10kV配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償兼濾波裝置設(shè)計(jì)

摘要：對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行合理的無(wú)功補(bǔ)償，能夠有效地維持電壓水平，對(duì)電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著極為重要的作用。根據(jù)配電網(wǎng)規(guī)模巨大、負(fù)荷密集分布、日負(fù)荷變化大等特點(diǎn)，比較了配電網(wǎng)的幾種無(wú)功補(bǔ)償方案。由于在配電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償過(guò)程中使用的非線性元件會(huì)產(chǎn)生諧波，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，而諧波的放大又會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的干擾更加嚴(yán)重，為此對(duì)在配電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償中產(chǎn)生的諧波提出了相應(yīng)的解決方案。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)；無(wú)功補(bǔ)償；諧波；濾波器；電壓

隨著近些年來(lái)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展以及用電高峰的飛速增長(zhǎng)，人們對(duì)供電的可靠性和質(zhì)量提出了更高更嚴(yán)的要求。由于夏季負(fù)荷的不斷增加，電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和電源分布持續(xù)地發(fā)生著改變，可能造成無(wú)功不足、降低電壓水平，直接影響到電力系統(tǒng)向電力用戶提供的電能質(zhì)量，這在與用戶直接相關(guān)的配電網(wǎng)中顯得十分重要。[1-3]因此，對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，在降低電網(wǎng)的損耗、改善用戶的電能質(zhì)量等方面具有重要意義。然而，在對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，使用的非線性補(bǔ)償設(shè)備會(huì)產(chǎn)生諧波問(wèn)題。諧波會(huì)直接影響變壓器、通信設(shè)備、繼電保護(hù)裝置等設(shè)備的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)绊懙诫娏ο到y(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

本文針對(duì)配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題，在對(duì)常見的配電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償方案進(jìn)行分析、對(duì)比的基礎(chǔ)上，針對(duì)補(bǔ)償過(guò)程中產(chǎn)生的諧波危害提出了相應(yīng)的解決方案。

一、無(wú)功補(bǔ)償方案設(shè)計(jì)

1.常用無(wú)功補(bǔ)償方案的比較

在理論上來(lái)講，配網(wǎng)中無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖罴逊桨妇褪悄睦锂a(chǎn)生的無(wú)功就在哪里補(bǔ)償，這樣一來(lái)，整個(gè)系統(tǒng)將不存在無(wú)功電流的流動(dòng)。實(shí)際上，這是一種理想化的狀態(tài)，現(xiàn)實(shí)中這種所謂的最佳方案不可能實(shí)施，這是因?yàn)椋T如變壓器、輸電線路以及各種負(fù)載均會(huì)產(chǎn)生無(wú)功。在實(shí)際電網(wǎng)的應(yīng)用中，就配網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償裝置的安裝位置而言，常見的補(bǔ)償方式有以下幾種：針對(duì)公共低壓配電網(wǎng)采取低壓母線集中補(bǔ)償?shù)姆绞剑会槍?duì)負(fù)荷較重的線路采取低壓配電線路分散補(bǔ)償?shù)姆绞剑浑y以實(shí)現(xiàn)分散補(bǔ)償時(shí)，可采取在負(fù)荷側(cè)進(jìn)行集中補(bǔ)償及在負(fù)荷就地補(bǔ)償?shù)姆绞健ＨN補(bǔ)償方式效果比較如表1所示。

2.補(bǔ)償容量計(jì)算

現(xiàn)以10kV線路補(bǔ)償為例來(lái)計(jì)算無(wú)功補(bǔ)償容量，一般而言，安裝在10kV線路上的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備主要是補(bǔ)償線路上的感抗和配變上的勵(lì)磁所消耗的無(wú)功功率。10kV供電網(wǎng)系統(tǒng)如圖1所示，在配網(wǎng)變壓器的二次側(cè)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。

因此，補(bǔ)償設(shè)備容量Qc為：

其中，k為補(bǔ)償系數(shù)（0.95～0.98）；i為線路段號(hào)；D為補(bǔ)償點(diǎn)位置；IDi為第i臺(tái)變壓器的勵(lì)磁電流；為系統(tǒng)電壓；Ifi為第i段線路的負(fù)荷電流，XLi為線路的感抗。

