张文魁，吕高飞，龚长武

（华信咨询设计研究院有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引 言

随着现代化转型的逐步完成，我国电力行业的转型发展也基本实现，从电力的配电网络方面分析，当前因电力系统日益系统化与复杂化，采用了分布式的配电方式，以解决由此造成的负载过大问题。但是，分布式配电网络中存在多个谐波源。为了有效解决此类问题，需要采用一些具体的优化方案，使其可能产生的污染问题得到有效治理。本文以此现实需求为出发点，结合日常工作经验对相关问题展开说明。

1 多级有源滤波系统

在配电网络中，采用分布配电方式后，谐波源的数量也会相应增加。因此，针对多个非线性负载的处理方面，若运用单一有源滤波器，就不能起到好的处理效果。具体而言，当处于多谐波源网络中，只对其中某一个点安装有源滤波器，它只能在实际上对安装点处的谐波问题处理有效果，而对于其他各点的谐波问题无法进行处理，因此整体上就无法实现整条线路上的谐波控制。在分布式配电网络中，若要解决这个问题，就需要在各个点安装有源滤波器，具体安装位置是各母线侧，由此构造一个多级有源滤波系统，目的是针对谐波污染进行协调控制。从控制效果方面分析，若要进一步实现优化，或者使整个控制系统达到较佳的控制状态，则需要针对各个有源滤波器实施单元单独控制。这样就要求在优化方案中采用滞环空间矢量法，从而形成分布式多级有源滤波系统。从电路结构构成方面分析，非线性负载就在含谐波的电流源中；而根据基尔霍夫定律，滤波器补偿电流已知，因此在基波分量与谐波分量共同作用的情况下就会产生电流。换句话讲，谐波电流就是有源滤波器的基准，它的作用就是补偿一个与它相等的电流。为了形象地进行说明，可以假设有4个电流，它们所在的线路分别对应着1、2、3、4个对应线路；当其中的任一（若选择线路3）对应线路上安装有源滤波器，那么就会对应地处理这个线路（对应线路3），但对其他（如线路1、线路2、线路4）线路则不起作用；当其中的两条线路安装时，如线路1和线路3，此时就能够达到提升多条线路的谐波治理效果。简单来说，分布式安装中安装线路越多，其谐波治理效果越好[1]。

2 有源滤波器谐波检测

在实际的应用多级有源滤波系统中，经验表明必须先进行电流控制与谐波检测。

在本次研究中，针对有源滤波器谐波电流的检测，考虑到计算时的简单性、适应性以及实时性，选择单位功率因数法；谐波源的模型方面，则选择非线性负载模型。在具体的检测计算中，假定单位功率因数为1的前提下，线路中不含有谐波；在不含有谐波的条件限定下，非线性负载就等于电阻值，或者说负载只具有电阻属性，因此就可以将此时的电阻值作为谐波电流。另外，有源滤波器有补偿作用，这样就可以确保电压与电流在电网侧始终保持同相位。也就是说，在三相负载未发生畸变的条件下，电压的理想情况就可以进行具体的计算，同时也能够计算出三相电流值，进而换算出补偿电流。本次运算中使用的公式如下。

（1）电压关系式：

（2）设k=等效电导，则三相电流公式：

（3）设基波电流，iq=广义无功电流组成，那么，iL=负载电流的情况下，前两种电流构成负载流电，此时就可以根据傅里叶变换法换算后得到负载电流关系式：

（4）根据假定，设功率因数为1，那么补偿电流就可以用式（4）进行计算得出：

因此，就可以计算出假定范围内的各项参数，并根据要素构成在结构层面构造出单位功率因数框图，此时设定低通滤波器，那么对应的直流分量就可以直接获得。这样只需针对控制器参数进行合理的选择，就能够确保直流侧电容电压的稳定性。

