智能電網環境下典型行業的動態無功補償與諧波治理綜述

廣東省輸變電工程公司 沈志偉

智能電網環境下典型行業的動態無功補償與諧波治理綜述

廣東省輸變電工程公司 沈志偉

電壓和諧波是電能質量的重要指標。隨著智能電網的逐步深入，電力系統無功補償和諧波問題面臨更大挑戰。本文選取了智能電網最具代表性的風力發電、電動汽車、軌道交通3個行業領域，著重對負荷特征、需求分析、經濟技術分析3個內容進行了綜述和 討論。分析結果表明，SVG型無功補償裝置和APF型諧波治理裝置在綜合性能和經濟性上的平衡優勢，是建設智能電網的關鍵組件。

智能電網；動態無功補償；諧波治理

1.引言

電壓和諧波是電能質量的重要指標。電壓水平直接反映為無功的平衡程度。機械式投切電容器和電抗器為代表的第一代靜態無功補償裝置以及同步調相機為代表的第一代動態無功補償裝置，具有結構簡單、經濟方便的優點，在國內外獲得廣泛應用。由于機械開關響應速度（10-30s）無法跟蹤負荷無功電流的快速變化，且易引起沖擊涌流和操作過電壓，70年代晶閘管等電力電子器件取代機械開關，誕生了第二代無功補償裝置，代表設備有晶閘管投切電容器TSC、晶閘管控制電抗器TCR和磁控電抗器MCR。第二代裝置在調節響應速度上大大提升，但仍屬于阻抗型裝置，補償性能受制于系統參數，且TCR/MCR本身就是諧波源，易產生諧波振蕩放大等嚴重問題。70年代末，通過大功率電力電子器件高頻開關實現無功能量變換的第三代無功補償裝置—自換相技術靜止無功補償裝置(Static Var Generator，SVG)誕生，實現了無功補償功能的飛躍。

智能電網(Smart Grids)是應用智能傳感和測量技術、設備技術、控制方法及決策支持系統技術，以實現電網可靠、安全、經濟、高效、環境友好和使用安全為目標的電網智能化，其主要特征包括自愈、激勵用戶、抵御災害、滿足用戶高電能質量需求、容許各種不同發電形式的接入、資產的優化高效運行等。無功補償和諧波問題在智能電網環境下面臨了新挑戰：1)電力電子器件和智能組件大量應用，使得無功補償和諧波問題更加復雜；2)電力負荷對電壓和諧波指標提出了更高要求；3)智能電網特性要求無功補償和諧波治理設備更智能、更快速響應、更高效。因此，研究智能電網環境下典型行業的動態無功補償與諧波治理具有重要現實意義。

本文選取了智能電網最具代表性的風力發電、電動汽車和軌道交通3個行業領域，對其發電或負荷特征、需求分析、經濟技術分析3個內容進行了詳細討論。分析結果表明，SVG型無功補償裝置和APF型諧波裝置在綜合性能和經濟性上的平衡優勢，是建設智能電網的關鍵組件。

表1 可供風電場選擇的無功補償方式經濟技術分析

表2 電動汽車諧波防治方式經濟技術分析

2.風力發電

2.1 發電特征

風速、風向的不確定性以及風電機組的運行特性(風電機組類型復雜多樣，其中感應異步電機型風電機組數量眾多)，使得風電機組輸出功率是隨機波動的，導致并網功率因數不合格、電壓波動和穩定性差等問題，嚴重時可導致節點電壓暫降。輔助組件大量采用電力電子器件，產生大量諧波電流。

2.2 智能電網環境下的需求分析

風力發電是世界各國智能電網戰略的重要內容之一。智能電網環境將極大促進各類型、各規模風電場快速發展(發電容量比重超過10%)，因此目前風力發電的低效、脆弱和低可靠性問題必須得以解決，使得：

1)滿足風電場接入系統的穩定性要求，補償傳輸線路、升壓變壓器和風電機組無功損耗，保持功率因數在0.95以上；

2)減少系統電壓的波動對風機的影響，減少切機次數；

3)使風電場具有較好的低電壓穿越能力；

4)配套裝置成熟高效、維護簡單、 成本適中。

2.3 經濟技術分析

可供風電場選擇的無功補償裝置主要有以下幾類：①分組電容器；②串聯電抗器；③TCR型或MCR型可調式電容器組(SVC)；④SVG；⑤SVG+FC(補償電容器組)5種類型。此5種類型無功補償裝置的經濟技術分析 對比如表1所示。在目前工程實際中，通常取方案②或取經濟技術指標折中的方案⑤，進而根據需要合理設計補償裝置容量：

