高壓大容量有源濾波及無功補償

　　摘要：無功補償和諧波治理對于輸配電系統(tǒng)非常重要，尤其是在未來的智能電網中。描述諧波治理技術和無功補償技術應用現狀的同時，介紹TSVC~APF的基本原理、結構、功能和關鍵技術，并對其聯合運行作了闡述，同時介紹了產業(yè)化應用的前景。

　　Abstract：Reactive power compensation and harmonic elimination are critical to power transmission and distribution system.This paper introduces the application of the APF(active power filter)and SVC(static power filter)at home and abroad especially in the principle，structure，function and critical technology.The paper also gives the research direction of APF and SVC combined operating.The foreground of industrialization of APF and SVC is quite optimistic。

　　一 引言

　　隨著電力電子技術的發(fā)展，電力電子裝置的容量不斷增大，其應用領域不斷擴展，使用的數量也在迅速上升，給電網帶來越來越嚴重的電能質量問題。其中沖擊性、波動性負荷，例如電弧爐、大型軋鋼機以及電力機車等在運行中不僅會產生大量的高次諧波，而且還會產生電壓波動、閃變以及三相不平衡等電能質量問題。另一方面，隨著各種復雜的、精密的和對電能質量敏感的用電設備不斷增多，對電能質量的要求也越來越高。因此改善電能質量對于電網和用電設備的安全以及經濟運行具有重要的意義，這也是建設我國堅強智能電網必需重點關注的問題之一。

　　電網中的諧波不僅危害電網本身而且危害其周邊設備。諧波一方面使電能的生產、傳輸和利用的效率降低;另一方面使電氣設備過熱、產生振動和噪聲，并使絕緣老化、使用壽命降低，甚至發(fā)生故障或燒毀。同時諧波還會使電力系統(tǒng)局部出現并聯諧振或串聯諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設備燒毀。諧波還會引起電力保護裝置和自動設備誤動作、電能計量出現混亂等，對儀器儀表、通訊設備和電子設備等也會產生不同程度的影響，產生的經濟損失和社會影響更是無法估量。目前許多國家及國際組織都制定了諧波標準，1994年國內也制定了相應的標準，即GB/T14549—93 電能質量公用電網諧波))。因此進行電網的諧波治理既是電網安全和經濟運行的客觀需要，也是國家標準的規(guī)范要求。對于諧波抑制裝置，無源電力濾波器(Passive Power Filter，PPF)因其結構簡單和成本低，并對特定次諧波有良好的濾波效果，仍在廣泛使用。但是其濾波效果受電網阻抗和自身參數影響較大，易與電網阻抗發(fā)生串并聯諧振而引起事故，如電容器燒毀、過電壓、過電流以及主開關頻繁跳閘，影響供電的安全。有源電力濾波器(Active Power Filter，APF)以及無源和有源結合使用的混合型有源電力濾波器(HybridActivePower

　　Filter，HAPF)因其補償諧波性能優(yōu)越、受電網阻抗影響小，正越來越獲得重視和應用。

　　H橋級聯式多電平逆變器，也稱為鏈式多電平逆變器，是目前工業(yè)應用較為成熟的一種拓撲結構，常用于高壓大容量的交流傳動系統(tǒng)和靜止補償器(Static Compensator，STATCOM)無功補償裝置。1999年，阿爾斯通公司研制的75 Mvar鏈式STATcOM 采用三角形連接，并在英國EastClaydon變電站投入運行，標志著鏈式結構多電平逆變器技術進入實用化階段，裝置的可靠性很高，該裝置可用率高達98%。2006年，在上海西郊變電站±50 Mvar鏈式多電平逆變器STATCOM并網試運行。北京利德華福電氣技術公司也將該鏈式多電平逆變器用于高壓大功率風機、水泵的交流傳動中去，2005年產值超過2億元，成為高壓變頻行業(yè)的佼佼者。若將這種主電路拓撲結構應用于APF，構成級聯式APF，可以顯著提高APF對高壓大容量非線性負載的諧波補償能力，具有廣闊的應用前景。

