高壓大容量有源濾波及無(wú)功補償

　　摘要：無(wú)功補償和諧波治理對于輸配電系統非常重要，尤其是在未來(lái)的智能電網(wǎng)中。描述諧波治理技術(shù)和無(wú)功補償技術(shù)應用現狀的同時(shí)，介紹TSVC~APF的基本原理、結構、功能和關(guān)鍵技術(shù)，并對其聯(lián)合運行作了闡述，同時(shí)介紹了產(chǎn)業(yè)化應用的前景。

　　Abstract：Reactive power compensation and harmonic elimination are critical to power transmission and distribution system.This paper introduces the application of the APF(active power filter)and SVC(static power filter)at home and abroad especially in the principle，structure，function and critical technology.The paper also gives the research direction of APF and SVC combined operating.The foreground of industrialization of APF and SVC is quite optimistic。

　　一 引言

　　隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子裝置的容量不斷增大，其應用領(lǐng)域不斷擴展，使用的數量也在迅速上升，給電網(wǎng)帶來(lái)越來(lái)越嚴重的電能質(zhì)量問(wèn)題。其中沖擊性、波動(dòng)性負荷，例如電弧爐、大型軋鋼機以及電力機車(chē)等在運行中不僅會(huì )產(chǎn)生大量的高次諧波，而且還會(huì )產(chǎn)生電壓波動(dòng)、閃變以及三相不平衡等電能質(zhì)量問(wèn)題。另一方面，隨著(zhù)各種復雜的、精密的和對電能質(zhì)量敏感的用電設備不斷增多，對電能質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。因此改善電能質(zhì)量對于電網(wǎng)和用電設備的安全以及經(jīng)濟運行具有重要的意義，這也是建設我國堅強智能電網(wǎng)必需重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題之一。

　　電網(wǎng)中的諧波不僅危害電網(wǎng)本身而且危害其周邊設備。諧波一方面使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低;另一方面使電氣設備過(guò)熱、產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，并使絕緣老化、使用壽命降低，甚至發(fā)生故障或燒毀。同時(shí)諧波還會(huì )使電力系統局部出現并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設備燒毀。諧波還會(huì )引起電力保護裝置和自動(dòng)設備誤動(dòng)作、電能計量出現混亂等，對儀器儀表、通訊設備和電子設備等也會(huì )產(chǎn)生不同程度的影響，產(chǎn)生的經(jīng)濟損失和社會(huì )影響更是無(wú)法估量。目前許多國家及國際組織都制定了諧波標準，1994年國內也制定了相應的標準，即GB/T14549—93 電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波))。因此進(jìn)行電網(wǎng)的諧波治理既是電網(wǎng)安全和經(jīng)濟運行的客觀(guān)需要，也是國家標準的規范要求。對于諧波抑制裝置，無(wú)源電力濾波器(Passive Power Filter，PPF)因其結構簡(jiǎn)單和成本低，并對特定次諧波有良好的濾波效果，仍在廣泛使用。但是其濾波效果受電網(wǎng)阻抗和自身參數影響較大，易與電網(wǎng)阻抗發(fā)生串并聯(lián)諧振而引起事故，如電容器燒毀、過(guò)電壓、過(guò)電流以及主開(kāi)關(guān)頻繁跳閘，影響供電的安全。有源電力濾波器(Active Power Filter，APF)以及無(wú)源和有源結合使用的混合型有源電力濾波器(HybridActivePower

　　Filter，HAPF)因其補償諧波性能優(yōu)越、受電網(wǎng)阻抗影響小，正越來(lái)越獲得重視和應用。

　　H橋級聯(lián)式多電平逆變器，也稱(chēng)為鏈式多電平逆變器，是目前工業(yè)應用較為成熟的一種拓撲結構，常用于高壓大容量的交流傳動(dòng)系統和靜止補償器(Static Compensator，STATCOM)無(wú)功補償裝置。1999年，阿爾斯通公司研制的75 Mvar鏈式STATcOM 采用三角形連接，并在英國EastClaydon變電站投入運行，標志著(zhù)鏈式結構多電平逆變器技術(shù)進(jìn)入實(shí)用化階段，裝置的可靠性很高，該裝置可用率高達98%。2006年，在上海西郊變電站±50 Mvar鏈式多電平逆變器STATCOM并網(wǎng)試運行。北京利德華福電氣技術(shù)公司也將該鏈式多電平逆變器用于高壓大功率風(fēng)機、水泵的交流傳動(dòng)中去，2005年產(chǎn)值超過(guò)2億元，成為高壓變頻行業(yè)的佼佼者。若將這種主電路拓撲結構應用于APF，構成級聯(lián)式APF，可以顯著(zhù)提高APF對高壓大容量非線(xiàn)性負載的諧波補償能力，具有廣闊的應用前景。