1)對于接入節點為電網關鍵節點的風電場或大型風電場，須以潮流計算為依據，并充分考慮系統現有補償能力和風機無功調節能力，以確定無功補償容量，目前我國西北風電基地常用的補償方案為SVC+FC，SVC單獨運行。

2)對于中小型風電場，考慮到其對電網影響相對較小，可按以下原則設計：對于恒速恒頻風電機，補償容量可按風電場裝機容量的50%-60%設計；對于變速恒頻風電機，補償容量可按風電場裝機容量的30%-40%設計；對于直驅同步風電機，補償容量可按風電場裝機容量的20%-30%設計；補償方案通常選較經濟的MCR型SVC。

3.電動汽車

3.1 負荷特征

主要負荷為電動汽車充電機和充電站系統。其負荷特征主要有：

1)電動汽車充電機和充電站系統為非線性負載，充電過程中將給電網注入較大諧波電流，諧波次數主要為6 1k±次，k=1，2，3，…，即5次、7次、11次、13次等奇次諧波，次數越高，諧波幅值越小。

2)諧波與基波關系不固定，負載越輕，則諧波越大，基波越??；濾波電感越大，則諧波越小，基波越大。

3)大規模保有量的電動汽車實際充電行為是隨機的，導致電力系統多個變電站負載率隨機波動，常規無功補償難以應對。

3.2 智能電網環境下的需求分析

目前常用電動汽車充電設備主要有以下兩類：

1)不控整流設備+DC/DC變換器。優點是體積小、直流側電壓紋波小、動態響應快、高頻隔離，缺點是變換效率低、電網側電流總畸變率大(在30%左右)，5次、7次、11次和13次等奇次諧波超出國標要求。

2)PWM整流設備+DC/DC變換器。優點是體積小、輸出紋波低、動態性能好、功率因數高、變換效率高、電網側電流總畸變率低，不需要配置的諧波治理裝置，但由于目前價格昂貴，應用較少。

電動汽車是世界各國智能電網戰略的重要內容之一。電動汽車與智能電網相互影響、共同推動。智能電網環境極大促進電動汽車以及各規模充電機(站)快速發展(我國規劃目標是2020年電動汽車保有量達到500萬輛以上)；電動汽車充放電特性可有效平抑電網負荷峰谷波動、接納間歇性能源以及提高電網利用效率。因此目前電動汽車充電的低效、低可靠性、對電網電能質量影響大、造價昂貴等問題必須得以解決。

3.3 經濟技術分析

可供電動汽車充電機(站)選擇的諧波防治裝置主要有以下幾類：①無源濾波器；②有源濾波器(APF)；③無源+有源混合性濾波器3種類型。此3種類型諧波防治裝置的經濟技術分析對比如表2所示。

在目前工程實際中，基于經濟技術性能的綜合考慮，通常取方案②或取經濟技術指標折中的方案③，進而根據需要合理設計補償裝置容量，其容量設計公式為：

式中：K為可靠系數，取1.05-1.20；η為充電機充電效率；ξ為充電機在交流電源輸入端產生的諧波電流含有率；S充為單臺充電機功率。

對于充電容量較大的充電站，還需考慮電力系統周邊電容性補償容量引發5次、7次諧振的可能，在規劃工作中需做進一步做測試分析，必要時需考慮對電容性補償容量進行改造(改為4.5%或6%電抗率)。

