配電變壓器集成式混合補償系統研究

楊敏建

（大慶石化公司熱電廠，黑龍江大慶 163000）

0 引言

當前，電網中非線性負荷用電器所占的比例越來越高，導致電網所承擔的無功功率增高，電網中的諧波問題也日益突出。為了緩解無功功率與諧波問題，需要對其進行補償，補償方式主要分為高壓側與低壓側補償兩種方式。高壓側補償雖然屬于集中式補償，但要使用同步補償器才能實現，加之高壓側的電壓較高，必須通過級聯結構才能接入母線，存在設備的整體成本非常高的弊端。低壓側補償屬于分散式補償，主要設備為有源濾波器，這種設備的負載能力較差，只適用于補償量不大的場合，并且設備安裝較為分散，無法實現設備間的協調工作。高壓側補償與低壓側補償都只能適用于固定電壓的情況，要想提高設備的經濟效益，就需要選擇一個合適的電壓值。

由晶閘管可控電抗器和固定電容器組成的靜止無功補償器被廣泛應用于電網中，其價格低廉，性能可靠，但靜止無功補償器本身也會產生諧波，解決辦法是將固定電容器替換為容性無源濾波支路，來過濾掉設備本身產生的諧波。但這種設備的體積較大，并且只能過濾固定頻率的諧波。有源電力濾波器具有非常好的過濾諧波性能，但只能承受較低的電壓，混合有源濾波器結合了有源濾波器與無源濾波器的性能特點，一直以來受到廣大業內人士的關注和研究。無源支路和晶閘管可控電抗器補償無功功率和諧波的費效比較高，有源電力濾波器能夠很好地過濾諧波。

配電變壓器是將電網高壓轉化為用戶低壓的節點，對供電質量的調節具有關鍵作用，采用無源支路、晶閘管可控電抗器和有源電力濾波器組成混合補償系統，采取變壓器高壓側補償的方式，通過抽頭接入電網，實現了很好的無功功率和諧波補償作用。雖然該系統占用了部分變壓器容量，但只要選擇合適的電壓，就能發揮混合補償系統的優勢，更靈活地接入電網，具有較高的經濟效益，有效解決了負載測電能質量對電網的擾動問題。并且兼具無源補償的低低成本與有源補償精度高、速度快的優勢，具有接入電壓選擇靈活、設備成本低、補償精度高、響應速度快的特點。

1 集成式混合補償系統

電網中的變壓器連接方式有很多，最常見的連接方式為Dyn，即高壓側采取三角形接法、低壓側采取星形接法，由中性點引出，高低壓之間的相位差為30°。這種接法具有零序阻抗小、利于單相接地故障切除和抗雷擊性能強的優點，尤其在工況運行不穩定電網中具有很好的適應性?；贒yn 連接方式的諸多優點，所研究的集成式混合補償系統，采取高壓側三角形接法，并通過連接抽頭接入電路，有源電力濾波器、晶閘管可控電抗器和無源濾波支路均通過連接抽頭與高壓側三角形繞組相連接。變壓器電容補償配電柜如圖1 所示。

圖1 變壓器電容補償配電柜

2 數學模型及補償原理

所研究的集成式混合補償系統能夠有效補償電網中的無功功率與諧波，接下來通過基波域和諧波域等效模型來分析混合補償系統的實現。由晶閘管可控電抗器和無源濾波支路作為電網無功功率補償的主要設備，有源電力濾波器作為提升整個系統補償精度與速度的主要設備，當系統處于穩定運行時，有源電力濾波器的負載很小，其非線性負載可以作為諧波電流源，由于晶閘管可控電抗器并入電網工作時也會產生諧波，因此應把晶閘管可控電抗器與無源濾波支路當做受控電流源，有源電力濾波器也可以當做受控電流源，并在此基礎上建立系統的諧波域等效模型，這時網側電流僅為負載測的有供電流，這樣一來系統就實現了對無功功率與諧波的補償，一臺有源電力濾波器的構造如圖2 所示。

圖2 APF 濾波器

3 控制系統設計

3.1 指令電流檢測

混合補償系統的控制分為電流檢測與跟蹤兩個環節，要想實現精確的補償就必須獲得精確的電流檢測結果，有源電力濾波器可以精確檢測出負載側無功電流大小，為混合補償系統提供指令電流，提高混合補償系統的精度與速度，同樣諧波的補償也需要精確檢測諧波電流。

3.2 指令電流跟蹤

晶閘管可控電抗器能夠跟蹤無功電流，并對無功功率進行補償。負載無功電流在經過一系列的向量變換后，以其q 軸分量作為混合補償系統的指令電流，并與晶閘管可控電抗器和無源濾波支路輸出的無功電流相減，來獲取晶閘管觸發延遲角。晶閘管可控電抗器在系統中的應用如圖3 所示。

圖3 晶閘管可控電抗器在系統中的應用

有源電力濾波器的作用一是穩定電壓，提升混合補償系統的響應能力，二是預制電網中的諧波。研究采取二者獨立的電流控制方式?；刂贫瞬扇【€性控制，通過實時跟蹤指令電流，提升系統精度。諧波控制端采取矢量控制，對網路中的諧波進行抑制，并根據系統的設計需求，選取了效果更好的VP（IVector Proportional Integral，矢量比例積分）控制器，來進一步提升系統響應速度，并提高對諧波的抑制性，VPI 控制器對電網中其他頻率電流并不敏感，其直流分量為0，不會對基波控制產生任何影響。

4 結語

由于電網采取高壓側集中補償無功功率與諧波的方式存在接入電壓過高、設備成本大的缺點，以及低壓側分散補償無功功率與諧波的方式存在補償能力差、各分散設備把實現協同工作的缺點，提出一種由配電變壓器接入的集成式混合補償系統，具有接入電壓選擇靈活、設備成本低、補償精度高、響應速度快的特點。該系統采取晶閘管可控電抗器和無源支路對電網中的無功功率與諧波進行補償，并采取有源電力濾波器進一步提高系統的補償精度和速度，起到了很好的無功功率與諧波補償效果。并且兼具無源補償的低低成本與有源補償精度高、速度快的優勢，平衡了設備成本與補償精度的矛盾關系。該系統還能應用于直流輸電網路中，將變壓器與補償設備集成在一起，對電網中的無功功率與諧波進行補償，提升電網運行的穩定性與可靠性，詳細的實施方案將在后續研究中陸續進行。