　　目前，在日本、美國以及歐洲等地區，低壓中小功率的APF已在工業(yè)和民用設備上得到了廣泛應用，其單機裝置的容量逐步地提高，并且其諧波補償的次數也在逐步提高，可高達25次諧波。中壓大容量的APF，也已有了具體的應用，如在日本新干線(xiàn)供電系統諧波治理中，APF的容量已達到48MVA。我國在APF的應用研究方面，與發(fā)達國家相比尚存在著(zhù)差距。廠(chǎng)礦企業(yè)廣泛使用的大容量非線(xiàn)性電力電子裝置和大容量沖擊性負載，不僅向中壓電網(wǎng)注入了大量諧波，而且吸收大量的無(wú)功功率。因此在輸配電工程中，往往要求同時(shí)抑制諧波和補償無(wú)功功率。解決兼有無(wú)功功率補償和諧波抑制功能的中壓大容量工業(yè)裝備在實(shí)際應用中的關(guān)鍵問(wèn)題，符合國家對輸配電電力電子節能重大技術(shù)的需求(見(jiàn)圖1)。

　　二、SVC構成

　　靜止型無(wú)功補償裝置主要由TCR晶閘管控制電抗器和TSC晶閘管投切電容器組成，主要功能用于維持系統電壓穩定、補償負荷無(wú)功功率、提高系統功率因數、減少系統損耗等。

　　SVC主要由晶閘管閥組、相控電抗器、固定電容濾波器(FC)、數字控制系統及閥組狀態(tài)監測保護裝置等，如圖1所示。

　　SVC具有以下幾個(gè)特征：

　　(1)基于Steinmets原理實(shí)現分相調節，消除三相不平衡;

　　(2)應用瞬時(shí)無(wú)功理論， 動(dòng)態(tài)響應快，控制精度高;

　　(3)采用DSP+FPGA的全數字控制與監控系統，安全可靠;

　　(4)觸發(fā)系統采用先進(jìn)的光電觸發(fā)方式，抗干擾能力強;

　　(5)主電路取能，系統簡(jiǎn)單可靠;

　　(6)晶閘管閥組反饋實(shí)時(shí)狀態(tài)信號，實(shí)現實(shí)時(shí)保護;

　　(7)晶閘管采用強制觸發(fā)保護(BOD);

　　(8)冷卻系統采用型材風(fēng)冷方式，運行可靠。

　　三、APF構成

　　高壓APF主要采用級聯(lián)式結構，通過(guò)由IGBT組成的單相全橋逆變器級聯(lián)而成，級聯(lián)的單元個(gè)數根據電網(wǎng)電壓等級和單元直流側電壓值來(lái)共同確定。其原理如圖2所示。

　　見(jiàn)圖3，10kV的APF每相10個(gè)單元進(jìn)行級聯(lián)，三相之間Y型連接經(jīng)由電抗器直接接入10kV電網(wǎng)系統，控制系統主要實(shí)現檢測、保護和驅動(dòng)等功能。

　　10kV級聯(lián)APF柜架采用上下分層排列，整個(gè)柜內空問(wèn)前后分開(kāi)，中間使用絕緣材料密閉，留出每個(gè)單元的散熱器出風(fēng)口，在柜體后半部分空間形成風(fēng)道， 由離心式風(fēng)機集中排風(fēng)，柜體前后構成氣壓差，形成了各單元的散熱器的獨立風(fēng)道實(shí)現散熱。

　　四 APF與SVC聯(lián)合運行的發(fā)展

　　(1)能與SVC聯(lián)合運行的中壓大容量MVA級級聯(lián)式APF工業(yè)裝置，是一種新型柔性輸配電技術(shù)，適用于6~35kV電壓等級的輸配電網(wǎng)，容量從數MVA到數十MVA不等，可直接用于中壓電網(wǎng)大容量諧波治理，并且可以與大容量、成本較低的SVC聯(lián)合使用，共同改善電網(wǎng)的供電質(zhì)量。同時(shí)可增強系統穩定性，抑制電壓波動(dòng)和閃變，改善系統不平衡，濾除高次諧波，提高功率因數，節能降耗。與其他補償裝置相比，具有效率高、響應快、占地省、易擴展和成本低等優(yōu)點(diǎn)。該系統可用于電力、冶金、電氣化鐵路、有色金屬、石油、煤炭等行業(yè)中的輸配電系統節能和電能質(zhì)量控制工程，具有廣泛的應用前景，將會(huì )產(chǎn)生良好的經(jīng)濟和社會(huì )效益。

