一種35kV大容量無功補償與諧波抑制綜合系統

孫 娟，羅 安，帥智康，張久林

(1.湖南大學電氣與信息工程學院，湖南 長沙410082;2.重慶市電力公司檢修分公司，重慶400020)

1 引言

本文研究的課題是基于廣西某35kV變電站的電能質量問題［1-2］，在現有的有源濾波器與無源濾波器構成的混合有源濾波中，注入式有源濾波器［3-4］理論上可實現高壓大容量諧波抑制與無功補償，已成為國內外研究的重點。然而，在實際工程應用中，電網頻率發生波動，注入式有源濾波器基波諧振注入支路的諧振點發生偏移而振蕩，極易造成對有源部分的沖擊，導致直流側電壓抬升，嚴重影響系統的穩定性和可靠性［5］。因此，本文提出一種適用于35kV變電站的大容量諧波抑制與無功補償綜合系統，分別從系統的拓撲結構、補償原理和保護措施進行闡述，現場運行結果驗證了補償系統的有效性。

2 拓撲結構和補償原理

35kV大容量諧波抑制與無功補償綜合系統的拓撲結構如圖1所示，包括有源電力濾波器、輸出電感、并聯電感、隔離變壓器、單調諧無源濾波支路和多組無源電力濾波器，有源電力濾波器的輸出經過輸出濾波電感后與電感并聯接在隔離變壓器的原邊，隔離變壓器的副邊與單調諧無源濾波支路串聯，然后與無源濾波器組并入電網。隔離變壓器的原副邊的匝數比為1∶2，變壓器原邊的有源電力濾波器和電感并聯連接，其基波等效阻抗遠遠低于變壓器副邊的單調諧無源濾波支路阻抗，因此分壓很小，有源電力濾波器承受的系統基波電壓很低，有利于減小其容量，降低成本。此外，在系統上電瞬間或電網電壓發生突變時，由于電容器電壓不能突變，單調諧無源濾波支路電感和變壓器二次側的并聯電感進行阻抗分壓，對有源部分沖擊很小，不會造成直流側電壓抬升，提高了系統的抗干擾能力。無源濾波器組與有源部分并聯接入電網，濾除特征次諧波和高次諧波。單調諧無源濾波器作為有源電力濾波器的注入支路，為逆變器發出的特征次諧波電流提供低阻抗通道，可以實現很好的濾波效果。

并聯混合型有源濾波器中無源濾波器組相對于有源部分，其基波阻抗很小，有較大的基波無功電流流入，因而能夠補償較大容量的無功功率。同時，有源部分并聯電感的存在，基波電壓大部分由單調諧無源濾波支路承擔，不會對有源部分造成影響。因此，并聯混合型有源濾波器進行無功補償不會導致其有源部分容量的增大，也就是說，并聯混合型有源濾波器運行特點是:只由無源部分補償無功功率，有源部分和無源部分共同抑制諧波，降低了系統的工程造價。

圖1 35kV大容量諧波抑制與無功補償綜合系統的拓撲結構Fig.1 Topological structure of 35kV large capacity reactive power compensation and harmonic suppression integrated system

3 有源濾波器檢測和控制方法

為實現有源濾波器的諧波抑制功能，通過檢測電網諧波電流，控制逆變器輸出電壓，使它對電網電流的貢獻與電網中的諧波電流大小相等、方向相反，本文采用有源濾波器電壓電流綜合控制方法，如圖2所示。

圖2 有源濾波器的檢測和控制方法Fig.2 Detection and control method of active power filter

電壓電流綜合控制方法由直流電壓控制外環和電流控制內環組成。直流側電壓控制外環包括以下步驟:① 檢測直流側電壓信號ucf;②計算直流側電壓參考信號ucr與采樣有源電力濾波器直流側電壓信號ucf的差值Δudc;③Δudc經 PI調節器后得到調節信號，疊加到瞬時有功電流的直流分量上，使得有源電力濾波器的補償電流中包含一定的基波有功電流分量，從而使有源電力濾波器的直流側與交流側交換能量，將調節至給定值。

采用PWM整流方式給直流側電容供電，實時檢測逆變器直流側電容電壓，與參考值比較并進行負反饋，以維持直流側電壓的穩定。當電網諧波電壓較高或電網電壓發生跌落而引起直流側電壓下降時，PI控制器輸出正信號，逆變器補償電流中基波有功電流分量增大，交流側的瞬時有功功率傳遞到直流側，直流側電壓升高;同理，若直流側電壓低于參考值，PI控制器輸出負信號，逆變器補償電流中基波有功電流分量減小，瞬時有功功率從直流側向交流側傳遞，直流側電壓下降，這種閉環控制方法克服了不可控整流方式給直流側電容供電時存在的直流側電壓飆升的不足。

電流控制內環包括以下步驟:

采用基于瞬時無功功率的ip_iq算法，正弦電壓ea通過鎖相環和正、余弦發生電流得到與電源電壓ea同相位的正弦信號和對應的余弦信號，這兩個信號和 ia、ib、ic共同計算出基波有功電流 ip和基波無功電流iq，LPF濾波可得到其直流分量，綜合直流側電壓調節信號的直流分量再經反變換即可計算出iaf、ibf、icf，用系統原來的電流和計算出的基波電流作差，就會得到所有的諧波電流。

