试析输变电FACTS技术在无功补偿及谐波治理中的应用

摘 要：近年来，上海输变电系统结构越来越显现出高密度受端电网性质，并且已有多路直流输电接入上海电网，柔性输变电系统（FACTS）也得到越来越广泛的应用，作为其重要组成部分的动态无功补偿及有源滤波已被列为“九五”国家重点产品、国家电网公司21世纪前沿技术，其在输变电系统的应用，能消除系统中的背景谐波电压、谐波电流污染，彻底改善功率因素。

关键词：动态无功；谐波治理；无源滤波；有源滤波；PWM脉冲逆变器

随着现代社会正从以制造为主的生产模式向信息社会的发展，负荷的种类也呈现多样化，且越来越具有非线性特征，同时超高压直流输电进入上海，城市架空电线大范围入地改为电缆，使得输变电系统对地电容不断增加，导致产生了大量无功电流和存在谐波电流放大的危险，输变电系统电能质量有劣化趋势。但供用电设备对电能质量的敏感程度却越来越高，能源生产、输送以及客户对电能质量的要求正日益提高，因此打造精品坚强电网，仅以基波电压稳定已远远不能满足电能质量的要求。

柔性交流输变电系统（FACTS）通过为电网提供相位与频率可控的功率而给输变电系统带来了一次革命。传统无功补偿方法只在负荷恒定时才能取得效果，但是对于整个输变电系统，负荷是随时变化的，无功电流也是变化的，固定投切的电容器和电抗器无法解决这一问题，所以电容器和电抗器在输变电系统是分组投切的。上述方法普遍存在欠补偿和过补偿问题及切除过程的震荡问题，还可能在系统中产生谐振现象。

对于谐波污染问题，曾发生多起输变电系统背景谐波电压严重超标以及城市居民家用电器因谐波无法正常使用和损坏的事件，上海输变电系统存在着密集的直流落地点，存在着城市大面积的电缆线路，同时存在多条高速铁路和轨道交通形成的非线性负荷，还有基于电力电子技术的变频空调集中使用，以及即将展开的大功率混合动力汽车的集中充电，使得整个谐波污染形势趋于严重。传统的谐波治理方法只是由电感和电容组成针对某一频率的谐波的无源滤波器来消除谐波，但是若负荷电流包含丰富的谐波成分，则针对不同频率的谐波需设置相应的谐振参数，这将增加系统的复杂性，降低可靠性。

上海世博会输变电工程监理工作采用了并联有源电力滤波器及动态无功补偿装置（STATCOM+APF），该装置具有结构简单、响应速度快、补偿精度高，并能抑制可能的并联谐振等优点。这是柔性交流输变电系统技术（FACTS）在输变电工程中的实际应用。世博会输变电工程采用并联直流侧电容器电压型STATCOM+APF。其基本工作原理是：实时采集输变电系统的谐波电流和无功功率缺额，并生成相应的控制信号，驱动电力电子逆变设备，使其产生大小相同、方向相反的无功功率和谐波电流，最终中和输变电系统的背景无功电流和谐波电流，同时达到无功补偿和谐波治理的效果。

逆变器元件可采用GTO或者IGBT电力电子元器件构成。其中GTO具有较大的容量，但是GTO相对于IGBT开关频率较慢；IGBT开关频率更快，所以逆变器自身消耗的能量较少，但是IGBT相对于GTO容量较小。故如果主要用于补偿无功功率，建议采用GTO，以实现STATCOM（静止同步补偿器）功能，提高装置补偿无功功率的容量；若主要用于补偿谐波电流，建议采用IGBT，主要实现APF（有源电力滤波器）功能，提高装置的补偿精度和响应速度。

可见，上述电力电子设备能同时实现STATCOM+APF功能，实现无功补偿和有源滤波，并且能抑制传统无源滤波器或无功补偿电容与系统参数可能发生的并联谐振。那么STATCOM+APF是如何识别与控制补偿电流的呢？

如图1是STATCOM+APF的主电路结构，采用电力电子器件GTO或者IGBT构成的高频逆变器与LC滤波网络组成，合理地设置LC滤波网络的参数并控制电容上的电压值，可以降低逆变器直流侧的电压值，从而降低电力电子器件GTO或IGBT的耐压等级，降低装置成本和实现难度。

电路结构中逆变器承担补偿无功功率、消除谐波电流的任务，同时避免无源LC网络与输变电系统阻抗产生谐振。软件锁相环的应用软件锁相环即针对目标信号，将输入信号源经A/D采样转换为数字信号，并使用计算机对其进行边沿捕捉并进行频率校正，再经过一系列校正初相位的算法就可以得到与输入信号的基波分量同频率同初相的相位信号，同时若通过与内置正弦波表格数据拟合则可输出与目标信号基波同频率的基准正弦波。电力系统中可用于输变电系统中有功功率的跟踪及电压或电流分量同步信号中基波分量的获得。可采用单周期双校正工频软件锁相环，以能快速跟踪电网电压变化，且不受谐波干扰。PI控制器输出电流控制策略，这是控制STATCOM+APT输出最核心的部分。当进行电流控制时，由于由逆变器提供的电流是非正弦的，且含有基波成分和谐波成分。此外，逆变器的开关频率很高，需要很快的控制方法。所以STATCOM+APF的電流控制需重点控制动态响应速度、补偿速度两方面，同时还应检测装置本身的直流端电压或电流利用率及功率器件开关GTO、IGBT开关频率等。可利用无差拍控制平均电流跟踪策略，以提高输出电流跟踪指令电流的速度和精度。将检测得到的无功功率电流，需要补偿的谐波电流以及直流侧电压控制环得到的控制信号相加之后作为逆变器输出参考电流，再通过PI控制器，根据无差拍控制原理，从而产生定频PWM脉冲驱动逆变器的功率管GTO或者IGBT的导通和关断控制，产生与需补偿电流大小相等方向相反的补偿电流，可以得到稳定快速的控制效果，不但补偿了负载无功功率，也补偿了谐波电流，其具有响应速度快、补偿精度高、损耗低、抑制谐振与抑制谐波放大等特点。

总的来说，STATCOM+APF中大量电力电子器件的使用不仅提供了高速、可靠和先进的开关技术，更为重要的是，作为FACTS技术在输变电系统应用的一方面，它使困扰电力系统多年的电流畸变问题得到彻底的解决，并且避免了电容器与输变电系统阻抗的谐振，使得电能的生产、传输和使用的质量得到了有力提高，使输变电系统更加稳定、高效。

综上所述，随着非线性负荷的日益增多，随着输变电系统无功功率的增加和电流、电压的畸变，柔性交流输变电系统技术（FACTS）作为电力系统输变电的电力电子技术有力手段也得到越来越多的应用，它将使我们对电流补偿治理的手段有革命性的改变，能快速根除无功及谐波电流的污染，还电能以50Hz频率正弦波的本色，优化电能质量，提高供电效率，降低线损，为打造精品坚强电网提供了可靠的技术支撑。

作者简介：胡海宁（1968-），上海人，上海市电力工程建设监理有限公司，本科学历，工程师，输变电工程监理。