高壓大容量有源濾波及無功補(bǔ)償

高壓大容量有源濾波及無功補(bǔ)償

　　摘要：無功補(bǔ)償和諧波治理對(duì)于輸配電系統(tǒng)非常重要，尤其是在未來的智能電網(wǎng)中。描述諧波治理技術(shù)和無功補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀的同時(shí)，介紹TSVC~APF的基本原理、結(jié)構(gòu)、功能和關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)其聯(lián)合運(yùn)行作了闡述，同時(shí)介紹了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)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(shù)的發(fā)展，電力電子裝置的容量不斷增大，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，使用的數(shù)量也在迅速上升，給電網(wǎng)帶來越來越嚴(yán)重的電能質(zhì)量問題。其中沖擊性、波動(dòng)性負(fù)荷，例如電弧爐、大型軋鋼機(jī)以及電力機(jī)車等在運(yùn)行中不僅會(huì)產(chǎn)生大量的高次諧波，而且還會(huì)產(chǎn)生電壓波動(dòng)、閃變以及三相不平衡等電能質(zhì)量問題。另一方面，隨著各種復(fù)雜的、精密的和對(duì)電能質(zhì)量敏感的用電設(shè)備不斷增多，對(duì)電能質(zhì)量的要求也越來越高。因此改善電能質(zhì)量對(duì)于電網(wǎng)和用電設(shè)備的安全以及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要的意義，這也是建設(shè)我國(guó)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)必需重點(diǎn)關(guān)注的問題之一。

　　電網(wǎng)中的諧波不僅危害電網(wǎng)本身而且危害其周邊設(shè)備。諧波一方面使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低;另一方面使電氣設(shè)備過熱、產(chǎn)生振動(dòng)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(shí)諧波還會(huì)使電力系統(tǒng)局部出現(xiàn)并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設(shè)備燒毀。諧波還會(huì)引起電力保護(hù)裝置和自動(dòng)設(shè)備誤動(dòng)作、電能計(jì)量出現(xiàn)混亂等，對(duì)儀器儀表、通訊設(shè)備和電子設(shè)備等也會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響更是無法估量。目前許多國(guó)家及國(guó)際組織都制定了諧波標(biāo)準(zhǔn)，1994年國(guó)內(nèi)也制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，即GB/T14549—93 電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波))。因此進(jìn)行電網(wǎng)的諧波治理既是電網(wǎng)安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的客觀需要，也是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范要求。對(duì)于諧波抑制裝置，無源電力濾波器(Passive Power Filter，PPF)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和成本低，并對(duì)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(wǎng)阻抗和自身參數(shù)影響較大，易與電網(wǎng)阻抗發(fā)生串并聯(lián)諧振而引起事故，如電容器燒毀、過電壓、過電流以及主開關(guān)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(jié)合使用的混合型有源電力濾波器(HybridActivePower

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

　　H橋級(jí)聯(lián)式多電平逆變器，也稱為鏈?zhǔn)蕉嚯娖侥孀兤?，是目前工業(yè)應(yīng)用較為成熟的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，常用于高壓大容量的交流傳動(dòng)系統(tǒng)和靜止補(bǔ)償器(Static Compensator，STATCOM)無功補(bǔ)償裝置。1999年，阿爾斯通公司研制的75 Mvar鏈?zhǔn)?/span>STATcOM 采用三角形連接，并在英國(guó)EastClaydon變電站投入運(yùn)行，標(biāo)志著鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)多電平逆變器技術(shù)進(jìn)入實(shí)用化階段，裝置的可靠性很高，該裝置可用率高達(dá)98%。2006年，在上海西郊變電站±50 Mvar鏈?zhǔn)蕉嚯娖侥孀兤?/span>STATCOM并網(wǎng)試運(yùn)行。北京利德華福電氣技術(shù)公司也將該鏈?zhǔn)蕉嚯娖侥孀兤饔糜诟邏捍蠊β曙L(fēng)機(jī)、水泵的交流傳動(dòng)中去，2005年產(chǎn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用于APF，構(gòu)成級(jí)聯(lián)式APF，可以顯著提高APF對(duì)高壓大容量非線性負(fù)載的諧波補(bǔ)償能力，具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　目前，在日本、美國(guó)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(shè)備上得到了廣泛應(yīng)用，其單機(jī)裝置的容量逐步地提高，并且其諧波補(bǔ)償?shù)拇螖?shù)也在逐步提高，可高達(dá)25次諧波。中壓大容量的APF，也已有了具體的應(yīng)用，如在日本新干線供電系統(tǒng)諧波治理中，APF的容量已達(dá)到48MVA。我國(guó)在APF的應(yīng)用研究方面，與發(fā)達(dá)國(guó)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(fù)載，不僅向中壓電網(wǎng)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(shí)抑制諧波和補(bǔ)償無功功率。解決兼有無功功率補(bǔ)償和諧波抑制功能的中壓大容量工業(yè)裝備在實(shí)際應(yīng)用中的關(guān)鍵問題，符合國(guó)家對(duì)輸配電電力電子節(jié)能重大技術(shù)的需求(見圖1)。

