電能質量綜合治理裝置研究及應用

孫棟梁

摘 要：文章針對電能質量治理裝置進行研究，該裝置主要由電能質量綜合控制儀、靜止無功發生器（SVG）和智能電容器組成，通過系統側電流互感器采樣，接入到綜合控制儀和SVG中，對電力參數進行分析計算后，控制SVG和智能電容器進行針對性補償，既發揮SVG連續性動態補償功能，又發揮智能電容器的階梯性補償功能，使SVG達到治理諧波、補償感性無功功率和補償少部分容性無功功率，智能電容器補償大部分容性無功功率的功能。

關鍵詞：電能質量;SVG;智能電容器;電能質量綜合控制儀;電能質量綜合治理裝置

中圖分類號：TM714 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）04-007-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.04.004

隨著當今社會電氣化水平的加速提升，從供電側到用電側都開始對現有的電力設備提出更高的需求。特別是在用電端，隨著國內的技術革新向著高精尖的目標邁進，更加復雜多樣、用電要求高的用電設備層出不窮[1]，因此用電負載的用電要求也不僅僅局限于無功補償和諧波治理，還包含了其他電能質量，主要有諧波、頻率變化、電壓閃變、涌流、三相不平衡等。因此，作為低壓配電系統中的電能質量治理方向上，也要求更加系統化。

在目前低壓的電能質量治理領域，最先進的治理裝置為靜止無功發生器和有源電力濾波器。近年來，能同時進行無功補償和諧波抑制的靜止無功發生器（簡稱SVG）在低壓配電網中得到了廣泛的應用[2]。通常情況下，由于SVG補償設備造價較高，低壓配電網中的無功功率補償將由電容器取代，因此，由SVG和電容器組構成的混合補償系統得到越來越多的關注。在并聯型有源電力濾波器和晶閘管投切電容器組成的動態無功與諧波混合補償裝置的設計中，楊家強等人提出雙電流控制策略，解決了電流源型非線性負載的諧波補償問題[3];宿紫鵬等人提出基于開關表決策的投切控制方法，解決傳統固定延時投切方法中暫態響應差、TSC混亂投切等問題[4];李曉明等人通過統一的檢測和控制算法，大幅度降低了有源濾波器的容量和設備的功率消耗[5]。

在上述文獻的基礎上，文章設計了一種由電能質量綜合控制儀、并聯型靜止無功發生器和繼電器投切的多組智能電容器組成的動態無功與諧波混合補償裝置。其中，智能電容器分級補償電網中的大部分無功功率，SVG動態補償智能電容器投切后電網所需的小容量無功功率并治理電網各低次諧波。文章建立了由電能質量綜合控制儀集中控制的電流超前干預模型，可快速準確地進行無功及諧波檢測，準確地進行無功及諧波變化趨勢預判，同時控制電容器組的精確投切，實現無功補償和諧波治理的聯動時序統一協調。

1 電能質量綜合治理裝置設計

1.1 結構設計

電能質量綜合治理裝置的布局圖如圖1所示，整個裝置分上下兩層，下層安裝靜止無功發生器，上層安裝智能電容器組，前面板安裝電能質量綜合控制儀，其余配件主要包括散熱風扇、電流表、浪涌保護器、總開關等，按照實際補償容量來進行選配。

1.2 電氣接線設計

電能質量綜合控制儀通過RS485通訊線連接SVG和智能電容器組，綜合治理裝置采樣通過連接系統側的一組互感器串聯接入綜合控制儀和SVG中，智能電容器組之間通過RS485通訊線串接在一起。多臺SVG并聯時，綜合控制儀通訊線通過一帶多的方式進行通訊。

1.3 程序算法設計

電能質量綜合治理裝置中，對電力系統運行過程中的電流、電壓等變化通過實時監測，對當前時刻的電流、電壓波形進行采集，在此基礎上對電流分量采用離散傅里葉變換法進行計算，即得到諧波電流分量、基波電流等，再結合電壓，對有功功率、無功功率、畸變率、各次諧波電壓、功率因數等電力參數進行計算，補償設備與主控模塊之間實時進行通訊。在上述計算所得電力參數的基礎上，主控模塊運行，且對諧波濾除模式優先運行，再對無功補償模式運行，兩種模式處于同時運行的狀態。具體運行中，如果檢測到的諧波畸變率上限值大于電路預設值，需要先在諧波濾除模式下對諧波進行濾除，同時對是否需進行無功補償進行檢測。需要補償的按上述方法補償，且無功補償模式與諧波濾除模式形成混合補償。

1.3.1 諧波濾除模式

在對電力系統進行檢測時，如系統中存在諧波，并且諧波畸變率上限值超過預設值，則啟動SVG濾波模式，在詳細分析反饋數據的基礎上，對電路中各次諧波大小進行計算，SVG產生反向諧波，實現諧波消除的作用。

1.3.2 無功補償模式

在進行無功補償中，對智能電容器組（C）與靜止無功發生器（SVG）等補償設備投入的順序進行確定，通常C的優先級大于SVG。在電路檢測中，如諧波畸變率上限值低于預設值，進行靜態無功補償，靜態補償中優先采用C進行無功補償，C無法補償時再采用SVG補償。待平衡后，系統內無功補償量處于變化狀態時，對補償變化的無功能SVG優先快速響應，在SVG補償的容量降低或增大的補償量，與單臺C完全可補償的補償量相同時，則切換SVG已補償的無功量到C進行補償，SVG則在補償完成后切除SVG或對補償不足的無功量進行補償。如果在C補償后，系統三相仍存在不等量，或低于單臺C的補償量，則對三相不平衡狀態啟用SVG進行調節。