3 有源滤波器的控制方法

厘清有源滤波器谐波各项参数，并对其中的检测方法明了后，就可以针对有源滤波器进行控制方法方面的进一步分析。

首先，从设计思路方面分析，滞环空间矢量对应于三相逆变电流，因此在开关频率控制方面只需要借助滞环宽度调节方法就能够实现；至于开关状态，则只需要进行矢量选择即可，具体是针对获得的误差电流与参考电压进行矢量选择。众所周知，对8种开关状态进行磁链分析，根据开关频率的频次调节就能够实现磁链圆的接近状态，最终获得谐波控制目标。具体而言，在滞环宽度调节方面，只需要根据影响因素分别将三相电路各参考电压与输入电流进行影响关系分析，进而明确部分之间不存在影响关系，各部分只与滞环宽度相关，那么就能够以单相逆变电路的结构作为模型进一步进行处理。其次，在空间矢量控制方面，根据左侧环宽调节输出误差电流、右则理想状态参考电压进行比较分析，然后实现矢量选择就能够得到一组最佳的开关函数。假定电压与电流状态的条件下，若有6个区间，那么设误差电流区为6区，参考电压为1区，根据6个扇形顶点，就能够以其各点为出发点，构建一个与参考电压相连接的6个矢量；根据误差电流快速趋近原点作为定位矢量，那么对应电压就是最优电压矢量，即误差电流在矢量规则下越拉近原点，与其关联的参考电压越能够得到优化；这样各个区间的最优电压矢量都能够根据矢量空间的位置进行观察与计算，从而得到对应的控制。其中，设参考电压为U*，在6个扇形中就能够将它分为两个部分，分别为正区与负区，此时状态信息若用Xab、Xbc、Xca表示，就得到公式：

设电流状态信息为Ba、Bb、Bc，j=a,b,c；那么，就可以用公式表示如下：

4 仿真研究

在应用多级有源滤波系统的分布式电源谐波治理方案拟定后，可以通过仿真研究进一步的确定方案。仿真平台的选择，以MATLAB/Simulink仿真平台为准，可以进行分布式多级有源滤波系统的电源接入配电网仿真模型搭建。并通过三种类型进行比较分析：（1）不含或0个有源滤波器类型；（2）单个或1个滤波器类型；（3）2个滤波器类型。

首先，构建配电网络结构。其中主要构成分别是：三相电网线，电压为380 V，电压频率为50 Hz；非线性负载为4个整流桥，电感值为8 mH，电阻值为20 ；有源滤波器，开关频率为10 kHz。

其次，按照类型划分，分别进行仿真计算。第一，进行不含或0个有源滤波器仿真。此时，谐波器电路没有滤波器，那么谐波畸变就是在每条线路中发生，且畸变较大。以线路1为例，则会在对应的电流波形下，计算得到总谐波畸变率为34.1%。第二，进行单个或1个有源滤波器类型仿真。此时，任意选择一条线路如线路2，那么当安装1个有源滤波器时，若每条线路上的总谐波发生失真，线路2的谐波却能够得到治理，但线路1、3、4却依然存在谐波畸变。对安装1个滤波器类型上的其他线路上的谐波畸变率进行比较，就会发现线路1、2、3、4的谐波畸变率分别为29.8%、3.4%、41%、44.1%，线路3与线路4明显大于未安装滤波器时的谐波畸变。第三，在多级有源滤波系统中安装2个滤波器，若给线路2和线路4分别安装，那么就可以通过计算看出，总谐波失真的情况下，线路1、2、3、4的谐波畸变率分别为20.5%、2.08%、28.4%、3.21%，整体上改善了谐波污染情况。根据对3个不同类型的分布式电源谐波治理方案进行比较，发现在应用多级有源滤波系统的分布式电源谐波治理方案中，采用2个滤波器类型效果较佳。因此能够证明在两个节点之间找到治理关系，就可以更好地解决分布式电源谐波污染问题，从而达到治理目标[2]。

5 结 论

随着现代电力行业的整体改革，电力行业已经形成了系统性的电力配电网络。因此，为了保障该配电网络系统的安全有效运行，必然需要从技术资源匹配的角度，进行一些优化升级处理。通过上文初步分析可以看出，应用多级有源滤波系统中的分布式电源谐波治理方案时，应该增强对其控制方法的完善。仿真研究结果表明，在构建新型电网模型时，借助2个有源滤波器作为控制目标，能够起到简化结构的作用，从而实现在简化电网结构条件下，选取一个节点电能作为参考点应用滞环空间矢量电流控制法。另外，匹配性设置分布电源之间的阻抗值、滞环宽度等具体措施，可以更好地优化多级有源滤波系统的分布式电源谐波治理功能，达到有效控制目的。。