三：三相四线制有源滤波器补偿结构及电路参数设置；

偿结构如图5所示，补偿系统采用电压并联型的四桥臂式结构，由监测电路、指令运算电路、电流控制电路和PWM驱动电路构成，电路中元器件参数选择包括主容量、直流侧电容、直流侧电压U

(1)有源电力滤波器的补偿容量是由系统相电压和最大补偿电流I

S

对低压负荷进行补偿，民用负荷相电压有效值为220V，补偿电流取150A，因此有源滤波器的主容量为100kVA；

(2)直流侧电容的选取规则为

(3)直流侧电压选取标准为

(4)IGBT为电路主要元件，它的额定电压由U

U

U

IGBT选取参数为：额定电流为150A，耐压等级1100V，最大开关频率25kHz；

步骤四：仿真验证；

如图6-9，搭建Matlab仿真模型，仿真模型主要由5部分组成，包括：电源模块、不平衡负载模块、检测模块、有源电力滤波器模块和分析处理模块。

系统仿真结果分析：仿真参数为：系统电压U

图10，负载不平衡情况,配电变压器处于严重的三相不平衡状态，中性线有电流通过，有源滤波器投入后，大约在0.01s后中性点电流削弱到0，在0.12s后三相处于平衡。

图11，有源滤波器投入后，三相不平衡度逐渐下降，最终负序电流不平衡度降低了3.1％，零序电流不平衡度降低到了0.114％。

从图12可以看出，投入有源滤波器后，功率因素得到极大提高.

图13，发生单相短路故障后，配电变压器输出侧电流的不平衡程度和THD(波形畸变程度)得到明显改善，电流波形基本趋于正弦波。

真模型进行验证，得到以下主要结论。

(1)搭建了有源电力滤波器补偿系统模型，推导了基本公式，确定了元件参数，搭建了仿真模型，并设计了补偿系统的5大模块。

(2)所提出的策略不仅对负载不平衡进行补偿，也能够对极端条件下(如短路故障)造成的不平衡进行补偿。

(3)所设计的补偿系统除了能够改善三相不平衡，也能够抑制负序、零序和谐波电流，提高功率因素。

综上所述；本发明的基于有源滤波器的电网三相负载不平衡补偿方法，搭建了有源电力滤波器补偿系统模型，推导了基本公式，确定了元件参数，搭建了仿真模型，并设计了补偿系统的5大模块，所提出的策略不仅对负载不平衡进行补偿，也能够对极端条件下(如短路故障)造成的不平衡进行补偿，所设计的补偿系统除了能够改善三相不平衡，也能够抑制负序、零序和谐波电流，提高功率因素。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。