高壓并聯(lián)式混合型電網(wǎng)高次諧波有源濾波裝置

介紹了我國首次自主研制并投入工業(yè)運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和設(shè)計方案，以及工業(yè)運行的效果。該裝置是一種并聯(lián)式有源濾波和無源濾波相結(jié)合的混合型成套裝置。文中詳細介紹了該裝置的大容量有源濾波器的主回路設(shè)計、功率開關(guān)器件的選用、諧波電流檢測及補償信號控制的數(shù)字模擬混合技術(shù)、濾波裝置的并聯(lián)運行仿真及實際工業(yè)運行效果等方面。該裝置的鑒定測量結(jié)果為：實測補償容量達508.1kVA以上，超過設(shè)計值480kVA;空投損耗為額定補償容量的0.12%；動態(tài)響應時間小于0.3ms；投運后的母線電壓畸變率為1.3%～1.5%,比原來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；無功補償；電鐵牽引站

0引言

　　電鐵機車、軋機、電弧爐及電力電子設(shè)備等非線性負荷運行過程中所產(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，采用現(xiàn)有的固定容量的補償裝置，不能滿足這類電力負荷安全經(jīng)濟運行的要求。為了治理諧波和提高功率因數(shù)，多年來，許多國家都先后研制了多種形式的靜止無功補償和消諧裝置，以完成不同類型的無功補償和治理諧波的任務。

　?。?） 采用晶閘管（SCR）元件的靜止無功補償裝置（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)點是在三相系統(tǒng)中應用時，可以用來補償三相電壓的不平衡，對無功輸出能連續(xù)可調(diào)。其缺點是TCR在運行中的無功輸出是通過調(diào)節(jié)晶閘管的導通角來實現(xiàn)的，TCR會產(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地增加，從而使正常運行的損耗也大大增加。若把TCR用于電鐵牽引站的單相補償，其優(yōu)點得不到展示反而缺點比較顯著。

　?。?） 采用高速可關(guān)斷晶閘管（GTO）的靜態(tài)無功發(fā)生器（SVG）和交流濾波器并聯(lián)。這種SVG能連續(xù)可調(diào)輸出進相或滯后的無功，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。目前國內(nèi)已能制造大容量的SVG工業(yè)樣機，但投資較大，其運行特性有待于進一步開發(fā)和進行工程實踐。

　?。?） 采用有源高次諧波濾波器和無源濾波器組混合并聯(lián)運行，無源濾波器組的作用是提供必需的進相基波無功，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功，只補償需要的各次諧波電流。對系統(tǒng)來說，有源高次諧波濾波器是一高阻抗、高次諧波的電流源，它的接入對系統(tǒng)阻抗沒有影響，能自行適應被補償線路所需補償?shù)闹C波電流的需要，不存在過補償和過負荷的問題；同時，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型的無源濾波器。LC型濾波器與諧波源并聯(lián)運行，除了起濾去高次諧波的作用外，還可兼顧系統(tǒng)無功補償?shù)男枰敵鱿喈敂?shù)額的基波容性無功。LC型濾波器結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，維護方便，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源濾波器所存在的問題。有源濾波器與無源濾波器的最大區(qū)別在于，它是一種向交流電網(wǎng)注入補償諧波電流，以抵消負荷所產(chǎn)生的諧波電流的主動式濾波裝置，其結(jié)構(gòu)上由靜態(tài)功率變流器構(gòu)成，具有半導體功率變流器的高可控性和快速響應性。

1研制慨況

　　針對電氣化鐵道諧波的特征，華北電力科學院1997年提出了鐵路牽引站諧波治理工程采用有源和無源濾波器混合并行的方案。因已有的濾波補償裝置在治理電氣化鐵道、大型軋機和感應爐等負荷的諧波和波動時，在技術(shù)性能上存在不少缺點，滿足不了現(xiàn)代工業(yè)和國民經(jīng)濟對電能質(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。華北電力科學研究院于1999年6月開始研制這種裝置，并于2003年8月26日全套裝置一次投運成功。該補償裝置的投運，有效地濾去了非線性負荷所產(chǎn)生的諧波電流，改善了10kV母線電壓的波形，使電壓諧波總畸變率從原有的5.0%
以上降低到1.5% 以下，無源濾波器支路同時還補償了系統(tǒng)所需的無功，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行以來，一直穩(wěn)定可靠，補償效果顯著。

　　該項目利用了電力系統(tǒng)分析方法和信息處理技術(shù)進行裝置的總體設(shè)計；有源濾波器主回路采用三相獨立橋結(jié)構(gòu)；信息處理采用高速數(shù)字信號處理器(DSP)和工業(yè)控制機相結(jié)合的數(shù)?；旌峡刂萍夹g(shù)；數(shù)據(jù)采樣測量和處理環(huán)節(jié)采用首創(chuàng)的預整形同步采樣技術(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源濾波器并聯(lián)運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)計及其數(shù)字仿真技術(shù)等，保證了整套裝置的技術(shù)指標的先進性和補償功能的穩(wěn)定可靠。

2混合型補償裝置的類型


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

圖1混合型補償裝置電路結(jié)構(gòu)

　　在并聯(lián)式混合型補償裝置中，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)生補償諧波電流的電流IC，無源濾波器主要用于補償無功，并兼顧補償某指定次數(shù)的諧波。這樣安排的優(yōu)點是可以大大減小并聯(lián)式有源濾波器的容量，便于并聯(lián)式有源濾波器的應用。在串聯(lián)式復（混）合型補償裝置中，有源濾波器的作用是產(chǎn)生補償諧波電壓的電壓UC，使電源側(cè)與非線性負荷之間實現(xiàn)諧波隔離。其優(yōu)點是可大大減小串聯(lián)式有源濾波器的容量，無源濾波器既可補償無功又可補償諧波。其缺陷是應用于高電壓等級的串聯(lián)式有源濾波器的安全隔離和保護，目前在技術(shù)方面仍存在一些困難，因而只能應用于一些低電壓和小容量的場合［1］。因此本課題選用了適合于高電壓等級大容量場合的并聯(lián)式混合型有源濾波器裝置的研制。

3總體設(shè)計方案的考慮

　　該項目研究內(nèi)容主要有2點：①高電壓(10kV級)、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)和動態(tài)特性研究，應用智能控制技術(shù)提高有源濾波器的自適應能力，實現(xiàn)最優(yōu)補償。②并聯(lián)式混合型有源濾波器濾波技術(shù)的研究，包括無源濾波器和有源濾波器的復合連接技術(shù)及動態(tài)特性的研究。主要解決的關(guān)鍵問題為高電壓、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主回路的拓撲結(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)實現(xiàn)高電壓大功率的輸出。這種結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點是有效解決了大功率開關(guān)器件的成本問題，因為在低電壓下進行調(diào)制逆變，可以采用價格低廉的電力電子器件，同時可以降低dU/dt，有效降低裝置的開關(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，為電鐵牽引站的諧波治理工程提供高效的補償裝置。

圖2高低變壓結(jié)構(gòu)主電路圖