　　二、SVC構(gòu)成

　　靜止型無功補(bǔ)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(bǔ)償負(fù)荷無功功率、提高系統(tǒng)功率因數(shù)、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(shù)字控制系統(tǒng)及閥組狀態(tài)監(jiān)測(cè)保護(hù)裝置等，如圖1所示。

　　SVC具有以下幾個(gè)特征：

　　(1)基于Steinmets原理實(shí)現(xiàn)分相調(diào)節(jié)，消除三相不平衡;

　　(2)應(yīng)用瞬時(shí)無功理論， 動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，控制精度高;

　　(3)采用DSP+FPGA的全數(shù)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(jìn)的光電觸發(fā)方式，抗干擾能力強(qiáng);

　　(5)主電路取能，系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠;

　　(6)晶閘管閥組反饋實(shí)時(shí)狀態(tài)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)保護(hù);

　　(7)晶閘管采用強(qiáng)制觸發(fā)保護(hù)(BOD);

　　(8)冷卻系統(tǒng)采用型材風(fēng)冷方式，運(yùn)行可靠。

　　三、APF構(gòu)成

　　高壓APF主要采用級(jí)聯(lián)式結(jié)構(gòu)，通過由IGBT組成的單相全橋逆變器級(jí)聯(lián)而成，級(jí)聯(lián)的單元個(gè)數(shù)根據(jù)電網(wǎng)電壓等級(jí)和單元直流側(cè)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(gè)單元進(jìn)行級(jí)聯(lián)，三相之間Y型連接經(jīng)由電抗器直接接入10kV電網(wǎng)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、保護(hù)和驅(qū)動(dòng)等功能。

　　10kV級(jí)聯(lián)APF柜架采用上下分層排列，整個(gè)柜內(nèi)空問前后分開，中間使用絕緣材料密閉，留出每個(gè)單元的散熱器出風(fēng)口，在柜體后半部分空間形成風(fēng)道， 由離心式風(fēng)機(jī)集中排風(fēng)，柜體前后構(gòu)成氣壓差，形成了各單元的散熱器的獨(dú)立風(fēng)道實(shí)現(xiàn)散熱。

　　四 APF與SVC聯(lián)合運(yùn)行的發(fā)展

　　(1)能與SVC聯(lián)合運(yùn)行的中壓大容量MVA級(jí)級(jí)聯(lián)式APF工業(yè)裝置，是一種新型柔性輸配電技術(shù)，適用于6~35kV電壓等級(jí)的輸配電網(wǎng)，容量從數(shù)MVA到數(shù)十MVA不等，可直接用于中壓電網(wǎng)大容量諧波治理，并且可以與大容量、成本較低的SVC聯(lián)合使用，共同改善電網(wǎng)的供電質(zhì)量。同時(shí)可增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，抑制電壓波動(dòng)和閃變，改善系統(tǒng)不平衡，濾除高次諧波，提高功率因數(shù)，節(jié)能降耗。與其他補(bǔ)償裝置相比，具有效率高、響應(yīng)快、占地省、易擴(kuò)展和成本低等優(yōu)點(diǎn)。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(zhì)量控制工程，具有廣泛的應(yīng)用前景，將會(huì)產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

