一种兼顾无功补偿功能的有源滤波装置及其工程应用

2015-03-02董振斌董直逵李付鹏邱日伦

电力需求侧管理 2015年1期

董振斌，董直逵，李付鹏，邱日伦

（1.国家电网公司电力需求侧管理指导中心，南京 210024；2.浙江桂容谐平科技有限责任公司，杭州 310030）

1 背景

1.1 谐波和无功功率的危害

随着经济的高速发展，电力电子技术也得到了广泛的应用，变频调速装置、中频炉、大功率直流电解装置、钢铁行业的轧机传动设备、交直流电弧炉设备、电气化铁道机车的牵引设备等大量的大功率电力电子装置得到了广泛的应用。这些电力电子设备的应用起到了很大的节能作用，很大程度上促进了经济的进一步发展，但同时也对电力系统带来很大的电网谐波及无功功率问题，导致供电电源电能质量大幅下降，变压器、开关等输配电设备寿命缩短，同时其他用电设备受此影响也不能正常工作，同时产生保护误动作、通信干扰、设备过载、过热、电网功率损耗增大等不良影响，使电力系统整体运行状况不断恶化，因而对电网谐波治理及电网无功功率补偿的需求也在不断增加。

此外，由于电网容量的增加，对电网无功需求也与日增加。无功电源如同有功电源一样，是保证电力系统电能质量、降低网络损耗以及安全运行所不可缺少的部分。在电力系统中，无功要保持平衡，否则，将会使系统电压下降，严重时，会导致设备损坏，系统解列。此外，网络的功率因数和电压降低，使电气设备得不到充分利用，导致网络传输能力下降，损耗增加[1—3]。

1.2 目前主要的解决方案及其存在的问题

目前存在的谐波治理产品主要有：有源滤波器、无源滤波器。其中无源滤波装置主要由电抗器和电容器组成，通过选择适当的电抗值和电容值，使其阻抗在某一次谐波频率下几乎为0，形成低阻抗通道，从而使负载中的该次谐波电流基本上流入此L—C电路，达到滤除该次谐波电流的目的。通常电力电子设备会产生很多次谐波电流，因此无源滤波器通常需设有多个L—C滤波通道，各个通道被调谐至不同的谐波频率上，达到滤除非线性负载所产生的主要谐波电流，其典型接线如图1所示[4—5]。

图1 无源滤波装置典型接线

无源滤波器的优点是在滤波的同时也提供无功补偿。如果设计合理，在电网参数和负载变化不大的前提下，无源滤波器运行稳定可靠。但是，无源滤波器有如下公认的缺点：①设备笨重，占地面积大；②滤波性能受电力系统阻抗的影响；③滤波装置受附近其他谐波源的影响；④无功补偿容量固定且庞大。

为了解决无源滤波器的上述缺点，诞生了有源滤波技术。自20世纪80年代开始，国内外的研究机构和大学对该技术进行了大量的研究[6]。有源滤波器主要是纯有源滤波器，纯有源滤波器由一电压源式逆变器和输出端高频滤波器构成，通过控制逆变器中的高压电力半导体开关（IGBT）的开/断操作，向电网注入与负载反向的谐波电流，以抵消非线性负载的谐波电流，达到滤波的目的。逆变器输出端高频滤波器的作用是滤除因IGBT快速开/断而产生的高频即开关频率谐波电流，因此该高频滤波器通常由一简单的电抗器构成或由一个LCL电路构成。纯有源滤波器接入系统如图2所示，其三相图如图3所示。其滤波效果如图4、图5、图6所示。其中图4为非线性负载电流，图5为有源滤波器电流，图6为滤波后的系统供电电流。从图4、图5、图6可知该有源滤波器起到较好的滤波效果。

图2 纯有源滤波器接入系统示意图

图3 纯有源滤波器主电路图

图4 非线性负载电流

图5 有源滤波器电流

图6 滤波后的系统供电电流

和无源滤波器相比，这类纯有源滤波器有如下优点：重量轻，体积小，滤波性能不受系统阻抗影响，不会产生谐振，谐波电流负载不受附近谐波源的影响，不会产生无功功率过补偿等问题。但是IGBT的电能损耗较高，对其它用电设备也可能会产生电磁干扰，也不能补偿无功功率（如果通过降低滤除谐波电流能力来补偿无功功率则非常不经济），而且电网的基波电压全部施加在逆变器上，从而必须采用高电压等级的IGBT，因此可靠性不高且成本高。

