摘要：有源電力濾波器的控制方式?jīng)Q定了它對電網(wǎng)中的電壓、電流等諧波的補償效果。本文針對電網(wǎng)中的電壓傳感器置于電網(wǎng)中的不同位置（電源端與負荷端）兩種情況，研究電壓傳感器產(chǎn)生參考信號時對電網(wǎng)供電指標的影響。研究表明，在不對稱模式下三相電源系統(tǒng)中，在負載終端接入電壓傳感器測量相電壓時能夠有效地減輕網(wǎng)絡(luò)相電壓和電流的效率、移位系數(shù)下降并且降低電網(wǎng)的總諧波失真。最后，在Matlab中對帶有電力有源濾波器的供電系統(tǒng)進行建模并仿真，證實了所提研究的真實性。

關(guān)鍵詞：有源電力濾波器；電壓測量；供電系統(tǒng)

中圖分類號：TM464文獻標識碼：A

AnalysisofActivePowerFilterVoltageMeasurementLocation

YuanPengsheng

JiangsuGuangshiElectricCo.，LtdJiangsuXuzhou221000

Abstract：Thequalityofcompensationofharmonicdistortionsfornetworkvoltagesandcurrentsbymeansoftheactivepowerfilterdependsonthecontrolsystemsettings.Thedifferenceinqualityindicatorsofpowersupplywhenplacingphasesensorsofthenetworktogenerateareferencesignalfortwopossiblecases–onthenetworkterminalsandontheloadterminals（atthepointofloadconnection）isshowedinthepaper.Itisprovedthatinasymmetricalmodesofthreephasepowersupplysystemoperationtheplacementofphasevoltagesensorsonloadterminalsleadstoadecreaseintheefficiency，shiftcoefficientandanincreaseintheTHDofanetworkphasevoltagesandcurrentsincomparisonwiththesecondcase.ThedevelopedtheoreticalpropositionsusingthemodelingofpowersupplysystemwithpoweractivefilterinMatlabenvironmentareconfirmed.

Keywords：activepowerfilter；voltagemeasurement；powersupplysystem

并聯(lián)型有源電力濾波器（Activepowerfiltersofparalleltype，APFs）已大量用于具有非線性不對稱負載的三相供電系統(tǒng)（Powersupplysystems，PSS），用來減少負載對其他電力用戶的影響并提高電力質(zhì)量［1］。

目前，國內(nèi)外學者針對現(xiàn)有的有源濾波器控制系統(tǒng)提出了多種設(shè)計方案，并給出了相應(yīng)的優(yōu)化算法。目前所有的APF控制算法的基礎(chǔ)是通過獲得三相PSS的電壓和電流傳感器的測量數(shù)據(jù)，來計算補償器電流。通常情況下，補償器的電流是按照供電系統(tǒng)的相電壓比例計算的［2］。目前用于確定相電壓測量位置的方法主要有兩種：第一種是將電壓傳感器置于電網(wǎng)端（如變電站等）［3］；第二種是將電壓傳感器置于負荷端（即直接連接APF的位置）［4］。

1測量電源終端的相電壓的瞬時值

圖1為帶有APF的電源系統(tǒng)的簡化等效電路，并標出了電壓傳感器的可能接入的位置。由圖1可得，負載可以借助帶有有源Rs電阻和Ls電感且足夠長的線路連接到電源。此時，電壓傳感器獲得的相位電壓瞬時值在線路的兩端會有很大的差異，顯然不同的參考電壓值對通過帶有有源電力濾波器的電源系統(tǒng)對相電流進行定性補償有不同的影響。然而，在目前的文獻中還沒有對上述兩種電壓傳感器接入位置進行比較。

因此，本文主要研究的是電壓傳感器接入位置即相電壓測量點對具有非線性和不對稱負載的三相供電系統(tǒng)中有源電力濾波器運行的定性特征的影響。

在圖1中，APF可由一個可控電流源Jc所取代。根據(jù)基爾霍夫第一定律，網(wǎng)絡(luò)電流的廣義空間向量可以通過負載和APF電流的廣義空間向量表示，如式（1）：

is=iL－ic=iLa－ica

iLb－icb

iLc－icc（1）

式中iLa，iLb，iLc，ica，icb，icc分別是相位負載電流和APF電流的瞬時值。

根據(jù)計算補償器電流的矢量比例法，電源電流的廣義矢量可通過測量所得的電源和負載電流兩端的相電壓瞬時值來確定，如式（2）：

is1=PSLus2us=1T∫t+Ttus·iLdtu2sa+u2sb+u2scus（2）

其中PSL是不考慮補償器電流時供電網(wǎng)絡(luò)的平均值，us=us·usT0.5是網(wǎng)絡(luò)電壓的廣義空間矢量的模數(shù)。

由式（2），供電系統(tǒng)的效率可由下式表示：

η1=PL1Ps1=iL·uLis1·us=iL·uL1T∫t+TtuL+Δu·iLdt（3）

其中，Δu是連接電源和負載的線路上的廣義空間電壓降矢量；T是重復周期，在本文中等于電源網(wǎng)絡(luò)電壓周期。

2測量負載終端的相電壓瞬時值

如果在負載上測量相電壓，由于電壓傳感器和APF本身位于一個位置，從而極大地簡化了電力有源濾波器控制系統(tǒng)的設(shè)定，同時也不需要使用額外的接口設(shè)備來傳輸測量信息。此時，根據(jù)計算補償器電流的矢量比例法，電源電流的廣義矢量可通過測量所得的負載相電壓瞬時值和負載電流來確定：