　　目前，在日本、美國以及歐洲等地區(qū)，低壓中小功率的APF已在工業(yè)和民用設備上得到了廣泛應用，其單機裝置的容量逐步地提高，并且其諧波補償的次數也在逐步提高，可高達25次諧波。中壓大容量的APF，也已有了具體的應用，如在日本新干線供電系統(tǒng)諧波治理中，APF的容量已達到48MVA。我國在APF的應用研究方面，與發(fā)達國家相比尚存在著差距。廠礦企業(yè)廣泛使用的大容量非線性電力電子裝置和大容量沖擊性負載，不僅向中壓電網注入了大量諧波，而且吸收大量的無功功率。因此在輸配電工程中，往往要求同時抑制諧波和補償無功功率。解決兼有無功功率補償和諧波抑制功能的中壓大容量工業(yè)裝備在實際應用中的關鍵問題，符合國家對輸配電電力電子節(jié)能重大技術的需求(見圖1)。

　　二、SVC構成

　　靜止型無功補償裝置主要由TCR晶閘管控制電抗器和TSC晶閘管投切電容器組成，主要功能用于維持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定、補償負荷無功功率、提高系統(tǒng)功率因數、減少系統(tǒng)損耗等。

　　SVC主要由晶閘管閥組、相控電抗器、固定電容濾波器(FC)、數字控制系統(tǒng)及閥組狀態(tài)監(jiān)測保護裝置等，如圖1所示。

　　SVC具有以下幾個特征：

　　(1)基于Steinmets原理實現分相調節(jié)，消除三相不平衡;

　　(2)應用瞬時無功理論， 動態(tài)響應快，控制精度高;

　　(3)采用DSP+FPGA的全數字控制與監(jiān)控系統(tǒng)，安全可靠;

　　(4)觸發(fā)系統(tǒng)采用先進的光電觸發(fā)方式，抗干擾能力強;

　　(5)主電路取能，系統(tǒng)簡單可靠;

　　(6)晶閘管閥組反饋實時狀態(tài)信號，實現實時保護;

　　(7)晶閘管采用強制觸發(fā)保護(BOD);

　　(8)冷卻系統(tǒng)采用型材風冷方式，運行可靠。

　　三、APF構成

　　高壓APF主要采用級聯式結構，通過由IGBT組成的單相全橋逆變器級聯而成，級聯的單元個數根據電網電壓等級和單元直流側電壓值來共同確定。其原理如圖2所示。

　　見圖3，10kV的APF每相10個單元進行級聯，三相之間Y型連接經由電抗器直接接入10kV電網系統(tǒng)，控制系統(tǒng)主要實現檢測、保護和驅動等功能。

　　10kV級聯APF柜架采用上下分層排列，整個柜內空問前后分開，中間使用絕緣材料密閉，留出每個單元的散熱器出風口，在柜體后半部分空間形成風道， 由離心式風機集中排風，柜體前后構成氣壓差，形成了各單元的散熱器的獨立風道實現散熱。

　　四 APF與SVC聯合運行的發(fā)展

　　(1)能與SVC聯合運行的中壓大容量MVA級級聯式APF工業(yè)裝置，是一種新型柔性輸配電技術，適用于6~35kV電壓等級的輸配電網，容量從數MVA到數十MVA不等，可直接用于中壓電網大容量諧波治理，并且可以與大容量、成本較低的SVC聯合使用，共同改善電網的供電質量。同時可增強系統(tǒng)穩(wěn)定性，抑制電壓波動和閃變，改善系統(tǒng)不平衡，濾除高次諧波，提高功率因數，節(jié)能降耗。與其他補償裝置相比，具有效率高、響應快、占地省、易擴展和成本低等優(yōu)點。該系統(tǒng)可用于電力、冶金、電氣化鐵路、有色金屬、石油、煤炭等行業(yè)中的輸配電系統(tǒng)節(jié)能和電能質量控制工程，具有廣泛的應用前景，將會產生良好的經濟和社會效益。