　　(2)從系統的角度對裝有APF與SVC多輸入多輸出系統進(jìn)行控制器參數協(xié)調設計和優(yōu)化，消除或減弱兩種裝置的交互作用，達到兩種裝置協(xié)調控制。通過(guò)該內容的研究，對于接入電力系統的SVG、STATCOM 等FACTS多種裝置的控制器參數協(xié)調設計和安全可靠穩定運行具有理論意義和借鑒價(jià)值。

　　(3)在電網(wǎng)電壓異常情況下，從SPLL技術(shù)出發(fā)，找出能實(shí)時(shí)檢測出電網(wǎng)電壓相位的方法。同時(shí)在電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)，從能量的角度找出保證懸浮電容電壓均衡的控制模式，進(jìn)而為APF裝置在異常工況下持續穩定運行提供統一解決方案。接入電力系統的SVG、STATCOM 等FACTS裝置同樣會(huì )面對電網(wǎng)的異常工況，通過(guò)對異常工況下控制策略和控制模式的研究，可以拓寬FACTS裝置的安全運行區，提高裝置的持續穩定運行和生存能力，最大程度發(fā)揮裝置的效用。

　　五 APF-5SVC聯(lián)合運行的應用

　　隨著(zhù)電力電子器件以及非線(xiàn)性用電設備的廣泛使用， 中壓電網(wǎng)的電能質(zhì)量狀況也越來(lái)越差，中壓大容量APF與SVC聯(lián)合運行系統正是基于這一問(wèn)題而提出來(lái)綜合解決方案。

　　(1)鋼鐵、冶金行業(yè)

　　交流、直流電弧爐，容量很大，其帶來(lái)的負荷沖擊、諧波、電壓閃變和波動(dòng)以及不平衡不可避免地造成電能質(zhì)量降低，對配電網(wǎng)和其它電力用戶(hù)以及冶金企業(yè)本身而言，都有不良的影響。對于此類(lèi)電能質(zhì)量問(wèn)題，可以采用該系統進(jìn)行綜合治理，可以減少電弧爐對電網(wǎng)系統的沖擊;能夠穩定電弧爐冶煉期間的母線(xiàn)電壓，減少斷弧現象，提高冶煉效率，噸鋼耗電量將大大降低;該系統還可使電網(wǎng)的功率因數保持在0.95以上， 同時(shí)抑制諧波、電壓閃變等。

　　(2)軋鋼設備

　　軋鋼設備同時(shí)擁有大型電動(dòng)機群(直流電動(dòng)機、異步電動(dòng)機、同步電動(dòng)機)和大功率電力電子裝置，其電流沖擊大，諧波大，無(wú)功消耗大，功率因數低，配網(wǎng)損耗太大。電動(dòng)機群?jiǎn)?dòng)時(shí)，會(huì )需要額外的大量無(wú)功，可能造成供電電網(wǎng)的電壓跌落，嚴重的可能造成電壓穩定事故。交流電動(dòng)機存在磁飽和現象，在啟動(dòng)和運行期間會(huì )產(chǎn)生特征諧波;直流電動(dòng)機的整流環(huán)節也會(huì )產(chǎn)生嚴重的諧波污染等。

　　(3)汽車(chē)制造行業(yè)

　　汽車(chē)制造行業(yè)由于采用大量電焊機和交流電機，產(chǎn)生了嚴重的諧波污染，并需要大量的無(wú)功，可能造成供電電網(wǎng)的電壓跌落，嚴重的可能造成電壓穩定事故。大量諧波和無(wú)功也會(huì )導致大量的能量損耗，直接危害設備的運行穩定性和使用壽命。

　　(4)軌道交通

　　軌道交通由于采用整流負荷和大功率交流電機， 產(chǎn)生了嚴重的諧波污染，并需要大量的無(wú)功， 可能造成供電電網(wǎng)的電壓跌落， 嚴重的可能造成電壓穩定事故。與上述(2)、(3)類(lèi)似， 由于負荷投切頻繁，會(huì )對供電電網(wǎng)造成間歇性的沖擊，造成電壓反復波動(dòng);交流電動(dòng)機存在磁飽和現象，在啟動(dòng)和運行期間會(huì )產(chǎn)生特征諧波;直流電動(dòng)機的整流環(huán)節也會(huì )產(chǎn)生嚴重的諧波污染等，并導致大量的能量損耗，直接危害設備的運行穩定性。對于上述電能質(zhì)量問(wèn)題，可以采用該系統進(jìn)行綜合治理。

　　多級H橋串聯(lián)的主電路拓撲結構應用于APF，可以提高APF的電壓等級和輸出容量，從而提高對中壓大容量非線(xiàn)性負載的諧波補償能力。