一種35kV大容量無功補(bǔ)償與諧波抑制綜合系統(tǒng)

孫 娟，羅 安，帥智康，張久林

(1.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410082;2.重慶市電力公司檢修分公司，重慶400020)

1 引言

本文研究的課題是基于廣西某35kV變電站的電能質(zhì)量問題［1-2］，在現(xiàn)有的有源濾波器與無源濾波器構(gòu)成的混合有源濾波中，注入式有源濾波器［3-4］理論上可實(shí)現(xiàn)高壓大容量諧波抑制與無功補(bǔ)償，已成為國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)。然而，在實(shí)際工程應(yīng)用中，電網(wǎng)頻率發(fā)生波動(dòng)，注入式有源濾波器基波諧振注入支路的諧振點(diǎn)發(fā)生偏移而振蕩，極易造成對(duì)有源部分的沖擊，導(dǎo)致直流側(cè)電壓抬升，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性［5］。因此，本文提出一種適用于35kV變電站的大容量諧波抑制與無功補(bǔ)償綜合系統(tǒng)，分別從系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、補(bǔ)償原理和保護(hù)措施進(jìn)行闡述，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果驗(yàn)證了補(bǔ)償系統(tǒng)的有效性。

2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和補(bǔ)償原理

35kV大容量諧波抑制與無功補(bǔ)償綜合系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，包括有源電力濾波器、輸出電感、并聯(lián)電感、隔離變壓器、單調(diào)諧無源濾波支路和多組無源電力濾波器，有源電力濾波器的輸出經(jīng)過輸出濾波電感后與電感并聯(lián)接在隔離變壓器的原邊，隔離變壓器的副邊與單調(diào)諧無源濾波支路串聯(lián)，然后與無源濾波器組并入電網(wǎng)。隔離變壓器的原副邊的匝數(shù)比為1∶2，變壓器原邊的有源電力濾波器和電感并聯(lián)連接，其基波等效阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于變壓器副邊的單調(diào)諧無源濾波支路阻抗，因此分壓很小，有源電力濾波器承受的系統(tǒng)基波電壓很低，有利于減小其容量，降低成本。此外，在系統(tǒng)上電瞬間或電網(wǎng)電壓發(fā)生突變時(shí)，由于電容器電壓不能突變，單調(diào)諧無源濾波支路電感和變壓器二次側(cè)的并聯(lián)電感進(jìn)行阻抗分壓，對(duì)有源部分沖擊很小，不會(huì)造成直流側(cè)電壓抬升，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。無源濾波器組與有源部分并聯(lián)接入電網(wǎng)，濾除特征次諧波和高次諧波。單調(diào)諧無源濾波器作為有源電力濾波器的注入支路，為逆變器發(fā)出的特征次諧波電流提供低阻抗通道，可以實(shí)現(xiàn)很好的濾波效果。

并聯(lián)混合型有源濾波器中無源濾波器組相對(duì)于有源部分，其基波阻抗很小，有較大的基波無功電流流入，因而能夠補(bǔ)償較大容量的無功功率。同時(shí)，有源部分并聯(lián)電感的存在，基波電壓大部分由單調(diào)諧無源濾波支路承擔(dān)，不會(huì)對(duì)有源部分造成影響。因此，并聯(lián)混合型有源濾波器進(jìn)行無功補(bǔ)償不會(huì)導(dǎo)致其有源部分容量的增大，也就是說，并聯(lián)混合型有源濾波器運(yùn)行特點(diǎn)是:只由無源部分補(bǔ)償無功功率，有源部分和無源部分共同抑制諧波，降低了系統(tǒng)的工程造價(jià)。

圖1 35kV大容量諧波抑制與無功補(bǔ)償綜合系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topological structure of 35kV large capacity reactive power compensation and harmonic suppression integrated system

3 有源濾波器檢測(cè)和控制方法

為實(shí)現(xiàn)有源濾波器的諧波抑制功能，通過檢測(cè)電網(wǎng)諧波電流，控制逆變器輸出電壓，使它對(duì)電網(wǎng)電流的貢獻(xiàn)與電網(wǎng)中的諧波電流大小相等、方向相反，本文采用有源濾波器電壓電流綜合控制方法，如圖2所示。

圖2 有源濾波器的檢測(cè)和控制方法Fig.2 Detection and control method of active power filter

電壓電流綜合控制方法由直流電壓控制外環(huán)和電流控制內(nèi)環(huán)組成。直流側(cè)電壓控制外環(huán)包括以下步驟:① 檢測(cè)直流側(cè)電壓信號(hào)ucf;②計(jì)算直流側(cè)電壓參考信號(hào)ucr與采樣有源電力濾波器直流側(cè)電壓信號(hào)ucf的差值Δudc;③Δudc經(jīng) PI調(diào)節(jié)器后得到調(diào)節(jié)信號(hào)，疊加到瞬時(shí)有功電流的直流分量上，使得有源電力濾波器的補(bǔ)償電流中包含一定的基波有功電流分量，從而使有源電力濾波器的直流側(cè)與交流側(cè)交換能量，將調(diào)節(jié)至給定值。

