电能质量综合治理装置研究及应用

孙栋梁

摘 要：文章针对电能质量治理装置进行研究，该装置主要由电能质量综合控制仪、静止无功发生器（SVG）和智能电容器组成，通过系统侧电流互感器采样，接入到综合控制仪和SVG中，对电力参数进行分析计算后，控制SVG和智能电容器进行针对性补偿，既发挥SVG连续性动态补偿功能，又发挥智能电容器的阶梯性补偿功能，使SVG达到治理谐波、补偿感性无功功率和补偿少部分容性无功功率，智能电容器补偿大部分容性无功功率的功能。

关键词：电能质量;SVG;智能电容器;电能质量综合控制仪;电能质量综合治理装置

中图分类号：TM714 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）04-007-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.04.004

随着当今社会电气化水平的加速提升，从供电侧到用电侧都开始对现有的电力设备提出更高的需求。特别是在用电端，随着国内的技术革新向着高精尖的目标迈进，更加复杂多样、用电要求高的用电设备层出不穷[1]，因此用电负载的用电要求也不仅仅局限于无功补偿和谐波治理，还包含了其他电能质量，主要有谐波、频率变化、电压闪变、涌流、三相不平衡等。因此，作为低压配电系统中的电能质量治理方向上，也要求更加系统化。

在目前低压的电能质量治理领域，最先进的治理装置为静止无功发生器和有源电力滤波器。近年来，能同时进行无功补偿和谐波抑制的静止无功发生器（简称SVG）在低压配电网中得到了广泛的应用[2]。通常情况下，由于SVG补偿设备造价较高，低压配电网中的无功功率补偿将由电容器取代，因此，由SVG和电容器组构成的混合补偿系统得到越来越多的关注。在并联型有源电力滤波器和晶闸管投切电容器组成的动态无功与谐波混合补偿装置的设计中，杨家强等人提出双电流控制策略，解决了电流源型非线性负载的谐波补偿问题[3];宿紫鹏等人提出基于开关表决策的投切控制方法，解决传统固定延时投切方法中暂态响应差、TSC混乱投切等问题[4];李晓明等人通过统一的检测和控制算法，大幅度降低了有源滤波器的容量和设备的功率消耗[5]。

在上述文献的基础上，文章设计了一种由电能质量综合控制仪、并联型静止无功发生器和继电器投切的多组智能电容器组成的动态无功与谐波混合补偿装置。其中，智能电容器分级补偿电网中的大部分无功功率，SVG动态补偿智能电容器投切后电网所需的小容量无功功率并治理电网各低次谐波。文章建立了由电能质量综合控制仪集中控制的电流超前干预模型，可快速准确地进行无功及谐波检测，准确地进行无功及谐波变化趋势预判，同时控制电容器组的精确投切，实现无功补偿和谐波治理的联动时序统一协调。

1 电能质量综合治理装置设计

1.1 结构设计

电能质量综合治理装置的布局图如图1所示，整个装置分上下两层，下层安装静止无功发生器，上层安装智能电容器组，前面板安装电能质量综合控制仪，其余配件主要包括散热风扇、电流表、浪涌保护器、总开关等，按照实际补偿容量来进行选配。

1.2 电气接线设计

电能质量综合控制仪通过RS485通讯线连接SVG和智能电容器组，综合治理装置采样通过连接系统侧的一组互感器串联接入综合控制仪和SVG中，智能电容器组之间通过RS485通讯线串接在一起。多台SVG并联时，综合控制仪通讯线通过一带多的方式进行通讯。

1.3 程序算法设计

电能质量综合治理装置中，对电力系统运行过程中的电流、电压等变化通过实时监测，对当前时刻的电流、电压波形进行采集，在此基础上对电流分量采用离散傅里叶变换法进行计算，即得到谐波电流分量、基波电流等，再结合电压，对有功功率、无功功率、畸变率、各次谐波电压、功率因数等电力参数进行计算，补偿设备与主控模块之间实时进行通讯。在上述计算所得电力参数的基础上，主控模块运行，且对谐波滤除模式优先运行，再对无功补偿模式运行，两种模式处于同时运行的状态。具体运行中，如果检测到的谐波畸变率上限值大于电路预设值，需要先在谐波滤除模式下对谐波进行滤除，同時对是否需进行无功补偿进行检测。需要补偿的按上述方法补偿，且无功补偿模式与谐波滤除模式形成混合补偿。

1.3.1 谐波滤除模式

在对电力系统进行检测时，如系统中存在谐波，并且谐波畸变率上限值超过预设值，则启动SVG滤波模式，在详细分析反馈数据的基础上，对电路中各次谐波大小进行计算，SVG产生反向谐波，实现谐波消除的作用。

1.3.2 无功补偿模式

在进行无功补偿中，对智能电容器组（C）与静止无功发生器（SVG）等补偿设备投入的顺序进行确定，通常C的优先级大于SVG。在电路检测中，如谐波畸变率上限值低于预设值，进行静态无功补偿，静态补偿中优先采用C进行无功补偿，C无法补偿时再采用SVG补偿。待平衡后，系统内无功补偿量处于变化状态时，对补偿变化的无功能SVG优先快速响应，在SVG补偿的容量降低或增大的补偿量，与单台C完全可补偿的补偿量相同时，则切换SVG已补偿的无功量到C进行补偿，SVG则在补偿完成后切除SVG或对补偿不足的无功量进行补偿。如果在C补偿后，系统三相仍存在不等量，或低于单台C的补偿量，则对三相不平衡状态启用SVG进行调节。

