一种35kV大容量无功补偿与谐波抑制综合系统

孙 娟，罗 安，帅智康，张久林

(1.湖南大学电气与信息工程学院，湖南 长沙410082;2.重庆市电力公司检修分公司，重庆400020)

1 引言

本文研究的课题是基于广西某35kV变电站的电能质量问题［1-2］，在现有的有源滤波器与无源滤波器构成的混合有源滤波中，注入式有源滤波器［3-4］理论上可实现高压大容量谐波抑制与无功补偿，已成为国内外研究的重点。然而，在实际工程应用中，电网频率发生波动，注入式有源滤波器基波谐振注入支路的谐振点发生偏移而振荡，极易造成对有源部分的冲击，导致直流侧电压抬升，严重影响系统的稳定性和可靠性［5］。因此，本文提出一种适用于35kV变电站的大容量谐波抑制与无功补偿综合系统，分别从系统的拓扑结构、补偿原理和保护措施进行阐述，现场运行结果验证了补偿系统的有效性。

2 拓扑结构和补偿原理

35kV大容量谐波抑制与无功补偿综合系统的拓扑结构如图1所示，包括有源电力滤波器、输出电感、并联电感、隔离变压器、单调谐无源滤波支路和多组无源电力滤波器，有源电力滤波器的输出经过输出滤波电感后与电感并联接在隔离变压器的原边，隔离变压器的副边与单调谐无源滤波支路串联，然后与无源滤波器组并入电网。隔离变压器的原副边的匝数比为1∶2，变压器原边的有源电力滤波器和电感并联连接，其基波等效阻抗远远低于变压器副边的单调谐无源滤波支路阻抗，因此分压很小，有源电力滤波器承受的系统基波电压很低，有利于减小其容量，降低成本。此外，在系统上电瞬间或电网电压发生突变时，由于电容器电压不能突变，单调谐无源滤波支路电感和变压器二次侧的并联电感进行阻抗分压，对有源部分冲击很小，不会造成直流侧电压抬升，提高了系统的抗干扰能力。无源滤波器组与有源部分并联接入电网，滤除特征次谐波和高次谐波。单调谐无源滤波器作为有源电力滤波器的注入支路，为逆变器发出的特征次谐波电流提供低阻抗通道，可以实现很好的滤波效果。

并联混合型有源滤波器中无源滤波器组相对于有源部分，其基波阻抗很小，有较大的基波无功电流流入，因而能够补偿较大容量的无功功率。同时，有源部分并联电感的存在，基波电压大部分由单调谐无源滤波支路承担，不会对有源部分造成影响。因此，并联混合型有源滤波器进行无功补偿不会导致其有源部分容量的增大，也就是说，并联混合型有源滤波器运行特点是:只由无源部分补偿无功功率，有源部分和无源部分共同抑制谐波，降低了系统的工程造价。

图1 35kV大容量谐波抑制与无功补偿综合系统的拓扑结构Fig.1 Topological structure of 35kV large capacity reactive power compensation and harmonic suppression integrated system

3 有源滤波器检测和控制方法

为实现有源滤波器的谐波抑制功能，通过检测电网谐波电流，控制逆变器输出电压，使它对电网电流的贡献与电网中的谐波电流大小相等、方向相反，本文采用有源滤波器电压电流综合控制方法，如图2所示。

图2 有源滤波器的检测和控制方法Fig.2 Detection and control method of active power filter

电压电流综合控制方法由直流电压控制外环和电流控制内环组成。直流侧电压控制外环包括以下步骤:① 检测直流侧电压信号ucf;②计算直流侧电压参考信号ucr与采样有源电力滤波器直流侧电压信号ucf的差值Δudc;③Δudc经 PI调节器后得到调节信号，叠加到瞬时有功电流的直流分量上，使得有源电力滤波器的补偿电流中包含一定的基波有功电流分量，从而使有源电力滤波器的直流侧与交流侧交换能量，将调节至给定值。

采用PWM整流方式给直流侧电容供电，实时检测逆变器直流侧电容电压，与参考值比较并进行负反馈，以维持直流侧电压的稳定。当电网谐波电压较高或电网电压发生跌落而引起直流侧电压下降时，PI控制器输出正信号，逆变器补偿电流中基波有功电流分量增大，交流侧的瞬时有功功率传递到直流侧，直流侧电压升高;同理，若直流侧电压低于参考值，PI控制器输出负信号，逆变器补偿电流中基波有功电流分量减小，瞬时有功功率从直流侧向交流侧传递，直流侧电压下降，这种闭环控制方法克服了不可控整流方式给直流侧电容供电时存在的直流侧电压飙升的不足。

电流控制内环包括以下步骤:

采用基于瞬时无功功率的ip_iq算法，正弦电压ea通过锁相环和正、余弦发生电流得到与电源电压ea同相位的正弦信号和对应的余弦信号，这两个信号和 ia、ib、ic共同计算出基波有功电流 ip和基波无功电流iq，LPF滤波可得到其直流分量，综合直流侧电压调节信号的直流分量再经反变换即可计算出iaf、ibf、icf，用系统原来的电流和计算出的基波电流作差，就会得到所有的谐波电流。

