試析輸變電FACTS技術在無功補償及諧波治理中的應用

摘 要：近年來，上海輸變電系統結構越來越顯現出高密度受端電網性質，并且已有多路直流輸電接入上海電網，柔性輸變電系統（FACTS）也得到越來越廣泛的應用，作為其重要組成部分的動態無功補償及有源濾波已被列為“九五”國家重點產品、國家電網公司21世紀前沿技術，其在輸變電系統的應用，能消除系統中的背景諧波電壓、諧波電流污染，徹底改善功率因素。

關鍵詞：動態無功；諧波治理；無源濾波；有源濾波；PWM脈沖逆變器

隨著現代社會正從以制造為主的生產模式向信息社會的發展，負荷的種類也呈現多樣化，且越來越具有非線性特征，同時超高壓直流輸電進入上海，城市架空電線大范圍入地改為電纜，使得輸變電系統對地電容不斷增加，導致產生了大量無功電流和存在諧波電流放大的危險，輸變電系統電能質量有劣化趨勢。但供用電設備對電能質量的敏感程度卻越來越高，能源生產、輸送以及客戶對電能質量的要求正日益提高，因此打造精品堅強電網，僅以基波電壓穩定已遠遠不能滿足電能質量的要求。

柔性交流輸變電系統（FACTS）通過為電網提供相位與頻率可控的功率而給輸變電系統帶來了一次革命。傳統無功補償方法只在負荷恒定時才能取得效果，但是對于整個輸變電系統，負荷是隨時變化的，無功電流也是變化的，固定投切的電容器和電抗器無法解決這一問題，所以電容器和電抗器在輸變電系統是分組投切的。上述方法普遍存在欠補償和過補償問題及切除過程的震蕩問題，還可能在系統中產生諧振現象。

對于諧波污染問題，曾發生多起輸變電系統背景諧波電壓嚴重超標以及城市居民家用電器因諧波無法正常使用和損壞的事件，上海輸變電系統存在著密集的直流落地點，存在著城市大面積的電纜線路，同時存在多條高速鐵路和軌道交通形成的非線性負荷，還有基于電力電子技術的變頻空調集中使用，以及即將展開的大功率混合動力汽車的集中充電，使得整個諧波污染形勢趨于嚴重。傳統的諧波治理方法只是由電感和電容組成針對某一頻率的諧波的無源濾波器來消除諧波，但是若負荷電流包含豐富的諧波成分，則針對不同頻率的諧波需設置相應的諧振參數，這將增加系統的復雜性，降低可靠性。

上海世博會輸變電工程監理工作采用了并聯有源電力濾波器及動態無功補償裝置（STATCOM+APF），該裝置具有結構簡單、響應速度快、補償精度高，并能抑制可能的并聯諧振等優點。這是柔性交流輸變電系統技術（FACTS）在輸變電工程中的實際應用。世博會輸變電工程采用并聯直流側電容器電壓型STATCOM+APF。其基本工作原理是：實時采集輸變電系統的諧波電流和無功功率缺額，并生成相應的控制信號，驅動電力電子逆變設備，使其產生大小相同、方向相反的無功功率和諧波電流，最終中和輸變電系統的背景無功電流和諧波電流，同時達到無功補償和諧波治理的效果。

逆變器元件可采用GTO或者IGBT電力電子元器件構成。其中GTO具有較大的容量，但是GTO相對于IGBT開關頻率較慢；IGBT開關頻率更快，所以逆變器自身消耗的能量較少，但是IGBT相對于GTO容量較小。故如果主要用于補償無功功率，建議采用GTO，以實現STATCOM（靜止同步補償器）功能，提高裝置補償無功功率的容量；若主要用于補償諧波電流，建議采用IGBT，主要實現APF（有源電力濾波器）功能，提高裝置的補償精度和響應速度。

可見，上述電力電子設備能同時實現STATCOM+APF功能，實現無功補償和有源濾波，并且能抑制傳統無源濾波器或無功補償電容與系統參數可能發生的并聯諧振。那么STATCOM+APF是如何識別與控制補償電流的呢？

如圖1是STATCOM+APF的主電路結構，采用電力電子器件GTO或者IGBT構成的高頻逆變器與LC濾波網絡組成，合理地設置LC濾波網絡的參數并控制電容上的電壓值，可以降低逆變器直流側的電壓值，從而降低電力電子器件GTO或IGBT的耐壓等級，降低裝置成本和實現難度。

電路結構中逆變器承擔補償無功功率、消除諧波電流的任務，同時避免無源LC網絡與輸變電系統阻抗產生諧振。軟件鎖相環的應用軟件鎖相環即針對目標信號，將輸入信號源經A/D采樣轉換為數字信號，并使用計算機對其進行邊沿捕捉并進行頻率校正，再經過一系列校正初相位的算法就可以得到與輸入信號的基波分量同頻率同初相的相位信號，同時若通過與內置正弦波表格數據擬合則可輸出與目標信號基波同頻率的基準正弦波。電力系統中可用于輸變電系統中有功功率的跟蹤及電壓或電流分量同步信號中基波分量的獲得。可采用單周期雙校正工頻軟件鎖相環，以能快速跟蹤電網電壓變化，且不受諧波干擾。PI控制器輸出電流控制策略，這是控制STATCOM+APT輸出最核心的部分。當進行電流控制時，由于由逆變器提供的電流是非正弦的，且含有基波成分和諧波成分。此外，逆變器的開關頻率很高，需要很快的控制方法。所以STATCOM+APF的電流控制需重點控制動態響應速度、補償速度兩方面，同時還應檢測裝置本身的直流端電壓或電流利用率及功率器件開關GTO、IGBT開關頻率等。可利用無差拍控制平均電流跟蹤策略，以提高輸出電流跟蹤指令電流的速度和精度。將檢測得到的無功功率電流，需要補償的諧波電流以及直流側電壓控制環得到的控制信號相加之后作為逆變器輸出參考電流，再通過PI控制器，根據無差拍控制原理，從而產生定頻PWM脈沖驅動逆變器的功率管GTO或者IGBT的導通和關斷控制，產生與需補償電流大小相等方向相反的補償電流，可以得到穩定快速的控制效果，不但補償了負載無功功率，也補償了諧波電流，其具有響應速度快、補償精度高、損耗低、抑制諧振與抑制諧波放大等特點。

總的來說，STATCOM+APF中大量電力電子器件的使用不僅提供了高速、可靠和先進的開關技術，更為重要的是，作為FACTS技術在輸變電系統應用的一方面，它使困擾電力系統多年的電流畸變問題得到徹底的解決，并且避免了電容器與輸變電系統阻抗的諧振，使得電能的生產、傳輸和使用的質量得到了有力提高，使輸變電系統更加穩定、高效。

綜上所述，隨著非線性負荷的日益增多，隨著輸變電系統無功功率的增加和電流、電壓的畸變，柔性交流輸變電系統技術（FACTS）作為電力系統輸變電的電力電子技術有力手段也得到越來越多的應用，它將使我們對電流補償治理的手段有革命性的改變，能快速根除無功及諧波電流的污染，還電能以50Hz頻率正弦波的本色，優化電能質量，提高供電效率，降低線損，為打造精品堅強電網提供了可靠的技術支撐。

作者簡介：胡海寧（1968-），上海人，上海市電力工程建設監理有限公司，本科學歷，工程師，輸變電工程監理。