采用PWM整流方式給直流側(cè)電容供電，實(shí)時(shí)檢測(cè)逆變器直流側(cè)電容電壓，與參考值比較并進(jìn)行負(fù)反饋，以維持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。當(dāng)電網(wǎng)諧波電壓較高或電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落而引起直流側(cè)電壓下降時(shí)，PI控制器輸出正信號(hào)，逆變器補(bǔ)償電流中基波有功電流分量增大，交流側(cè)的瞬時(shí)有功功率傳遞到直流側(cè)，直流側(cè)電壓升高;同理，若直流側(cè)電壓低于參考值，PI控制器輸出負(fù)信號(hào)，逆變器補(bǔ)償電流中基波有功電流分量減小，瞬時(shí)有功功率從直流側(cè)向交流側(cè)傳遞，直流側(cè)電壓下降，這種閉環(huán)控制方法克服了不可控整流方式給直流側(cè)電容供電時(shí)存在的直流側(cè)電壓飆升的不足。

電流控制內(nèi)環(huán)包括以下步驟:

采用基于瞬時(shí)無功功率的ip_iq算法，正弦電壓ea通過鎖相環(huán)和正、余弦發(fā)生電流得到與電源電壓ea同相位的正弦信號(hào)和對(duì)應(yīng)的余弦信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)和 ia、ib、ic共同計(jì)算出基波有功電流 ip和基波無功電流iq，LPF濾波可得到其直流分量，綜合直流側(cè)電壓調(diào)節(jié)信號(hào)的直流分量再經(jīng)反變換即可計(jì)算出iaf、ibf、icf，用系統(tǒng)原來的電流和計(jì)算出的基波電流作差，就會(huì)得到所有的諧波電流。

基于瞬時(shí)無功功率的ip_iq算法檢測(cè)出的諧波電流，采用無差拍控制算法，控制逆變器IPM模塊，產(chǎn)生補(bǔ)償電流。

4 系統(tǒng)保護(hù)措施

對(duì)于工作在高壓系統(tǒng)的濾波器而言，提供完善的保護(hù)功能對(duì)裝置的安全和可靠運(yùn)行具有非常重要的意義。系統(tǒng)無源濾波器的保護(hù)包括電容器不平衡保護(hù)和電抗器匝間短路保護(hù)。電容器不平衡保護(hù)用于檢測(cè)高端電容器的故障，高壓端電容器承受了系統(tǒng)所有的直流壓降和大部分諧波壓降，為降低電容器的電壓等級(jí)，采用兩個(gè)等值電容器串接的形式。電容器的兩端并聯(lián)連接干式放電線圈，將干式放電線圈二次側(cè)兩個(gè)繞組的首端短接，測(cè)量?jī)衫@組末端的電壓。正常運(yùn)行時(shí)，兩繞組末端的電壓為一個(gè)很小的恒定值。當(dāng)電容器發(fā)生故障時(shí)，兩繞組末端的電壓變大，由此作為不平衡保護(hù)動(dòng)作的判據(jù)。電抗器匝間短路保護(hù)用于檢測(cè)電抗器匝間短路故障，正常情況下，加載在電容器和電抗器上的電壓比值是一個(gè)相對(duì)恒定的量，當(dāng)電抗器發(fā)生匝間短路時(shí)，電壓比由于電抗器的變小而變大，由此可以判斷電抗器的匝間短路故障。電容器電壓可由兼做電壓互感器的電容放電線圈獲取，電抗器電壓可通過母線電壓與電容器電壓之差獲得。為防止母線電壓互感器斷線或母線無壓時(shí)導(dǎo)致電壓比偏離穩(wěn)定值，因此增加了母線有壓判據(jù)。

除此之外，為了抑制無源濾波器組上電瞬間電容器上的過電壓，在電容器與電感的連接處接有避雷器。并聯(lián)在電容器兩端的干式放電線圈使無源濾波器組從電力系統(tǒng)切除后電容器上的剩余電荷迅速釋放，有效防止無源濾波器組再次合閘時(shí)的合閘過電壓和過電流，確保檢修人員的安全。

