电力系统综合补偿方法的研究

清华大学（北京 100084） 包桂秋

内蒙古工业大学（呼和浩特 010062） 刘永和

摘 要：随着电力电子技术的发展，大功率电子元件的应用越来越广泛，大大地促进了国民经济的发展。同时，大功率电子元件的广泛应用造成了电力系统的无功、谐波和不对称运行问题的日趋严重。主要讨论了电力系统运行中的谐波抑制、无功补偿和不对称负载的对称化问题。在两相系统中给出了瞬时实功率和瞬时虚功率的定义。详尽地分析了瞬时实功率和瞬时虚功率的频谱特性，依据分析结果，给出了一种电力系统综合补偿指令的产生方法，并给出了对这一综合补偿系统进行仿真实验的结果。

关键词：综合补偿；瞬时实功率；瞬时虚功率；瞬时功率谱 随着电力电子技术的发展，非线性开关技术得到了广泛的应用。对国民经济的发展起到很大的促进作用。但是，各种非线性电子设备的广泛使用，也使得电力系统谐波、无功和运行的不对称问题日益明显，造成了电网供电质量下降，严重地影响了电力系统的正常工作。

传统的供电线路补偿主要采用无源补偿装置。无源补偿装置价格低、运行可靠，但是它无法补偿快速闪变负载产生的谐波和无功，在谐波严重的情况下，其运行的可靠性显著降低，一旦无源补偿装置与谐波发生谐振，将会造成谐波放大，导致严重的供电故障。

采用快速的、具有自关断功能的电子器件组成的有源装置调节器APLC（Active Power LineConditioner）来实现电路的综合补偿，除了其功率损耗略高外，基本上克服了采用无源补偿装置可能出现的问题。因此，这一技术在电力系统中受到了越来越广泛的关注。

APLC系统主要包括两大方面：大功率补偿电流发生装置的实现和合理的产生出补偿电流指令。随着电力电子技术的发展，大功率快速可关断元件的成熟，大功率补偿电流发生装置的实现在技术上已完全可能，因此，APLC技术的关键问题就变成了产生补偿电流指令的控制策略的问题。补偿指令产生方法直接影响了补偿指令的准确性和系统综合补偿的效果。

1 综合补偿方法原理

APLC补偿装置的工作原理见图1。设非线性负载的工作电流为IL，它不仅包含基波电流，而且包含谐波电流分量和不对称电流分量。若非线性负载的工作电

流中的无功分量、谐波分量和不对称分量由APLC提供，则电流IS仅需向电路提供非线性负载的有功分量，这样E点的电压就不会发生畸变，有效地改善了供电系统的供电质量。

因为IS为标准正弦信号，且其电流与E点电流同相位，又IS＝IL－IC，所以要求APLC装置提供的电流IC必需恰好等于IL的无功分量、谐波分量和不对称分量的总和。

通过对系统瞬时实功率和瞬时虚功率的分析，可以得到需要补偿的电流IC的大小，将补偿电流指令输入执行机构，补偿电力系统的无功，抑制谐波和平衡其不对称分量。

1．1 三相系统的瞬时功率

本文所说的瞬时功率并不具有真正的物理意义，它是利用两相系统所在平面

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的电流电压的点乘和叉乘来定义的：

用上述方法定义的瞬时实功率和瞬时虚功率不包含电源电压的零序分量产生的功率分量。当电源电压不含零序分量时，（9）式定义的三相系统的瞬时功率与传统意义的瞬时功率W（t）完全相同。 1．2 三相系统瞬时功率的频谱特性

对于任意的三相系统，若不含直流分量，则其电压、电流都可以分解成基波分量和谐波分量，即：

由（14）和（15）式可知，瞬时实功率P（t）和瞬时虚功率Q（t）各频率分量的分布与电源电压和负载电流的各频率分量之间有如下关系： （1）电源电压和负载电流的同频同序分量产生它们的直流分量；

（2）电源电压和负载电流的异频或同频异序分量产生它们的交流分量； （3）当电源电压和负载电流都为不对称非正弦电量时，P（t）和Q（t）的频率为一离散频谱，当电源电压的基频为f时，P（t）和Q（t）的各频率分量的频率为：0，f，2f，3f…。

当电源电压为三相对称正弦电压时，由（16）和（17）式可知，瞬时实功率P（t）和瞬时虚功率Q（t）各频率分量有如下特征： （1）电流的正序基波分量产生直流分量；

（2）电流的逆序分量和谐波分量产生它们的交流分量；

（3）P（t）和Q（t）的最低频率分量的频率由电流的最低次正序谐波减1决定。

依据以上的分析，可以设计适当的滤波器将电源的有功功率P（t）的直流分量、交流分量和无功功率Q（t）分离开，从而得到需要补偿的功率分量P＊（t）和Q＊（t）。

1．3 系统的补偿电流指令

由以上讨论可知，有功功率P（t）、交流分量P（t）和无功功率Q（t）是APLC系统需要补偿的部分。即：P＊（t）＝P（t），Q＊（t）＝Q（t）。因此，两相系统的补偿电流指令为：

2 仿真实验

为了验证方法的有效性，对这种基于瞬时实功率和瞬时虚功率产生综合补偿指令的电力系统综合补偿方法进行了仿真实验，实验所需的大功率电子装置用交流电机代替。其输入电压为380V正弦电压，电流的最大幅值是110 A，其波形如图1、2所示。图中IC为补偿指令电流信号波形；I1为负载电流信号波形。

对比图1和图2的波形可见：

（1）补偿指令加入前，电流波形中包含有谐波分量，电流电压之间也有一定的相位差。

（2）加入补偿电流后，电流信号的谐波成分明显降低，电流与电压之间的相位差得到了相应的补偿（补偿前，电流与电压之间的相位差大约为π／4，加入补偿指令后，电流电压之间的相位差几乎减为零）。 以上结果表明，利用基于瞬时实功率和瞬时虚功率产生补偿信号指令的补偿策略对电力系统进行综合补偿，其补偿的效果是令人满意的。