　　(2)從系統(tǒng)的角度對(duì)裝有APF與SVC多輸入多輸出系統(tǒng)進(jìn)行控制器參數(shù)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，消除或減弱兩種裝置的交互作用，達(dá)到兩種裝置協(xié)調(diào)控制。通過該內(nèi)容的研究，對(duì)于接入電力系統(tǒng)的SVG、STATCOM 等FACTS多種裝置的控制器參數(shù)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)和安全可靠穩(wěn)定運(yùn)行具有理論意義和借鑒價(jià)值。

　　(3)在電網(wǎng)電壓異常情況下，從SPLL技術(shù)出發(fā)，找出能實(shí)時(shí)檢測(cè)出電網(wǎng)電壓相位的方法。同時(shí)在電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)，從能量的角度找出保證懸浮電容電壓均衡的控制模式，進(jìn)而為APF裝置在異常工況下持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)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(huì)面對(duì)電網(wǎng)的異常工況，通過對(duì)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(yùn)行區(qū)，提高裝置的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行和生存能力，最大程度發(fā)揮裝置的效用。

　　五 APF-5SVC聯(lián)合運(yùn)行的應(yīng)用

　　隨著電力電子器件以及非線性用電設(shè)備的廣泛使用， 中壓電網(wǎng)的電能質(zhì)量狀況也越來越差，中壓大容量APF與SVC聯(lián)合運(yùn)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(fù)荷沖擊、諧波、電壓閃變和波動(dòng)以及不平衡不可避免地造成電能質(zhì)量降低，對(duì)配電網(wǎng)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(duì)于此類電能質(zhì)量問題，可以采用該系統(tǒng)進(jìn)行綜合治理，可以減少電弧爐對(duì)電網(wǎng)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(xiàn)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(wǎng)的功率因數(shù)保持在0.95以上， 同時(shí)抑制諧波、電壓閃變等。

　　(2)軋鋼設(shè)備

　　軋鋼設(shè)備同時(shí)擁有大型電動(dòng)機(jī)群(直流電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī))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(shù)低，配網(wǎng)損耗太大。電動(dòng)機(jī)群?jiǎn)?dòng)時(shí)，會(huì)需要額外的大量無功，可能造成供電電網(wǎng)的電壓跌落，嚴(yán)重的可能造成電壓穩(wěn)定事故。交流電動(dòng)機(jī)存在磁飽和現(xiàn)象，在啟動(dòng)和運(yùn)行期間會(huì)產(chǎn)生特征諧波;直流電動(dòng)機(jī)的整流環(huán)節(jié)也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)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(jī)和交流電機(jī)，產(chǎn)生了嚴(yán)重的諧波污染，并需要大量的無功，可能造成供電電網(wǎng)的電壓跌落，嚴(yán)重的可能造成電壓穩(wěn)定事故。大量諧波和無功也會(huì)導(dǎo)致大量的能量損耗，直接危害設(shè)備的運(yùn)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(fù)荷和大功率交流電機(jī)， 產(chǎn)生了嚴(yán)重的諧波污染，并需要大量的無功， 可能造成供電電網(wǎng)的電壓跌落， 嚴(yán)重的可能造成電壓穩(wěn)定事故。與上述(2)、(3)類似， 由于負(fù)荷投切頻繁，會(huì)對(duì)供電電網(wǎng)造成間歇性的沖擊，造成電壓反復(fù)波動(dòng);交流電動(dòng)機(jī)存在磁飽和現(xiàn)象，在啟動(dòng)和運(yùn)行期間會(huì)產(chǎn)生特征諧波;直流電動(dòng)機(jī)的整流環(huán)節(jié)也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波污染等，并導(dǎo)致大量的能量損耗，直接危害設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性。對(duì)于上述電能質(zhì)量問題，可以采用該系統(tǒng)進(jìn)行綜合治理。

　　多級(jí)H橋串聯(lián)的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用于APF，可以提高APF的電壓等級(jí)和輸出容量，從而提高對(duì)中壓大容量非線性負(fù)載的諧波補(bǔ)償能力。