楊敏建

（大慶石化公司熱電廠，黑龍江大慶 163000）

0 引言

當前，電網(wǎng)中非線性負荷用電器所占的比例越來越高，導致電網(wǎng)所承擔的無功功率增高，電網(wǎng)中的諧波問題也日益突出。為了緩解無功功率與諧波問題，需要對其進行補償，補償方式主要分為高壓側(cè)與低壓側(cè)補償兩種方式。高壓側(cè)補償雖然屬于集中式補償，但要使用同步補償器才能實現(xiàn)，加之高壓側(cè)的電壓較高，必須通過級聯(lián)結(jié)構(gòu)才能接入母線，存在設(shè)備的整體成本非常高的弊端。低壓側(cè)補償屬于分散式補償，主要設(shè)備為有源濾波器，這種設(shè)備的負載能力較差，只適用于補償量不大的場合，并且設(shè)備安裝較為分散，無法實現(xiàn)設(shè)備間的協(xié)調(diào)工作。高壓側(cè)補償與低壓側(cè)補償都只能適用于固定電壓的情況，要想提高設(shè)備的經(jīng)濟效益，就需要選擇一個合適的電壓值。

由晶閘管可控電抗器和固定電容器組成的靜止無功補償器被廣泛應用于電網(wǎng)中，其價格低廉，性能可靠，但靜止無功補償器本身也會產(chǎn)生諧波，解決辦法是將固定電容器替換為容性無源濾波支路，來過濾掉設(shè)備本身產(chǎn)生的諧波。但這種設(shè)備的體積較大，并且只能過濾固定頻率的諧波。有源電力濾波器具有非常好的過濾諧波性能，但只能承受較低的電壓，混合有源濾波器結(jié)合了有源濾波器與無源濾波器的性能特點，一直以來受到廣大業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注和研究。無源支路和晶閘管可控電抗器補償無功功率和諧波的費效比較高，有源電力濾波器能夠很好地過濾諧波。

配電變壓器是將電網(wǎng)高壓轉(zhuǎn)化為用戶低壓的節(jié)點，對供電質(zhì)量的調(diào)節(jié)具有關(guān)鍵作用，采用無源支路、晶閘管可控電抗器和有源電力濾波器組成混合補償系統(tǒng)，采取變壓器高壓側(cè)補償?shù)姆绞?，通過抽頭接入電網(wǎng)，實現(xiàn)了很好的無功功率和諧波補償作用。雖然該系統(tǒng)占用了部分變壓器容量，但只要選擇合適的電壓，就能發(fā)揮混合補償系統(tǒng)的優(yōu)勢，更靈活地接入電網(wǎng)，具有較高的經(jīng)濟效益，有效解決了負載測電能質(zhì)量對電網(wǎng)的擾動問題。并且兼具無源補償?shù)牡偷统杀九c有源補償精度高、速度快的優(yōu)勢，具有接入電壓選擇靈活、設(shè)備成本低、補償精度高、響應速度快的特點。

1 集成式混合補償系統(tǒng)

電網(wǎng)中的變壓器連接方式有很多，最常見的連接方式為Dyn，即高壓側(cè)采取三角形接法、低壓側(cè)采取星形接法，由中性點引出，高低壓之間的相位差為30°。這種接法具有零序阻抗小、利于單相接地故障切除和抗雷擊性能強的優(yōu)點，尤其在工況運行不穩(wěn)定電網(wǎng)中具有很好的適應性?；贒yn 連接方式的諸多優(yōu)點，所研究的集成式混合補償系統(tǒng)，采取高壓側(cè)三角形接法，并通過連接抽頭接入電路，有源電力濾波器、晶閘管可控電抗器和無源濾波支路均通過連接抽頭與高壓側(cè)三角形繞組相連接。變壓器電容補償配電柜如圖1 所示。