1.4 系統投切控制方法

混合系統中的SVG和智能電容器采用聯動工作模式，智能電容器的投切和SVG補償由綜合控制儀進行控制，工作的時序性由綜合控制儀統一協調，實現時序嚴格，邏輯統一。

基于電流超前干預模型，綜合控制儀通過對系統中的電流數據進行實時分析，預判諧波電流放大、諧波電壓增大、諧振等問題的發生趨勢，并快速響應做出相應的補償聯動策略，靈活控制智能電容器的投切數量和投切次序，有針對性并準確地降低被放大的諧波，以至消除問題，從很大程度上迅速規避。

該混補系統在運行過程中，控制邏輯明確，不會出現長時間過補、欠補情況，補償的連續性、一致性都較為平穩，綜合控制儀能以快速響應做出對應的補償聯動策略，靈活控制電容器的投切數量和投切次序。

2 數值仿真模擬

2.1 模擬環境

基于MATLAB軟件，給定無功變化量函數Q（t）以及邊界條件，分別模擬SVG+C獨立裝置和文章設計的電能質量綜合治理裝置在治理無功和諧波時的系統響應。

2.2 模擬結果

通過對比驗證模擬結果可以看出，在相同治理環境下，文章設計的綜合治理裝置如圖3所示，較SVG+C獨立運行裝置如圖2所示，在綜合補償策略中，SVG的負荷量基本維持在一個較低水平，其動態響應的突變量也比較均勻平穩，電容器組的投切負荷量更接近于實際負荷需求量，電容器組的無功補償利用率高，并且投切響應速度快，系統功率因數治理效果平穩良好，對于系統諧振等問題具有超前預判趨勢和抑制措施，系統運行更穩定。

3 現場服役結果與分析

3.1 現場環境

文章設計的混合補償系統，選址某大型電氣制造公司的生產車間配電室進行現場服役。配電房電壓器容量為1250kVA，生產車間主要負載包括電機、風機、照明、點焊機和機床等。采用電能質量分析儀現場測量發現：

在生產設備運行過程中，負載電流變化幅度大且變化頻率快;在設備空閑時間，負載電流較小且穩定。

點焊機開啟后，負載總電流幅值持續不斷增大，最高可達600A以上，諧波電流短時間內增加，伴隨多次諧波且各次諧波電流大，尤其是3、5、7次諧波的瞬時電流可達30A～50A。

3.2 混補系統選型

針對上述測量情況，該配電房的混補系統配置方案由40kvar抑諧式共補智能電容器6組+100kvar SVG（帶濾除低次諧波功能）組成。配電房補償系統結構圖如圖4所示。

3.3 現場運行結果

采用電能質量分析儀Fluck對配電房進線端的諧波電流、無功功率、功率因數進行測量，對比混補系統開啟運行治理前后的參數變化。

通過表1、表2中的數據分析可見，在未開啟補償之前，系統總電流A/B/C三相分別為489A、416A、418A，系統A/B/C三相功率因數在0.9左右，且諧波電流畸變率在18%以上，3次諧波電流為75A～80A，5次諧波電流為45A～50A，不符合用電要求。在經過綜合治理后，A/B/C三相功率因數基本達到1.0，無功功率在5kvar左右，且電流諧波畸變率保持在7%以下，測試點的諧波數據都滿足GB 14549-1993中的諧波標準。

現場觀察發現，當負載端無功功率急劇上升或下降時，SVG的無功補償量并不會隨即大幅變化，取而代之的是此時智能電容器組會相應投入或切除若干臺，以保證系統無功功率補償的平衡。SVG不論是無功功率補償還是諧波治理，其輸出量變化較為平緩，整個混補系統處在一個穩定的變化當中。

4 結語

文章設計了一種由電能質量綜合控制儀、并聯型靜止無功發生器和智能電容器組成的電能質量綜合治理裝置。數值模擬和現場服役結果表明，該設計的電能質量綜合治理裝置一方面可以實現無功補償和諧波治理;另一方面可以在很大程度上規避系統諧振，且無功補償系統在補償運行過程中，智能電容器承擔了大部分的無功功率補償任務，靜止無功發生器處于輕載狀態，補償效果具備良好的連續性和平穩性，由此改善了電能質量的治理效果，延長了電能質量治理設備的使用壽命。

參考文獻

[1] 王兆安，楊君，劉進軍，等.諧波抑制和無功功率補償[M].2版.北京：機械工業出版社，2005.

[2] 梁有偉.靜止無功發生器SVG在低壓配電網中的應用[J].電工技術，2018（17）：130-132.

[3] 楊家強，陳詩瀾，朱潔，等.APF與TSC混合補償裝置控制策略設計[J].電機與控制學報，2014，18（1）：11-18.

[4] 宿紫鵬，楊磊，楊家強，等.基于開關表決策的APF與TSC混合系統投切控制方法[J].浙江大學學報（工學版），2018，52（11）：2201-2209，2232.

[5] 李曉明，楊帆，劉世琦.一種新型綜合動態無功補償與有源濾波方法[J].電力電子技術，2009，43（10）：16-18.