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摘要：高壓靜止無(wú)功發(fā)生器(SVG)為現(xiàn)階段電力系統(tǒng)最先進(jìn)的無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)，通過(guò)改進(jìn)控制算法可實(shí)現(xiàn)諧波補(bǔ)償功能。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有些現(xiàn)場(chǎng)在補(bǔ)償諧波時(shí)，雖然系統(tǒng)側(cè)的電流諧波和電壓諧波都在減小，但是負(fù)載側(cè)的電流諧波會(huì)明顯增加。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了分析、建模、仿真，為諧波補(bǔ)償現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用積累了經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：諧波補(bǔ)償；靜止無(wú)功發(fā)生器

1 引言

在電網(wǎng)中，大量的非線性負(fù)荷的使用，導(dǎo)致電網(wǎng)電能質(zhì)量問(wèn)題日益突出。如電弧爐、中頻爐、礦熱爐、低壓變頻器、整流器等非線性負(fù)荷的使用，導(dǎo)致電網(wǎng)出現(xiàn)閃變、諧波、不平衡、過(guò)壓、欠壓等電能質(zhì)量問(wèn)題。這些電能質(zhì)量問(wèn)題一方面難以滿足生產(chǎn)生活中日益增多的“高”“精”“尖”設(shè)備的使用需求，另一方面還造成電網(wǎng)輸配電設(shè)備的損耗。其中，諧波的危害十分嚴(yán)重，諧波使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，使電氣設(shè)備過(guò)熱、產(chǎn)生振動(dòng)、產(chǎn)生噪聲，并使設(shè)備絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生嚴(yán)重的故障或燒毀，治理諧波的需求日益增多。

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，諧波治理有多種方案，例如FC濾波、APF有源濾波器等。其中，APF主要以380V、660V電壓等級(jí)為主。在10kV、35kV電網(wǎng)系統(tǒng)，有源濾波器主要是通過(guò)級(jí)聯(lián)H橋結(jié)構(gòu)的SVG，改進(jìn)控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)有源濾波、無(wú)功綜合補(bǔ)償功能。

靜止無(wú)功發(fā)生器(SVG)是現(xiàn)階段電力系統(tǒng)最先進(jìn)的無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)。它不再采用大容量的電容器、電感器來(lái)產(chǎn)生所需無(wú)功功率，而是通過(guò)全控型電力電子器件IGBT的高頻開(kāi)關(guān)特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)補(bǔ)償控制技術(shù)質(zhì)的飛躍，特別是通過(guò)改進(jìn)控制算法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波、無(wú)功的綜合補(bǔ)償。

本文主要介紹SVG實(shí)現(xiàn)無(wú)功、有源濾波的原理，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用諧波治理效果，以及對(duì)所遇到問(wèn)題的分析、仿真。

2 SVG補(bǔ)償諧波原理

2.1 SVG原理

SVG是一種沒(méi)有旋轉(zhuǎn)部件，快速、平滑可控的動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償裝置。它以全控型電力電子器件IGBT為核心的無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)，將自換相橋式電路通過(guò)電抗器或者變壓器并聯(lián)到電網(wǎng)上，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側(cè)電流，使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無(wú)功功率，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康模绫?所示。

表1運(yùn)行狀態(tài)原理

高壓鏈?zhǔn)絊VG一次系統(tǒng)圖如圖1所示，每相有多個(gè)IGBT構(gòu)成的H橋電路串聯(lián)組成，電網(wǎng)電壓等級(jí)越高串聯(lián)的H橋電路數(shù)量越多，H橋電路一般采用模塊化設(shè)計(jì)。

圖1 高壓級(jí)聯(lián)式SVG系統(tǒng)圖

SVG的控制器通過(guò)光纖為各H橋電路提供控制信號(hào)，既實(shí)現(xiàn)了高、低電壓可靠隔離，也提高了信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_能力，如圖2所示。

圖2  SVG系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)示意圖

SVG采集系統(tǒng)電壓、系統(tǒng)電流、負(fù)載電流，自動(dòng)計(jì)算系統(tǒng)無(wú)功需求，快速、連續(xù)地調(diào)節(jié)容性或者感性無(wú)功功率輸出，實(shí)現(xiàn)恒考核點(diǎn)無(wú)功、恒考核點(diǎn)電壓、恒考核點(diǎn)功率因數(shù)以及綜合補(bǔ)償?shù)瓤刂颇Ｊ剑Ｕ想娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定、高效、優(yōu)質(zhì)地運(yùn)行。

2.2諧波補(bǔ)償原理

采用直接電流控制的有源濾波型中壓SVG的工作原理如圖2.3所示。從圖中可以得出式(1)，即電源電流是負(fù)載電流和補(bǔ)償電流之相量和。假設(shè)負(fù)載電流中含有基波正序電流（包括基波正序無(wú)功電流和基波正序有功電流）、基波負(fù)序電流和諧波電流，如式(2)所示。

圖3 采用直接電流控制的靜止無(wú)功發(fā)生器的工作原理

3 現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題與分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)情況

現(xiàn)場(chǎng)為某造紙廠，部分一次圖如下圖4所示，35kV電網(wǎng)通過(guò)兩臺(tái)主變?yōu)閺S內(nèi)10kV母線供電，主變?yōu)橐挥靡粋洹?0kV母線上有近60條用電支路，以及兩路自發(fā)電機(jī)組。其中用電設(shè)備有二氧化氯整流變、氯堿整流變、低壓變頻等設(shè)備，以5、7次諧波為主，其中5次諧波超標(biāo)，供電公司要求限期治理。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)供電一次系統(tǒng)圖