　　(2)從系統(tǒng)的角度對裝有APF與SVC多輸入多輸出系統(tǒng)進行控制器參數協調設計和優(yōu)化，消除或減弱兩種裝置的交互作用，達到兩種裝置協調控制。通過該內容的研究，對于接入電力系統(tǒng)的SVG、STATCOM 等FACTS多種裝置的控制器參數協調設計和安全可靠穩(wěn)定運行具有理論意義和借鑒價值。

　　(3)在電網電壓異常情況下，從SPLL技術出發(fā)，找出能實時檢測出電網電壓相位的方法。同時在電網電壓不平衡時，從能量的角度找出保證懸浮電容電壓均衡的控制模式，進而為APF裝置在異常工況下持續(xù)穩(wěn)定運行提供統(tǒng)一解決方案。接入電力系統(tǒng)的SVG、STATCOM 等FACTS裝置同樣會面對電網的異常工況，通過對異常工況下控制策略和控制模式的研究，可以拓寬FACTS裝置的安全運行區(qū)，提高裝置的持續(xù)穩(wěn)定運行和生存能力，最大程度發(fā)揮裝置的效用。

　　五 APF-5SVC聯合運行的應用

　　隨著電力電子器件以及非線性用電設備的廣泛使用， 中壓電網的電能質量狀況也越來越差，中壓大容量APF與SVC聯合運行系統(tǒng)正是基于這一問題而提出來綜合解決方案。

　　(1)鋼鐵、冶金行業(yè)

　　交流、直流電弧爐，容量很大，其帶來的負荷沖擊、諧波、電壓閃變和波動以及不平衡不可避免地造成電能質量降低，對配電網和其它電力用戶以及冶金企業(yè)本身而言，都有不良的影響。對于此類電能質量問題，可以采用該系統(tǒng)進行綜合治理，可以減少電弧爐對電網系統(tǒng)的沖擊;能夠穩(wěn)定電弧爐冶煉期間的母線電壓，減少斷弧現象，提高冶煉效率，噸鋼耗電量將大大降低;該系統(tǒng)還可使電網的功率因數保持在0.95以上， 同時抑制諧波、電壓閃變等。

　　(2)軋鋼設備

　　軋鋼設備同時擁有大型電動機群(直流電動機、異步電動機、同步電動機)和大功率電力電子裝置，其電流沖擊大，諧波大，無功消耗大，功率因數低，配網損耗太大。電動機群啟動時，會需要額外的大量無功，可能造成供電電網的電壓跌落，嚴重的可能造成電壓穩(wěn)定事故。交流電動機存在磁飽和現象，在啟動和運行期間會產生特征諧波;直流電動機的整流環(huán)節(jié)也會產生嚴重的諧波污染等。

　　(3)汽車制造行業(yè)

　　汽車制造行業(yè)由于采用大量電焊機和交流電機，產生了嚴重的諧波污染，并需要大量的無功，可能造成供電電網的電壓跌落，嚴重的可能造成電壓穩(wěn)定事故。大量諧波和無功也會導致大量的能量損耗，直接危害設備的運行穩(wěn)定性和使用壽命。

　　(4)軌道交通

　　軌道交通由于采用整流負荷和大功率交流電機， 產生了嚴重的諧波污染，并需要大量的無功， 可能造成供電電網的電壓跌落， 嚴重的可能造成電壓穩(wěn)定事故。與上述(2)、(3)類似， 由于負荷投切頻繁，會對供電電網造成間歇性的沖擊，造成電壓反復波動;交流電動機存在磁飽和現象，在啟動和運行期間會產生特征諧波;直流電動機的整流環(huán)節(jié)也會產生嚴重的諧波污染等，并導致大量的能量損耗，直接危害設備的運行穩(wěn)定性。對于上述電能質量問題，可以采用該系統(tǒng)進行綜合治理。

　　多級H橋串聯的主電路拓撲結構應用于APF，可以提高APF的電壓等級和輸出容量，從而提高對中壓大容量非線性負載的諧波補償能力。