高壓并聯(lián)式混合型10kV電網(wǎng)高次諧波有源濾波裝置的主要特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方案

介紹了我國(guó)首次自主研制并投入工業(yè)運(yùn)行的第一套高壓并聯(lián)式混合型10kV電網(wǎng)高次諧波有源濾波裝置的主要特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方案，以及工業(yè)運(yùn)行的效果。該裝置是一種并聯(lián)式有源濾波和無(wú)源濾波相結(jié)合的混合型成套裝置。文中詳細(xì)介紹了該裝置的大容量有源濾波器的主回路設(shè)計(jì)、功率開(kāi)關(guān)器件的選用、諧波電流檢測(cè)及補(bǔ)償信號(hào)控制的數(shù)字模擬混合技術(shù)、濾波裝置的并聯(lián)運(yùn)行仿真及實(shí)際工業(yè)運(yùn)行效果等方面。該裝置的鑒定測(cè)量結(jié)果為：實(shí)測(cè)補(bǔ)償容量達(dá)508.1kVA以上，超過(guò)設(shè)計(jì)值480kVA;空投損耗為額定補(bǔ)償容量的0.12%；動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于0.3ms；投運(yùn)后的母線(xiàn)電壓畸變率為1.3%～1.5%,比原來(lái)的電壓波形總畸變率下降1.5%;功率因數(shù)從0.75上升到0.93以上。 關(guān)鍵詞： 高壓；并聯(lián)式；高次諧波；有源濾波器；混合型；無(wú)功補(bǔ)償；電鐵牽引站

0引言

　　電鐵機(jī)車(chē)、軋機(jī)、電弧爐及電力電子設(shè)備等非線(xiàn)性負(fù)荷運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的高次諧波電流大、三相不平衡，且具間歇性、沖擊性等特點(diǎn)，采用現(xiàn)有的固定容量的補(bǔ)償裝置，不能滿(mǎn)足這類(lèi)電力負(fù)荷安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求。為了治理諧波和提高功率因數(shù)，多年來(lái)，許多國(guó)家都先后研制了多種形式的靜止無(wú)功補(bǔ)償和消諧裝置，以完成不同類(lèi)型的無(wú)功補(bǔ)償和治理諧波的任務(wù)。

　　（1） 采用晶閘管（SCR）元件的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVC）與交流濾波器（FC）并聯(lián)。這種SVC是由晶閘管控制的電抗器（TCR）和晶閘管投切的電容器組（TSC）構(gòu)成。該裝置的優(yōu)點(diǎn)是在三相系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)，可以用來(lái)補(bǔ)償三相電壓的不平衡，對(duì)無(wú)功輸出能連續(xù)可調(diào)。其缺點(diǎn)是TCR在運(yùn)行中的無(wú)功輸出是通過(guò)調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角來(lái)實(shí)現(xiàn)的，TCR會(huì)產(chǎn)生大量的高次諧波電流，因此交流濾波器的濾波容量要相應(yīng)地增加，從而使正常運(yùn)行的損耗也大大增加。若把TCR用于電鐵牽引站的單相補(bǔ)償，其優(yōu)點(diǎn)得不到展示反而缺點(diǎn)比較顯著。

　　（2） 采用高速可關(guān)斷晶閘管（GTO）的靜態(tài)無(wú)功發(fā)生器（SVG）和交流濾波器并聯(lián)。這種SVG能連續(xù)可調(diào)輸出進(jìn)相或滯后的無(wú)功，從而使系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，三相平衡，且基本不產(chǎn)生附加的高次諧波，不用加大交流濾波器的濾波容量，基本設(shè)施可減少。目前國(guó)內(nèi)已能制造大容量的SVG工業(yè)樣機(jī)，但投資較大，其運(yùn)行特性有待于進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和進(jìn)行工程實(shí)踐。

　?。?） 采用有源高次諧波濾波器和無(wú)源濾波器組混合并聯(lián)運(yùn)行，無(wú)源濾波器組的作用是提供必需的進(jìn)相基波無(wú)功，并作為低次（3次和5次）諧波濾波電路；有源高次諧波濾波器不提供基波無(wú)功，只補(bǔ)償需要的各次諧波電流。對(duì)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，有源高次諧波濾波器是一高阻抗、高次諧波的電流源，它的接入對(duì)系統(tǒng)阻抗沒(méi)有影響，能自行適應(yīng)被補(bǔ)償線(xiàn)路所需補(bǔ)償?shù)闹C波電流的需要，不存在過(guò)補(bǔ)償和過(guò)負(fù)荷的問(wèn)題；同時(shí)，它還能防止系統(tǒng)與電容器組之間可能發(fā)生的并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振。