圖1 變壓器電容補償配電柜

2 數(shù)學模型及補償原理

所研究的集成式混合補償系統(tǒng)能夠有效補償電網(wǎng)中的無功功率與諧波，接下來通過基波域和諧波域等效模型來分析混合補償系統(tǒng)的實現(xiàn)。由晶閘管可控電抗器和無源濾波支路作為電網(wǎng)無功功率補償?shù)闹饕O(shè)備，有源電力濾波器作為提升整個系統(tǒng)補償精度與速度的主要設(shè)備，當系統(tǒng)處于穩(wěn)定運行時，有源電力濾波器的負載很小，其非線性負載可以作為諧波電流源，由于晶閘管可控電抗器并入電網(wǎng)工作時也會產(chǎn)生諧波，因此應把晶閘管可控電抗器與無源濾波支路當做受控電流源，有源電力濾波器也可以當做受控電流源，并在此基礎(chǔ)上建立系統(tǒng)的諧波域等效模型，這時網(wǎng)側(cè)電流僅為負載測的有供電流，這樣一來系統(tǒng)就實現(xiàn)了對無功功率與諧波的補償，一臺有源電力濾波器的構(gòu)造如圖2 所示。

圖2 APF 濾波器

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 指令電流檢測

混合補償系統(tǒng)的控制分為電流檢測與跟蹤兩個環(huán)節(jié)，要想實現(xiàn)精確的補償就必須獲得精確的電流檢測結(jié)果，有源電力濾波器可以精確檢測出負載側(cè)無功電流大小，為混合補償系統(tǒng)提供指令電流，提高混合補償系統(tǒng)的精度與速度，同樣諧波的補償也需要精確檢測諧波電流。

3.2 指令電流跟蹤

晶閘管可控電抗器能夠跟蹤無功電流，并對無功功率進行補償。負載無功電流在經(jīng)過一系列的向量變換后，以其q 軸分量作為混合補償系統(tǒng)的指令電流，并與晶閘管可控電抗器和無源濾波支路輸出的無功電流相減，來獲取晶閘管觸發(fā)延遲角。晶閘管可控電抗器在系統(tǒng)中的應用如圖3 所示。

圖3 晶閘管可控電抗器在系統(tǒng)中的應用

有源電力濾波器的作用一是穩(wěn)定電壓，提升混合補償系統(tǒng)的響應能力，二是預制電網(wǎng)中的諧波。研究采取二者獨立的電流控制方式。基波控制端采取線性控制，通過實時跟蹤指令電流，提升系統(tǒng)精度。諧波控制端采取矢量控制，對網(wǎng)路中的諧波進行抑制，并根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計需求，選取了效果更好的VP（IVector Proportional Integral，矢量比例積分）控制器，來進一步提升系統(tǒng)響應速度，并提高對諧波的抑制性，VPI 控制器對電網(wǎng)中其他頻率電流并不敏感，其直流分量為0，不會對基波控制產(chǎn)生任何影響。

4 結(jié)語

由于電網(wǎng)采取高壓側(cè)集中補償無功功率與諧波的方式存在接入電壓過高、設(shè)備成本大的缺點，以及低壓側(cè)分散補償無功功率與諧波的方式存在補償能力差、各分散設(shè)備把實現(xiàn)協(xié)同工作的缺點，提出一種由配電變壓器接入的集成式混合補償系統(tǒng)，具有接入電壓選擇靈活、設(shè)備成本低、補償精度高、響應速度快的特點。該系統(tǒng)采取晶閘管可控電抗器和無源支路對電網(wǎng)中的無功功率與諧波進行補償，并采取有源電力濾波器進一步提高系統(tǒng)的補償精度和速度，起到了很好的無功功率與諧波補償效果。并且兼具無源補償?shù)牡偷统杀九c有源補償精度高、速度快的優(yōu)勢，平衡了設(shè)備成本與補償精度的矛盾關(guān)系。該系統(tǒng)還能應用于直流輸電網(wǎng)路中，將變壓器與補償設(shè)備集成在一起，對電網(wǎng)中的無功功率與諧波進行補償，提升電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性與可靠性，詳細的實施方案將在后續(xù)研究中陸續(xù)進行。