變電所配出的各條線路，經(jīng)補(bǔ)償后所剩下的面積（由電源提供的無(wú)功功率）統(tǒng)一由安裝在變電所10kV母線上的電容器組進(jìn)行補(bǔ)償。

二、配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償后的濾波器設(shè)計(jì)

在對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程中會(huì)用到各種電力電子元件，從而使低壓配電系統(tǒng)增加了大量的非線性負(fù)載，這些非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流會(huì)降低供用電設(shè)備本身的安全性，有時(shí)甚至?xí)?yán)重干擾到電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。[4-6]因此，在對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)設(shè)計(jì)加裝濾波器（用來(lái)減少諧波電流）是十分必要的。

1.準(zhǔn)備濾波的原始數(shù)據(jù)

在設(shè)計(jì)如何加裝濾波器之前，我們還應(yīng)對(duì)無(wú)功補(bǔ)償之后配電網(wǎng)的系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行諧波分析，求解出各諧波源向電力系統(tǒng)注入的各次諧波電流；另外還要嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)來(lái)對(duì)各次諧波電流和電壓含量以及電壓總諧波畸變率的極限值進(jìn)行確定；確定濾波裝置應(yīng)提供的無(wú)功補(bǔ)償容量，補(bǔ)償后配電網(wǎng)的背景諧波。

2.確定濾波裝置的構(gòu)成

所謂濾波裝置的構(gòu)成，是指由多少組單諧調(diào)的濾波器構(gòu)成，高通濾波器是否有必要裝設(shè)，如何選取截止頻率，為了滿足無(wú)功功率補(bǔ)償要求，采用的是哪種設(shè)計(jì)方式。

對(duì)于單調(diào)諧濾波器而言，就應(yīng)該根據(jù)諧波源產(chǎn)生的主要特征諧波電流來(lái)進(jìn)行考慮。而對(duì)于整流性的諧波源而言，一般情況下，只需要設(shè)奇次濾波器就足以滿足要求。對(duì)于濾除更高次的諧波而言，那么可以通過(guò)設(shè)立一組高通濾波器來(lái)應(yīng)對(duì)這個(gè)問(wèn)題。至于非主要特征的3次諧波，在決定是否設(shè)濾波器時(shí)，主要的依據(jù)是電流大小以及會(huì)不會(huì)發(fā)生3次諧波諧振。另外需要注意的是，由于電弧爐負(fù)荷電流的頻譜是連續(xù)的，所以在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，不但要考慮到濾波器對(duì)2-5次主導(dǎo)諧波電流的濾波效果，還要考慮到諧波電流的系數(shù)最好不要超過(guò)5。

一般來(lái)說(shuō)，為了使濾波裝置能夠很好地滿足無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊螅梢允褂靡韵碌姆椒ǎ旱谝环N方法是按照濾波的要求來(lái)對(duì)濾波裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，如果無(wú)功容量不能滿足無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊螅敲纯梢酝ㄟ^(guò)加裝并聯(lián)電容器的方式來(lái)解決這一問(wèn)題；第二種方法是增大濾波器的容量，從而使濾波器很好地滿足無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊蟆１容^而言，前者較為簡(jiǎn)單，運(yùn)行較為靈活，能節(jié)省一筆可觀的投資；后者的優(yōu)點(diǎn)是過(guò)濾諧波的效果很好。至于具體應(yīng)用時(shí)應(yīng)采用哪一種方法，可以通過(guò)比較具體工程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)之后來(lái)確定。

3.設(shè)計(jì)和校核濾波裝置

初步確定各單調(diào)諧濾波器、高通濾波器或C型高通濾波器中各元件參數(shù)、容量等。單獨(dú)設(shè)計(jì)好各個(gè)濾波器之后應(yīng)對(duì)以下各方面進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算和校核：

一是全面仔細(xì)地計(jì)算各濾波器對(duì)彼此的相互影響。在初步確定濾波裝置之后可重新設(shè)計(jì)每個(gè)濾波器，將系統(tǒng)諧波阻抗與其他濾波器的阻抗作為設(shè)計(jì)失蹤的系統(tǒng)諧波阻抗。另外還要將并聯(lián)電容器帶來(lái)的影響考慮在內(nèi)。