為了治理5次電流諧波，現(xiàn)場(chǎng)在10kV母線上安裝了一臺(tái)10kV5MvarSVG，5次電流諧波補(bǔ)償效果如下表2所示。

表2 諧波補(bǔ)償效果

補(bǔ)償之后，各供電電源的5次諧波電流都明顯減低，但是發(fā)現(xiàn)負(fù)載側(cè)的諧波電流在增大，補(bǔ)償之前負(fù)載5次諧波電流共93A，SVG輸出5次諧波電流限值設(shè)定為96A，補(bǔ)償后負(fù)載諧波電流達(dá)到了152A。

  3.2問(wèn)題分析

電流諧波補(bǔ)償之后，系統(tǒng)側(cè)電流諧波減小，負(fù)載的電流諧波增大；觀察10kV母線的電壓諧波，SVG補(bǔ)償之后電壓諧波明顯減小，說(shuō)明沒(méi)有補(bǔ)償反。

圖5  補(bǔ)償前（左）、后（右）10kV母線電壓諧波

分析認(rèn)為補(bǔ)償諧波時(shí)，系統(tǒng)電流諧波減小、負(fù)載電流諧波增大，是由于供電系統(tǒng)容量相對(duì)用電設(shè)備的總?cè)萘科?dǎo)致，供電電源的等效內(nèi)阻抗不能被忽略。負(fù)載諧波大小是由電網(wǎng)電壓V、電源阻抗Z1、負(fù)載阻抗Z2等因數(shù)決定。由于供電電源內(nèi)阻抗Z1的存在，電流諧波在電源內(nèi)阻抗Z1上產(chǎn)生諧波電壓，導(dǎo)致A點(diǎn)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)畸變。SVG補(bǔ)償之后，在負(fù)載同樣的諧波電流情況下，流到電源的諧波電流減小，電源等效內(nèi)阻抗Z1產(chǎn)生諧波壓降減小，供電系統(tǒng)等效容量增大。

圖6 SVG諧波補(bǔ)償原理圖

4 仿真

根據(jù)以上分析，使用simulink搭建10kV電網(wǎng)SVG諧波補(bǔ)償仿真平臺(tái)，如下圖7所示。

圖7 simulink10kV電網(wǎng)SVG諧波補(bǔ)償仿真

SVG控制器采用采用C語(yǔ)言編寫，然后編譯成MEX文件，使用simulink里的S-Function模塊調(diào)用。SVG控制器左側(cè)為電網(wǎng)電壓、負(fù)載電流、SVG反饋電流，以及相關(guān)的定制參數(shù)輸入；simulink周期調(diào)用SVG諧波補(bǔ)償控制算法，計(jì)算的控制信號(hào)從右側(cè)輸出到SVG主電路。

圖8 S-Function模塊設(shè)置

負(fù)載采用三相不可控整流電路，整流電路輸入端連接三相電抗器，整流后接阻容負(fù)載。SVG控制器設(shè)置為只補(bǔ)償諧波模式，仿真開(kāi)始1秒后，SVG解除閉鎖。下面分兩種系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行仿真。

（1）參數(shù)1

供電系統(tǒng)和負(fù)載阻抗1:10。仿真波形如下圖9所示，從上到下分別為系統(tǒng)電壓、系統(tǒng)電流、負(fù)載電流、SVG電流。

圖9 阻抗比1:10仿真結(jié)果波形

 補(bǔ)償前后諧波變化如下表3所示，補(bǔ)償后系統(tǒng)電壓、系統(tǒng)電流的諧波明顯減小，而負(fù)載電流諧波81.63%增加到85.09%。

表3 阻抗1:10諧波補(bǔ)償前饋諧波對(duì)比

（2）參數(shù)2

供電系統(tǒng)和負(fù)載阻抗1:1。仿真波形如下圖10所示，從上到下分別為系統(tǒng)電壓、系統(tǒng)電流、負(fù)載電流、SVG電流。

圖10  阻抗比1:1仿真結(jié)果波形

 補(bǔ)償前后諧波變化如下表4所示，補(bǔ)償后系統(tǒng)電壓、系統(tǒng)電流的諧波明顯減小，而負(fù)載電流諧波增幅更加明顯，從81.63%增大到105.31%。

表4 阻抗1:1諧波補(bǔ)償前饋諧波對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了10kV級(jí)聯(lián)式SVG的無(wú)功補(bǔ)償和諧波補(bǔ)償?shù)脑?，在原有控制器的基礎(chǔ)上，通過(guò)改進(jìn)控制算法即可實(shí)現(xiàn)諧波補(bǔ)償。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)該過(guò)程，發(fā)現(xiàn)有些現(xiàn)場(chǎng)在補(bǔ)償諧波時(shí)，雖然系統(tǒng)側(cè)的電流諧波和電壓諧波都在減小，但是負(fù)載側(cè)的電流諧波會(huì)明顯增加。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程發(fā)現(xiàn)的這個(gè)問(wèn)題，進(jìn)行了分析、建模、仿真。通過(guò)上述分析、仿真可以看出，供電系統(tǒng)的容量相對(duì)用電負(fù)載的容量越小，補(bǔ)償諧波時(shí)負(fù)載側(cè)的電流諧波增幅越大。另一方面，我們?cè)谥贫ㄖC波補(bǔ)償裝置的容量時(shí)，不能僅根據(jù)檢測(cè)的負(fù)載電流諧波進(jìn)行容量設(shè)計(jì)，還需要考慮供電系統(tǒng)內(nèi)阻抗和負(fù)載內(nèi)阻抗的比例關(guān)系。