因此，改进当前存在的纯有源滤波器，以解决它所存在问题显得很有必要。为了克服上述存在的技术缺陷，一种结构简单、系统组成部件少、成本适中、体积小、可靠性高的有源电力滤波器技术应运而生[7]。

2 新型有源滤波装置基本工作原理

2.1 电路拓扑及其工作原理

该有源电力滤波器由一个低压纯有源滤波器和一组电力电容器串接而成，如图7所示。

图7 新型有源电力滤波器主电路图

该有源电力滤波器接入电网后，电网中的基波电压均施加在电力电容器上。因电容器在高频率下呈低阻抗，低压纯有源滤波器中的低压逆变器只需产生比电网基波电压低很多的谐波电压就可产生所需的谐波电流通过电力电容器流入电网来抵消非线性负载的谐波电流，达到滤除谐波的目的，因而低压逆变器中的直流电压较电网基波电压要低很多。

由于该有源滤波器串接了固定电力电容器组，因此还可以补偿系统的无功功率。

2.2 仿真案例

计算机仿真实例如下：

新型滤波器参数：电力电容器38 μF、高频滤波电抗器7.2 mH、逆变器直流电容器2 mF、逆变器直流电压设定值1 000 V。

系统参数：电网电压6 kV，电网频率50 Hz，电网短路容量72 MVA。

负载参数：三相二极管整流电路，输入交流侧电抗为4 mH；直流侧负载：200 mH的电抗和80 Ω的电阻串联。

初步计算机仿真实例显示该有源电力滤波器能起到较好的滤波效果，具体效果如图8—图11所示。其中,负载电流波形如图8，总谐波失真（THD）为25%；滤波器电流波形如图9，基波电流为31 A；系统电流波形如图10，THD＝4.6%；逆变器直流电压波形如图11。

图8 负载电流波形

图9 滤波器电流波形

图10 系统电流波形

图11 逆变器直流电压波形

2.3 新型有源滤波装置优缺点

对于400 V的交流系统，该有源滤波器由于串联了电力电容器，电网中的基波电压均施加在电力电容器上，低压逆变器只需产生很低的谐波电压就可以满足输出的谐波电流要求，其低压逆变器中的直流电压只有120～150 V，而普通的纯有源滤波器将达到650～700 V，因此IGBT的额定电压可选更低，这样IGBT的开关损耗也更低（开关损耗和直流电压成正比），对周围设备的电磁幅射干扰小（电磁幅射和du/dt成正比）。同理，如果低压逆变器使用同样的直流侧电压，则这种新型有源滤波器交流侧系统电压将可以达到更高，甚至可以使用在中压系统中。

当然，由于串联的是固定电容器组，因此其补偿的无功功率是不可调的。

3 工程应用

3.1 工程介绍

某企业蓝宝石长晶炉配电系统由交流400 V电源通过变压器变换成交流50 V电源供电，配电系统中采用可控硅斩波器控制电流有效值以控制电炉功率，进而控制长晶炉中的温度达到熔炼蓝宝石的目的。

3.1.1 配电一次系统图

电路如图12所示，35 kV主变压器下有若干台10 kV变压器，每台10 kV变压器均带有许多负载，负载主要是长晶炉设备，长晶炉设备单台容量不大（45 kW），但设备数量庞大（每台变压器下均有32台设备）。

图12 某企业蓝宝石长晶炉配电系统电路图

长晶炉供电电路图如下图13所示，主要由可控硅斩波器、降压变压器2部分组成。可控硅斩波器的主要作用是控制电流有效值从而达到控制电炉功率的目的。降压变压器的主要功能是将电压降到适合炉子的低电压。

图13 长晶炉电路原理图

3.1.2 长晶炉供电电路存在问题

图14是输入电压（相电压）和输入电流的波形。图中可以看到，通过控制触发角α的大小，就可以达到控制电流有效值的目的。当触发角α不等于0时，电流是一个非正弦波，因此存在谐波，并且电流滞后于电压。触发角α越大，电流越滞后于电压，功率因数越低[8—9]。