有源濾波器的保護(hù)包括硬件保護(hù)和軟件保護(hù)。硬件保護(hù)檢測(cè)有源濾波器并聯(lián)電感上的電壓、直流側(cè)電壓和逆變器輸出電流以及逆變器IPM模塊的溫度，當(dāng)電壓、電流和溫度大于保護(hù)設(shè)定值時(shí)，硬件繼電器發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，有源濾波器真空開關(guān)跳閘。軟件保護(hù)體現(xiàn)在DSP控制程序中，圖3所示為控制器的主程序，主程序開始進(jìn)行系統(tǒng)初始化并檢測(cè)過零信號(hào)，開啟全局中斷，查詢AD轉(zhuǎn)換標(biāo)志位，AD采樣完成后，通過數(shù)學(xué)計(jì)算還原電壓電流采樣值，此后進(jìn)行過壓、過流判斷，當(dāng)采樣信號(hào)超過設(shè)定值，程序?qū)a(chǎn)生PWM封鎖脈沖，DSP控制器停止發(fā)波，實(shí)現(xiàn)軟硬件雙重保護(hù)。

圖3 主程序流程圖Fig.3 Main program flowchart

5 工程應(yīng)用結(jié)果

目前，采用該設(shè)計(jì)的大容量無功補(bǔ)償與諧波抑制綜合系統(tǒng)已經(jīng)在變電站成功投運(yùn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際工況，5、7、11次諧波含量很大，經(jīng)過系統(tǒng)諧振情況以及補(bǔ)償效果仿真后，無源部分采用5、11次單調(diào)諧無源濾波器，有源部分注入支路設(shè)計(jì)成為7次單調(diào)諧無源濾波器。圖4和圖5分別是投入綜合補(bǔ)償系統(tǒng)前后的電網(wǎng)35kV母線上的電流波形，通過兩圖比較可以看出，裝置投運(yùn)前電網(wǎng)側(cè)電流波形畸變嚴(yán)重，畸變率達(dá)18.8%，裝置投運(yùn)后，電流波形接近正弦波，電流畸變率下降到2.1%。補(bǔ)償前后電網(wǎng)功率因數(shù)由0.82上升到0.95，工程實(shí)踐充分說明了本文所設(shè)計(jì)的綜合系統(tǒng)能夠有效地抑制電網(wǎng)諧波，并且能進(jìn)行一定量的無功補(bǔ)償，改善變電站的電能質(zhì)量，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

6 結(jié)論

圖4 綜合補(bǔ)償系統(tǒng)投運(yùn)前電網(wǎng)電流波形圖Fig.4 Waveform diagram of grid current before comprehensive compensation system put into operation

圖5 綜合補(bǔ)償系統(tǒng)投運(yùn)后電網(wǎng)電流波形圖Fig.5 Waveform diagram of grid current aftercomprehensive compensation system put into operation

(1)本文提出一種適用于35kV變電站大容量諧波抑制與無功補(bǔ)償綜合系統(tǒng)，分析了該綜合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和補(bǔ)償原理。

(2)闡述有源濾波器的綜合控制方法，采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制策略，實(shí)現(xiàn)有源濾波器的諧波抑制，改善系統(tǒng)的補(bǔ)償效果。

(3)對(duì)綜合系統(tǒng)的無源濾波器組和有源部分分別進(jìn)行保護(hù)，保證系統(tǒng)的安全性。

(4)現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)波形驗(yàn)證了本文提出綜合系統(tǒng)和控制策略的有效性。

［1］羅安 (Luo An).電網(wǎng)諧波治理和無功補(bǔ)償技術(shù)及裝備(Power grid harmonic management and reactive power compensation technology and its equipment)［M］.北京:中國(guó)電力出版社 (Beijing:China Elec.Power Press)，2006.

［2］王兆安，楊君，劉進(jìn)軍 (Wang Zhaoan，Yang Jun，Liu Jinjun).諧波抑制與無功補(bǔ)償 (Harmonic suppression and reactive power compensation)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社 (Beijing:China Machine Press)，1998.

［3］Luo An，Shuai Zhikang，Zhu Wenji，et al.Combined system for harmonic suppression and reactive power compensation ［J］.IEEE Trans.on Industrial Electronics，2009，56(2):418-428.

［4］范瑞祥，羅安，周柯，等 (Fan Ruixiang，Luo An，Zhou Ke，et al.).并聯(lián)混合型有源電力濾波器的建模和控制策略分析 (Modeling and control strategy analysis of shunt hybrid active power filters)［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào) (Proc.of the CSEE)，2006，26(12):55-61.

［5］劉定國(guó)，羅安，帥智康 (Liu Dingguo，Luo An，Shuai Zhikang).注入式混合型有源電力濾波器直流側(cè)電壓控制新問題及其解決方案 (New issues and solving schemes for controlling the DC-side voltage of new injection type hybrid active power filter)［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào) (Proc.of the CSEE)，2008，28(30):27-34.