二是校核之前設(shè)計(jì)的濾波裝置是否能夠很好地滿足系統(tǒng)對(duì)諧波抑制的要求。如果濾波裝置不能滿足諧波抑制的要求，那么就應(yīng)該對(duì)相應(yīng)的濾波器的參數(shù)進(jìn)行仔細(xì)的修訂，直到滿足諧波抑制的要求為止。

三是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行諧波潮流計(jì)算，若在低次非特征諧波情況下有諧振現(xiàn)象則應(yīng)考慮裝設(shè)3次諧波濾波器。

對(duì)不同方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，按年費(fèi)用最小進(jìn)行最佳選擇，最終確定濾波方案。

三、配網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償產(chǎn)生諧波的仿真分析

針對(duì)上文中提到的設(shè)計(jì)思路，10kV供電網(wǎng)線路圖如圖1所示。負(fù)荷的無(wú)功功率在配網(wǎng)變壓器的二次側(cè)進(jìn)行補(bǔ)償，為了有效地研究配網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償時(shí)產(chǎn)生的諧波信號(hào)，根據(jù)諧波的特點(diǎn)對(duì)信號(hào)進(jìn)行模擬，諧波電流的模擬信號(hào)為：

取采樣頻率為，采樣點(diǎn)數(shù)為N=1000，其信號(hào)如圖2所示。

對(duì)配網(wǎng)10kV線路無(wú)功補(bǔ)償后的諧波電流模擬信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換分析，其FFT頻譜如圖3所示。從圖3可以看出，在配網(wǎng)10kV無(wú)功補(bǔ)償，除50Hz工頻信號(hào)外，會(huì)產(chǎn)生150Hz、250Hz、350Hz的奇次諧波。

針對(duì)配網(wǎng)10kV線路無(wú)功補(bǔ)償后產(chǎn)生的諧波，通過(guò)配網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備確定濾波裝置構(gòu)成、濾波裝置的設(shè)計(jì)和校核分析計(jì)算，確定濾波裝置參數(shù)方式，然后再進(jìn)行濾波。如圖4所示，配網(wǎng)10kV無(wú)功補(bǔ)償后產(chǎn)生的3、5、7諧波與圖3相比幾乎被抑制。

四、結(jié)語(yǔ)

配網(wǎng)10kV線路通過(guò)加裝無(wú)功補(bǔ)償裝置可以有效降低電網(wǎng)損耗、改善用戶的電能質(zhì)量，具有重要的意義，但產(chǎn)生的諧波會(huì)影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。本文的研究成果主要有以下幾點(diǎn)：從配網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償可行性的角度分析，對(duì)現(xiàn)有的三種補(bǔ)償方案從補(bǔ)償對(duì)象、改善電壓水平、設(shè)備投資、設(shè)備利用率、設(shè)備維護(hù)的角度進(jìn)行對(duì)比分析；針對(duì)配網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償后產(chǎn)生的諧波進(jìn)行研究，從配網(wǎng)原始數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、配網(wǎng)確定濾波裝置的構(gòu)成、濾波裝置的設(shè)計(jì)和校核三個(gè)方面提出了配網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償后濾波器的設(shè)計(jì)方案；基于PSCAD＼EMTDC仿真研究了濾波裝置參數(shù)對(duì)配網(wǎng)10kV線路無(wú)功補(bǔ)償后產(chǎn)生諧波的抑制效果。本文解決了配網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償后產(chǎn)生諧波的抑制方法，具有工程實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]崔馳.低壓配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償淺析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2000，24（7）：71-72.

[2]左辰，黃純，周鐵強(qiáng).變電站諧波濾波、電壓、無(wú)功綜合控制[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，25（3）.

[3]趙旺初.電力網(wǎng)的諧波源及降低諧波的措施[J].電力建設(shè)，

1999，（9）：22-24.

[4]黃純，彭建春，江輝，等.諧波濾波、電壓、無(wú)功綜合控制裝置的研制[J].電網(wǎng)技術(shù)，2000，24（3）.

[5]Dudi A Rendusara. An improved inverter output filter configuration reduces common and differential modes dv/dt at the motor terminals in PWW drive systems[J].IEEE Trans.on Power Electronics，1998，13（6）：1135-1143.

[6]王建強(qiáng).智能型配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2003，27

（4）：80-81.

（責(zé)任編輯：劉輝）