is2=PLu2LuL=1T∫uL·iLdtu2La+u2Lb+u2LcuL（4）

由式（4），PSS的效率可以表示為：

η2=PL1Ps1=iL·uLis2·us=iL·uLKT∫tuL·iLdt（5）

其中：

K=us·uLu2L=USLuL（6）

式中uL=（uL·uTL）0.5是負載終端的廣義空間電壓矢量的模塊；USL是網(wǎng)絡(luò)電壓空間矢量投射到負載終端的空間電壓矢量方向。

結(jié)合式（3）和式（5），對于任何對稱的三相供電系統(tǒng)，計算補償器電流的矢量比例法得到了相同的結(jié)果，那么有：

ψ=η2η1=1T∫t+TtuL+Δu·iLdtKT∫t+TtuL·iLdt=1KT∫t+TtKdt（7）

由式（7），對于一個在對稱的三相供電系統(tǒng)，滿足以下等式：

Ψsm=1T∫t+Ttψdt=1（8）

同樣地，對于任何不對稱的三相供電系統(tǒng)，式（8）可修改為：

Ψam=1T∫t+Ttψdt>1（9）

值得注意的是，由式（9），在供電系統(tǒng)中，電壓和電流的不對稱性系數(shù)越大，對負載終端的電壓測量的積極作用就越大。同理，Ψam的值也取決于連接電纜線的參數(shù)。

3帶有源電力濾波器的三相供電系統(tǒng)仿真

為了驗證在負載終端測量三相PSS相電壓瞬時值的優(yōu)越性，用MATLAB進行仿真，建立額定功率為400kW的非線性不對稱負載和APF的PSS模型。線路的電感由1μH變化至100μH，并測量電網(wǎng)的定量和定性指標。對APF與負載終端斷開以及連接時電壓傳感器的四種接入情況進行仿真：（1）接入并測量電源終端的相電壓瞬時值；（2）接入測量負載終端的相電壓瞬時值；（3）同時接入并測量電源和負載終端的相電壓瞬時值，由下式計算：

usL1=UmsUmLuL（10）

其中Ums、UmL分別為供電網(wǎng)絡(luò)和負載的相電壓幅值的廣義向量；（4）同時接入并測量電源和負載終端的相電壓瞬時值，由下式計算：

usL2=us+uL2（11）

圖2和圖3為仿真結(jié)果，表示四種PSS指定工作模式下電源質(zhì)量指標對線路電感變化的依賴性，通過仿真結(jié)果計算得以下電網(wǎng)供電指標：效率的平均值（圖2）；功率因數(shù)的平均值（圖3）；無功功率的平均值（圖4）；網(wǎng)絡(luò)電流總諧波畸變系數(shù)的平均值（圖5）。圖中曲線的編號（1，2，3，4）對應(yīng)上文所提的四種電壓傳感器接入情況。

比較四種情況下電壓傳感器接入不對稱三相PSS測量相電壓的仿真結(jié)果，不難得出，當電壓傳感器測量位置位于負載終端時，電網(wǎng)供電指標可以得到有效的提升。

4結(jié)論

本文對帶有源電力濾波器的三相供電系統(tǒng)等效電路進行了分析，發(fā)現(xiàn)在對稱三相供電系統(tǒng)中，電壓傳感器接入電源端和負載端測量相電壓瞬時值時對系統(tǒng)的運行影響不大。在不對稱三相供電系統(tǒng)中，電壓傳感器接入負載端測量相電壓瞬時值時能夠有效地提升電網(wǎng)供電指標。

對三相供電系統(tǒng)在不對稱負載的情況下進行的仿真結(jié)果表明：（1）如果將接入負載端的電壓傳感器獲得的測量信號引入APF的控制環(huán)節(jié)中可以獲得更高的電源特性；（2）如果在電源終端接入電壓傳感器測量相電壓，將對電源網(wǎng)絡(luò)的效率和相電壓和電流的非線性失真系數(shù)等產(chǎn)生影響；（3）在負載終端接入電壓傳感器測量相電壓可以明顯地消除上述負面影響，并使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更耐受外部參數(shù)的變化。

綜上所述，在實際供電系統(tǒng)中應(yīng)用并聯(lián)型電力有源濾波器時，應(yīng)在負載端或APF接入供電網(wǎng)絡(luò)的位置接入電壓傳感器。

參考文獻：

［1］唐鈺政，劉書銘，張博，等.弱電網(wǎng)下有源濾波器諧振與抑制策略研究［J］.武漢大學學報（工學版），2023，56（01）：122128.

［2］王秀芹，趙吉文，王群京，等.一種改進型三相四線制諧波檢測方法［J］.電機與控制學報，2020，24（09）：8494.

［3］谷嶺，劉超，王煒，等.并聯(lián)有源電力濾波器優(yōu)化控制方法［J］.電力電子技術(shù)，2022，56（01）：107110.

［4］張艷軍，楊晟飛，王耀.一種無電流檢測的并聯(lián)型有源電力濾波器［J］.電力電子技術(shù)，2013，47（12）：7880.

作者簡介：袁朋生（1971—），男，漢族，湖南長沙人，博士，高級職稱，研究方向：電力系統(tǒng)自動化。