4.軌道交通

4.1 負荷特征

主要負荷為軌道交通的牽引和輔助供電系統。其負荷特征主要有：

1)行車頻率的不連續性引起牽引負載率變化大，主變無功損耗和負荷電流變化大，因此，主變所需補償容量變化范圍大，需采用可靠的動態無功補償裝置。

2)在負載率較輕時(行車間隙)，無功功率過剩，功率因數低；在負載率較重時(行車期)，無功功率不足，功率因數同樣低。

3)列車在行車過程中加速、制動、乘客人數、坡度、操作等因素亦使得牽引負荷隨機波動。

4)軌道交通普遍存在多條線路由同一變電站供電的現象，受各條線路規劃先后影響，供電網絡規模和供電線路長度逐年增長，供電網絡充電功率變化導致無功補償需求變化。

5)城市軌道交通供電系統通常采用環網方式，且運行方式復雜，對無功補償要求高。

4.2 智能電網環境下的需求分析

軌道交通是電動汽車在有軌公共交通領域的延伸，在歐洲、美國和我國有著重要戰略地位。近年來，我國城市軌道交通迅猛發展，截止2012年，城市軌道線路五十余條，運營里程約1600公里，預計到2015年全國22個城市擁有79條城市軌道線路，運營里程2259.84公里。因此軌道交通的高速發展、高速大牽引力機車對電網的影響、合理控制造價等問題必須得以解決，使得：

1)經濟且合理地補償軌道交通的牽引和輔助供電系統的無功需求；

2)不對接入的城市電網產生諧波污染；

3)運行損耗小，節能降耗效果顯著；

4)占地、電磁干擾等滿足城市設施建設指標。

4.3 經濟技術分析

可供軌道交通選擇的無功補償裝置主要有以下幾類：①分組電容器；②TCR型或MCR型SVC；③SVG；④SVG+FC；⑤有源電力濾波器（APF）5種類型，類型①-④的經濟技術分析詳見表1-1，類型⑤是一種特殊的SVG，經濟技術性能可參考③。

在目前城市軌道交通工程實際中，由于SVG占地面積小、布置和擴展靈活、無需配套加裝濾波設備的優點，使得采用SVG設備的方案在施工建設總投資費用上要優于采用SVC設備方案。

此外，SVG具有不產生諧波；運行損耗?。贿\行噪聲低；電磁干擾??；具有快速電壓支撐能力，可以充分提高牽引供電能力、提高牽引變壓器等設備的利用率等突出優點，因此，不同于風力發電領域補償方案選擇的多樣化，采用SVG設備的方案是城市軌道交通領域的最優選擇。

5.結論

本文選取了智能電網最具代表性的風力發電、電動汽車、軌道交通3個行業領域，對其發電或負荷特征、需求分析、經濟技術分析3個內容進行了詳細討論。分析結果表明，非線性、隨機型負荷大量涌現是智能電網重要特征，現有傳統無功補償裝置和諧波治理裝置難以應對，SVG型無功補償裝置和APF型諧波治理裝置在響應速度、可靠性等綜合性能以及土地和空間占用、損耗、運行維護費用等經濟性指標上的具有更好的平衡優勢，可作為智能電網建設的關鍵組件。

本文目前僅就典型行業動態無功補償和諧波治理中的負荷特征、需求分析、經濟技術分析等問題進行了綜述。事實上，在行業規模(如不同規模風電場的差異、電動汽車充電站規模差異)、設計差異(如周邊電容性補償容量對電動汽車充電站諧波治理裝置容量設計的影響、城市空間對軌道交通補償設備土地和空間的限制)、需求差異(如電動汽車分散式充電樁和集中式充電站)等問題上，動態無功補償和諧波治理的規劃設計工作存在差別，其研究對于工程實際具有重大價值，本文因篇幅問題留作后續詳細討論分析。

[1]鄢家財.靜止無功發生器(SVG)的研究及應用[D].蘭州:蘭州理工大學,2011.

[2]百度百科.有源電力濾波 器[EB/OL].http://baike.baidu.com/view/605245.htm.

[3]百度百科.智能電網[EB/OL].http://baike.baidu.com/view/2222513.htm.

[4]石新春,楊京燕,王毅.電力電子技術[M].北京:中國電力出版社,2006.

[5]羅斌,綦光澤.大型風機并網的電能質量問題及解決方案[J].電力設備,2008,9(10):19-23.

[6]石巍,張彥昌,張超.風電場無功補償容量設計與補償方式研究[J].電力勘測設計,2011(3):76-80.

沈志偉（1983—），男，廣東興寧人，電氣工程碩士，工程師，現供職于廣東省輸變電工程公司，主要從事電力設計方面工作。