基于瞬时无功功率的ip_iq算法检测出的谐波电流，采用无差拍控制算法，控制逆变器IPM模块，产生补偿电流。

4 系统保护措施

对于工作在高压系统的滤波器而言，提供完善的保护功能对装置的安全和可靠运行具有非常重要的意义。系统无源滤波器的保护包括电容器不平衡保护和电抗器匝间短路保护。电容器不平衡保护用于检测高端电容器的故障，高压端电容器承受了系统所有的直流压降和大部分谐波压降，为降低电容器的电压等级，采用两个等值电容器串接的形式。电容器的两端并联连接干式放电线圈，将干式放电线圈二次侧两个绕组的首端短接，测量两绕组末端的电压。正常运行时，两绕组末端的电压为一个很小的恒定值。当电容器发生故障时，两绕组末端的电压变大，由此作为不平衡保护动作的判据。电抗器匝间短路保护用于检测电抗器匝间短路故障，正常情况下，加载在电容器和电抗器上的电压比值是一个相对恒定的量，当电抗器发生匝间短路时，电压比由于电抗器的变小而变大，由此可以判断电抗器的匝间短路故障。电容器电压可由兼做电压互感器的电容放电线圈获取，电抗器电压可通过母线电压与电容器电压之差获得。为防止母线电压互感器断线或母线无压时导致电压比偏离稳定值，因此增加了母线有压判据。

除此之外，为了抑制无源滤波器组上电瞬间电容器上的过电压，在电容器与电感的连接处接有避雷器。并联在电容器两端的干式放电线圈使无源滤波器组从电力系统切除后电容器上的剩余电荷迅速释放，有效防止无源滤波器组再次合闸时的合闸过电压和过电流，确保检修人员的安全。

有源滤波器的保护包括硬件保护和软件保护。硬件保护检测有源滤波器并联电感上的电压、直流侧电压和逆变器输出电流以及逆变器IPM模块的温度，当电压、电流和温度大于保护设定值时，硬件继电器发出动作信号，有源滤波器真空开关跳闸。软件保护体现在DSP控制程序中，图3所示为控制器的主程序，主程序开始进行系统初始化并检测过零信号，开启全局中断，查询AD转换标志位，AD采样完成后，通过数学计算还原电压电流采样值，此后进行过压、过流判断，当采样信号超过设定值，程序将产生PWM封锁脉冲，DSP控制器停止发波，实现软硬件双重保护。

图3 主程序流程图Fig.3 Main program flowchart

5 工程应用结果

目前，采用该设计的大容量无功补偿与谐波抑制综合系统已经在变电站成功投运。根据现场的实际工况，5、7、11次谐波含量很大，经过系统谐振情况以及补偿效果仿真后，无源部分采用5、11次单调谐无源滤波器，有源部分注入支路设计成为7次单调谐无源滤波器。图4和图5分别是投入综合补偿系统前后的电网35kV母线上的电流波形，通过两图比较可以看出，装置投运前电网侧电流波形畸变严重，畸变率达18.8%，装置投运后，电流波形接近正弦波，电流畸变率下降到2.1%。补偿前后电网功率因数由0.82上升到0.95，工程实践充分说明了本文所设计的综合系统能够有效地抑制电网谐波，并且能进行一定量的无功补偿，改善变电站的电能质量，具有很好的实用价值。

6 结论

图4 综合补偿系统投运前电网电流波形图Fig.4 Waveform diagram of grid current before comprehensive compensation system put into operation

图5 综合补偿系统投运后电网电流波形图Fig.5 Waveform diagram of grid current aftercomprehensive compensation system put into operation

(1)本文提出一种适用于35kV变电站大容量谐波抑制与无功补偿综合系统，分析了该综合系统的结构特点和补偿原理。

(2)阐述有源滤波器的综合控制方法，采用电压外环、电流内环的双环控制策略，实现有源滤波器的谐波抑制，改善系统的补偿效果。

(3)对综合系统的无源滤波器组和有源部分分别进行保护，保证系统的安全性。

(4)现场投运波形验证了本文提出综合系统和控制策略的有效性。

［1］罗安 (Luo An).电网谐波治理和无功补偿技术及装备(Power grid harmonic management and reactive power compensation technology and its equipment)［M］.北京:中国电力出版社 (Beijing:China Elec.Power Press)，2006.

［2］王兆安，杨君，刘进军 (Wang Zhaoan，Yang Jun，Liu Jinjun).谐波抑制与无功补偿 (Harmonic suppression and reactive power compensation)［M］.北京:机械工业出版社 (Beijing:China Machine Press)，1998.

［3］Luo An，Shuai Zhikang，Zhu Wenji，et al.Combined system for harmonic suppression and reactive power compensation ［J］.IEEE Trans.on Industrial Electronics，2009，56(2):418-428.

［4］范瑞祥，罗安，周柯，等 (Fan Ruixiang，Luo An，Zhou Ke，et al.).并联混合型有源电力滤波器的建模和控制策略分析 (Modeling and control strategy analysis of shunt hybrid active power filters)［J］.中国电机工程学报 (Proc.of the CSEE)，2006，26(12):55-61.

［5］刘定国，罗安，帅智康 (Liu Dingguo，Luo An，Shuai Zhikang).注入式混合型有源电力滤波器直流侧电压控制新问题及其解决方案 (New issues and solving schemes for controlling the DC-side voltage of new injection type hybrid active power filter)［J］.中国电机工程学报 (Proc.of the CSEE)，2008，28(30):27-34.