　　傳統(tǒng)的消除電網(wǎng)高次諧波的措施是采用LC型的無(wú)源濾波器。LC型濾波器與諧波源并聯(lián)運(yùn)行，除了起濾去高次諧波的作用外，還可兼顧系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)男枰?，輸出相?dāng)數(shù)額的基波容性無(wú)功。LC型濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便，但占地面積較大，而且還有一些不足之處。

　　有源濾波器不僅可減小占地面積，而且可有效地解決無(wú)源濾波器所存在的問(wèn)題。有源濾波器與無(wú)源濾波器的最大區(qū)別在于，它是一種向交流電網(wǎng)注入補(bǔ)償諧波電流，以抵消負(fù)荷所產(chǎn)生的諧波電流的主動(dòng)式濾波裝置，其結(jié)構(gòu)上由靜態(tài)功率變流器構(gòu)成，具有半導(dǎo)體功率變流器的高可控性和快速響應(yīng)性。

1研制慨況

　　針對(duì)電氣化鐵道諧波的特征，華北電力科學(xué)院1997年提出了鐵路牽引站諧波治理工程采用有源和無(wú)源濾波器混合并行的方案。因已有的濾波補(bǔ)償裝置在治理電氣化鐵道、大型軋機(jī)和感應(yīng)爐等負(fù)荷的諧波和波動(dòng)時(shí)，在技術(shù)性能上存在不少缺點(diǎn)，滿(mǎn)足不了現(xiàn)代工業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)對(duì)電能質(zhì)量的要求。因此，研制直掛高壓系統(tǒng)的電網(wǎng)高次諧波有源濾波裝置很有必要。華北電力科學(xué)研究院于1999年6月開(kāi)始研制這種裝置，并于2003年8月26日全套裝置一次投運(yùn)成功。該補(bǔ)償裝置的投運(yùn)，有效地濾去了非線(xiàn)性負(fù)荷所產(chǎn)生的諧波電流，改善了10kV母線(xiàn)電壓的波形，使電壓諧波總畸變率從原有的5.0%
以上降低到1.5% 以下，無(wú)源濾波器支路同時(shí)還補(bǔ)償了系統(tǒng)所需的無(wú)功，使功率因數(shù)從0.75 上升到0.93 以上。該套濾波裝置投入運(yùn)行以來(lái)，一直穩(wěn)定可靠，補(bǔ)償效果顯著。

　　該項(xiàng)目利用了電力系統(tǒng)分析方法和信息處理技術(shù)進(jìn)行裝置的總體設(shè)計(jì)；有源濾波器主回路采用三相獨(dú)立橋結(jié)構(gòu)；信息處理采用高速數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和工業(yè)控制機(jī)相結(jié)合的數(shù)模混合控制技術(shù)；數(shù)據(jù)采樣測(cè)量和處理環(huán)節(jié)采用首創(chuàng)的預(yù)整形同步采樣技術(shù);大功率絕緣柵雙極晶體管(IGBT)元件采用軟關(guān)斷技術(shù)和主回路緩沖放電技術(shù);高壓有源濾波器和無(wú)源濾波器并聯(lián)運(yùn)行采用仿真和混合技術(shù)；高壓并聯(lián)式混合型有源濾波器采用電磁兼容性設(shè)計(jì)及其數(shù)字仿真技術(shù)等，保證了整套裝置的技術(shù)指標(biāo)的先進(jìn)性和補(bǔ)償功能的穩(wěn)定可靠。