图14 长晶炉波形原理图

从图14知道：通过改变触发角α的大小，就可以控制电流有效值。触发角α越大电流有效值越小，功率因数也越低。而输入有功功率的大小和电流有效值的平方成正比，即P=R·I2(α)。

因此通过调节触发角α的大小，从而可以调节有功功率。

从以上原理可以看出该长晶炉配电电路结构简单且控制策略简单，但是该电路也存在问题：①功率因数低,下表1为实测单台长晶炉功率因数。从表1可以看出，长晶炉装置功率因数只有0.59左右；②谐波含量高，图15为实测单台长晶炉电压电流波形图。

表1 功率（单台炉子）统计报表

图15 单台长晶炉电压电流波形图

从图15可以看出，长晶炉装置谐波含量相当大。

3.1.3 整个系统存在问题

当大量的长晶炉设备在系统中运行时，必然会在系统产生大量的问题：①功率因数低，下表2为实测整个配电系统功率因数。从表2可以看出，长晶炉装置功率因数只有0.59左右；②谐波含量高，图16为实测整个配电系统电压电流波形图。从图16可以看出，整个配电系统谐波含量相当大；③因谐波和无功功率造成的损耗增加，设备老化加速，容易造成设备使用寿命缩短，影响设备运行；④在同样的有功功率下，视在功率高，导致上级变压器安装容量大，造成容量电费增加，设备费用增加。

表2 功率（整个配电系统）统计报表

图16 配电系统电压电流波形图

图17 长晶炉电能质量治理方案图

3.2 解决方案描述

鉴于该长晶炉配电系统产生的电能质量问题，考虑到无功补偿和谐波治理同时需要而且需求均很大，因此采用兼顾无功补偿功能的有源滤波器及低压可投切无功补偿装置结合使用较为经济合理。

本方案为该长晶炉配电系统安装若干台兼顾无功补偿功能的有源滤波器，在滤波同时补偿无功功率，同时在总进线处安装一套低压可投切式无功补偿装置，以解决系统存在的谐波及无功问题。

该方案一次系统图如下图17所示。配电系统中，每4台长晶炉配电设备就近提供1台有源滤波器进行治理，在配电系统总进线处再提供若干台有源滤波器及低压可投切式无功补偿装置进行集中治理。有源滤波器可以提供滤除谐波电流及补偿无功的功能，可以就近治理长晶炉配电设备产生的电能质量问题，使其不会流入配电线路中，降低配电线路中的无功及谐波损耗，降低输电线路电流值，减小输电线路成本，其余部分无功功率及谐波电流通过总进线处安装的低压可投切式无功补偿装置及有源滤波器进行治理。

3.3 治理效果

3.3.1 测试数据

本次测试是在其中一台变压器（型号SCB10-2500/10，Dyn11）总出线处的各次谐波电流及功率。考虑到未进行治理时负载全部投入运行系统负载容量将会超过变压器可承受容量值，同时又为了能够把治理前后系统的情况进行对比，因此本次以系统一半负载投入时，有源滤波器装置也投入一半容量投入时的情况进行测试，测试数据如表3—表6所示。

治理前测试数据如表3、4所示。

表3 谐波电流（治理前）统计报表

表4 功率（治理前）统计报表

治理后测试数据如下表5、表6所示。

3.3.2 治理前后数据对比

由于各台长晶炉设备参数特性均相同，运行情况也相同，测试时令系统负载为一半数量总负荷状态下运行且有源滤波装置也为一半数量总容量运行状态下，因此可以以测试数据推算满载时的情况以进行分析。下列数据均是参照测试数据折算成满负荷（按用户现有32台长晶炉等设备）状态下治理前后的谐波电流数据。

表7是谐波电流（按用户现有32台长晶炉）治理前后数据。

表8是功率（按用户现有32台长晶炉）治理前后数据。

表5 谐波电流（治理后）统计报表

表6 功率（治理后）统计报表

4 结论

本文对兼顾无功补偿功能的有源滤波装置进行研究及效果验证，通过在某企业配电系统项目的实例运行及取得的效果及经济效益来看，兼顾无功补偿功能的有源滤波装置具备无功补偿和谐波治理的综合效果，具有安全可靠、经济效益高、实用性强、技术先进及节能环保的特点，可以有效地治理相关兼顾无功补偿及谐波治理问题的场所，具有在配电系统内大力推广应用的需要。