1.4 系统投切控制方法

混合系统中的SVG和智能电容器采用联动工作模式，智能电容器的投切和SVG补偿由综合控制仪进行控制，工作的时序性由综合控制仪统一协调，实现时序严格，逻辑统一。

基于电流超前干预模型，综合控制仪通过对系统中的电流数据进行实时分析，预判谐波电流放大、谐波电压增大、谐振等问题的发生趋势，并快速响应做出相应的补偿联动策略，灵活控制智能电容器的投切数量和投切次序，有针对性并准确地降低被放大的谐波，以至消除问题，从很大程度上迅速规避。

该混补系统在运行过程中，控制逻辑明确，不会出现长时间过补、欠补情况，补偿的连续性、一致性都较为平稳，综合控制仪能以快速响应做出对应的补偿联动策略，灵活控制电容器的投切数量和投切次序。

2 数值仿真模拟

2.1 模拟环境

基于MATLAB软件，给定无功变化量函数Q（t）以及边界条件，分别模拟SVG+C独立装置和文章设计的电能质量综合治理装置在治理无功和谐波时的系统响应。

2.2 模拟结果

通过对比验证模拟结果可以看出，在相同治理环境下，文章设计的综合治理装置如图3所示，较SVG+C独立运行装置如图2所示，在综合补偿策略中，SVG的负荷量基本维持在一个较低水平，其动态响应的突变量也比较均匀平稳，电容器组的投切负荷量更接近于实际负荷需求量，电容器组的无功补偿利用率高，并且投切响应速度快，系统功率因数治理效果平稳良好，对于系统谐振等问题具有超前预判趋势和抑制措施，系统运行更稳定。

3 现场服役结果与分析

3.1 现场环境

文章设计的混合补偿系统，选址某大型电气制造公司的生产车间配电室进行现场服役。配电房电压器容量为1250kVA，生产车间主要负载包括电机、风机、照明、点焊机和机床等。采用电能质量分析仪现场测量发现：

在生产设备运行过程中，负载电流变化幅度大且变化频率快;在设备空闲时间，负载电流较小且稳定。

点焊机开启后，负载总电流幅值持续不断增大，最高可达600A以上，谐波电流短时间内增加，伴随多次谐波且各次谐波电流大，尤其是3、5、7次谐波的瞬时电流可达30A～50A。

3.2 混补系统选型

针对上述测量情况，该配电房的混补系统配置方案由40kvar抑谐式共补智能电容器6组+100kvar SVG（带滤除低次谐波功能）组成。配电房补偿系统结构图如图4所示。

3.3 现场运行结果

采用电能质量分析仪Fluck对配电房进线端的谐波电流、无功功率、功率因数进行测量，对比混补系统开启运行治理前后的参数变化。

通过表1、表2中的数据分析可见，在未开启补偿之前，系统总电流A/B/C三相分别为489A、416A、418A，系统A/B/C三相功率因数在0.9左右，且谐波电流畸变率在18%以上，3次谐波电流为75A～80A，5次谐波电流为45A～50A，不符合用电要求。在经过综合治理后，A/B/C三相功率因数基本达到1.0，无功功率在5kvar左右，且电流谐波畸变率保持在7%以下，测试点的谐波数据都满足GB 14549-1993中的谐波标准。

现场观察发现，当负载端无功功率急剧上升或下降时，SVG的无功补偿量并不会随即大幅变化，取而代之的是此时智能电容器组会相应投入或切除若干台，以保證系统无功功率补偿的平衡。SVG不论是无功功率补偿还是谐波治理，其输出量变化较为平缓，整个混补系统处在一个稳定的变化当中。

4 结语

文章设计了一种由电能质量综合控制仪、并联型静止无功发生器和智能电容器组成的电能质量综合治理装置。数值模拟和现场服役结果表明，该设计的电能质量综合治理装置一方面可以实现无功补偿和谐波治理;另一方面可以在很大程度上规避系统谐振，且无功补偿系统在补偿运行过程中，智能电容器承担了大部分的无功功率补偿任务，静止无功发生器处于轻载状态，补偿效果具备良好的连续性和平稳性，由此改善了电能质量的治理效果，延长了电能质量治理设备的使用寿命。

参考文献

[1] 王兆安，杨君，刘进军，等.谐波抑制和无功功率补偿[M].2版.北京：机械工业出版社，2005.

[2] 梁有伟.静止无功发生器SVG在低压配电网中的应用[J].电工技术，2018（17）：130-132.

[3] 杨家强，陈诗澜，朱洁，等.APF与TSC混合补偿装置控制策略设计[J].电机与控制学报，2014，18（1）：11-18.

[4] 宿紫鹏，杨磊，杨家强，等.基于开关表决策的APF与TSC混合系统投切控制方法[J].浙江大学学报（工学版），2018，52（11）：2201-2209，2232.

[5] 李晓明，杨帆，刘世琦.一种新型综合动态无功补偿与有源滤波方法[J].电力电子技术，2009，43（10）：16-18.