基于瞬時無功功率的ip_iq算法檢測出的諧波電流，采用無差拍控制算法，控制逆變器IPM模塊，產生補償電流。

4 系統保護措施

對于工作在高壓系統的濾波器而言，提供完善的保護功能對裝置的安全和可靠運行具有非常重要的意義。系統無源濾波器的保護包括電容器不平衡保護和電抗器匝間短路保護。電容器不平衡保護用于檢測高端電容器的故障，高壓端電容器承受了系統所有的直流壓降和大部分諧波壓降，為降低電容器的電壓等級，采用兩個等值電容器串接的形式。電容器的兩端并聯連接干式放電線圈，將干式放電線圈二次側兩個繞組的首端短接，測量兩繞組末端的電壓。正常運行時，兩繞組末端的電壓為一個很小的恒定值。當電容器發生故障時，兩繞組末端的電壓變大，由此作為不平衡保護動作的判據。電抗器匝間短路保護用于檢測電抗器匝間短路故障，正常情況下，加載在電容器和電抗器上的電壓比值是一個相對恒定的量，當電抗器發生匝間短路時，電壓比由于電抗器的變小而變大，由此可以判斷電抗器的匝間短路故障。電容器電壓可由兼做電壓互感器的電容放電線圈獲取，電抗器電壓可通過母線電壓與電容器電壓之差獲得。為防止母線電壓互感器斷線或母線無壓時導致電壓比偏離穩定值，因此增加了母線有壓判據。

除此之外，為了抑制無源濾波器組上電瞬間電容器上的過電壓，在電容器與電感的連接處接有避雷器。并聯在電容器兩端的干式放電線圈使無源濾波器組從電力系統切除后電容器上的剩余電荷迅速釋放，有效防止無源濾波器組再次合閘時的合閘過電壓和過電流，確保檢修人員的安全。

有源濾波器的保護包括硬件保護和軟件保護。硬件保護檢測有源濾波器并聯電感上的電壓、直流側電壓和逆變器輸出電流以及逆變器IPM模塊的溫度，當電壓、電流和溫度大于保護設定值時，硬件繼電器發出動作信號，有源濾波器真空開關跳閘。軟件保護體現在DSP控制程序中，圖3所示為控制器的主程序，主程序開始進行系統初始化并檢測過零信號，開啟全局中斷，查詢AD轉換標志位，AD采樣完成后，通過數學計算還原電壓電流采樣值，此后進行過壓、過流判斷，當采樣信號超過設定值，程序將產生PWM封鎖脈沖，DSP控制器停止發波，實現軟硬件雙重保護。

圖3 主程序流程圖Fig.3 Main program flowchart

5 工程應用結果

目前，采用該設計的大容量無功補償與諧波抑制綜合系統已經在變電站成功投運。根據現場的實際工況，5、7、11次諧波含量很大，經過系統諧振情況以及補償效果仿真后，無源部分采用5、11次單調諧無源濾波器，有源部分注入支路設計成為7次單調諧無源濾波器。圖4和圖5分別是投入綜合補償系統前后的電網35kV母線上的電流波形，通過兩圖比較可以看出，裝置投運前電網側電流波形畸變嚴重，畸變率達18.8%，裝置投運后，電流波形接近正弦波，電流畸變率下降到2.1%。補償前后電網功率因數由0.82上升到0.95，工程實踐充分說明了本文所設計的綜合系統能夠有效地抑制電網諧波，并且能進行一定量的無功補償，改善變電站的電能質量，具有很好的實用價值。

6 結論

圖4 綜合補償系統投運前電網電流波形圖Fig.4 Waveform diagram of grid current before comprehensive compensation system put into operation

圖5 綜合補償系統投運后電網電流波形圖Fig.5 Waveform diagram of grid current aftercomprehensive compensation system put into operation

(1)本文提出一種適用于35kV變電站大容量諧波抑制與無功補償綜合系統，分析了該綜合系統的結構特點和補償原理。

(2)闡述有源濾波器的綜合控制方法，采用電壓外環、電流內環的雙環控制策略，實現有源濾波器的諧波抑制，改善系統的補償效果。

(3)對綜合系統的無源濾波器組和有源部分分別進行保護，保證系統的安全性。

(4)現場投運波形驗證了本文提出綜合系統和控制策略的有效性。

［1］羅安 (Luo An).電網諧波治理和無功補償技術及裝備(Power grid harmonic management and reactive power compensation technology and its equipment)［M］.北京:中國電力出版社 (Beijing:China Elec.Power Press)，2006.

［2］王兆安，楊君，劉進軍 (Wang Zhaoan，Yang Jun，Liu Jinjun).諧波抑制與無功補償 (Harmonic suppression and reactive power compensation)［M］.北京:機械工業出版社 (Beijing:China Machine Press)，1998.

［3］Luo An，Shuai Zhikang，Zhu Wenji，et al.Combined system for harmonic suppression and reactive power compensation ［J］.IEEE Trans.on Industrial Electronics，2009，56(2):418-428.

［4］范瑞祥，羅安，周柯，等 (Fan Ruixiang，Luo An，Zhou Ke，et al.).并聯混合型有源電力濾波器的建模和控制策略分析 (Modeling and control strategy analysis of shunt hybrid active power filters)［J］.中國電機工程學報 (Proc.of the CSEE)，2006，26(12):55-61.

［5］劉定國，羅安，帥智康 (Liu Dingguo，Luo An，Shuai Zhikang).注入式混合型有源電力濾波器直流側電壓控制新問題及其解決方案 (New issues and solving schemes for controlling the DC-side voltage of new injection type hybrid active power filter)［J］.中國電機工程學報 (Proc.of the CSEE)，2008，28(30):27-34.