2混合型補(bǔ)償裝置的類(lèi)型


　　并聯(lián)式有源濾波器當(dāng)功率容量足夠大時(shí)，不僅可以快速地補(bǔ)償諧波，而且也可用于補(bǔ)償無(wú)功、三相不平衡以及電壓的波動(dòng)和閃變。有源濾波器雖在技術(shù)性能上相對(duì)于無(wú)源濾波器來(lái)說(shuō)具有許多優(yōu)點(diǎn)，但是由于它本身是一種高技術(shù)、多學(xué)科的產(chǎn)品，要達(dá)到同容量的無(wú)功補(bǔ)償和諧波濾波，初期制造費(fèi)用比無(wú)源濾波器要高得多。解決的辦法是采用有源濾波器和無(wú)源濾波器相結(jié)合的混合型裝置，這樣能夠有效地降低初期的投資費(fèi)用，并提高濾波補(bǔ)償?shù)男??；旌闲脱a(bǔ)償裝置有無(wú)源濾波器與并聯(lián)式有源濾波器混合與無(wú)源濾波器與串聯(lián)式有源濾波器復(fù)（混）合2種類(lèi)型。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1混合型補(bǔ)償裝置電路結(jié)構(gòu)

　　在并聯(lián)式混合型補(bǔ)償裝置中，有源濾波器的主回路采用效率高、損耗小的電壓源脈寬調(diào)制(PWM)逆變器，有源濾波器的作用主要是產(chǎn)生補(bǔ)償諧波電流的電流IC，無(wú)源濾波器主要用于補(bǔ)償無(wú)功，并兼顧補(bǔ)償某指定次數(shù)的諧波。這樣安排的優(yōu)點(diǎn)是可以大大減小并聯(lián)式有源濾波器的容量，便于并聯(lián)式有源濾波器的應(yīng)用。在串聯(lián)式復(fù)（混）合型補(bǔ)償裝置中，有源濾波器的作用是產(chǎn)生補(bǔ)償諧波電壓的電壓UC，使電源側(cè)與非線(xiàn)性負(fù)荷之間實(shí)現(xiàn)諧波隔離。其優(yōu)點(diǎn)是可大大減小串聯(lián)式有源濾波器的容量，無(wú)源濾波器既可補(bǔ)償無(wú)功又可補(bǔ)償諧波。其缺陷是應(yīng)用于高電壓等級(jí)的串聯(lián)式有源濾波器的安全隔離和保護(hù)，目前在技術(shù)方面仍存在一些困難，因而只能應(yīng)用于一些低電壓和小容量的場(chǎng)合［1］。因此本課題選用了適合于高電壓等級(jí)大容量場(chǎng)合的并聯(lián)式混合型有源濾波器裝置的研制。

3總體設(shè)計(jì)方案的考慮

　　該項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容主要有2點(diǎn)：①高電壓(10kV級(jí))、大容量（300kVA以上）有源濾波器的研究，包括有源濾波器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性研究，應(yīng)用智能控制技術(shù)提高有源濾波器的自適應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)補(bǔ)償。②并聯(lián)式混合型有源濾波器濾波技術(shù)的研究，包括無(wú)源濾波器和有源濾波器的復(fù)合連接技術(shù)及動(dòng)態(tài)特性的研究。主要解決的關(guān)鍵問(wèn)題為高電壓、大容量電力有源濾波器的變流技術(shù)和諧波電流注入技術(shù)；有源濾波器和無(wú)源濾波器混合并聯(lián)技術(shù)與智能控制技術(shù)。

3.1主回路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　高電壓有源濾波器主回路一般有高—高直接高壓結(jié)構(gòu)和高—低變壓結(jié)構(gòu)2種。

　　高—低變壓結(jié)構(gòu)的主電路，是使用降壓的注入變壓器，將10kV高電壓經(jīng)降壓注入變壓器變成700～1000V，然后采用電壓型逆變器多重化技術(shù)實(shí)現(xiàn)高電壓大功率的輸出。這種結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點(diǎn)是有效解決了大功率開(kāi)關(guān)器件的成本問(wèn)題，因?yàn)樵诘碗妷合逻M(jìn)行調(diào)制逆變，可以采用價(jià)格低廉的電力電子器件，同時(shí)可以降低dU/dt，有效降低裝置的開(kāi)關(guān)損耗。本課題采用的這種高—低變壓結(jié)構(gòu)的主電路，如圖2所示。這種結(jié)構(gòu)可以方便地從三相10kV拓展到單相27.5kV的電壓等級(jí)，為電鐵牽引站的諧波治理工程提供高效的補(bǔ)償裝置。

圖2高低變壓結(jié)構(gòu)主電路圖