配电变压器集成式混合补偿系统研究

杨敏建

（大庆石化公司热电厂，黑龙江大庆 163000）

0 引言

当前，电网中非线性负荷用电器所占的比例越来越高，导致电网所承担的无功功率增高，电网中的谐波问题也日益突出。为了缓解无功功率与谐波问题，需要对其进行补偿，补偿方式主要分为高压侧与低压侧补偿两种方式。高压侧补偿虽然属于集中式补偿，但要使用同步补偿器才能实现，加之高压侧的电压较高，必须通过级联结构才能接入母线，存在设备的整体成本非常高的弊端。低压侧补偿属于分散式补偿，主要设备为有源滤波器，这种设备的负载能力较差，只适用于补偿量不大的场合，并且设备安装较为分散，无法实现设备间的协调工作。高压侧补偿与低压侧补偿都只能适用于固定电压的情况，要想提高设备的经济效益，就需要选择一个合适的电压值。

由晶闸管可控电抗器和固定电容器组成的静止无功补偿器被广泛应用于电网中，其价格低廉，性能可靠，但静止无功补偿器本身也会产生谐波，解决办法是将固定电容器替换为容性无源滤波支路，来过滤掉设备本身产生的谐波。但这种设备的体积较大，并且只能过滤固定频率的谐波。有源电力滤波器具有非常好的过滤谐波性能，但只能承受较低的电压，混合有源滤波器结合了有源滤波器与无源滤波器的性能特点，一直以来受到广大业内人士的关注和研究。无源支路和晶闸管可控电抗器补偿无功功率和谐波的费效比较高，有源电力滤波器能够很好地过滤谐波。

配电变压器是将电网高压转化为用户低压的节点，对供电质量的调节具有关键作用，采用无源支路、晶闸管可控电抗器和有源电力滤波器组成混合补偿系统，采取变压器高压侧补偿的方式，通过抽头接入电网，实现了很好的无功功率和谐波补偿作用。虽然该系统占用了部分变压器容量，但只要选择合适的电压，就能发挥混合补偿系统的优势，更灵活地接入电网，具有较高的经济效益，有效解决了负载测电能质量对电网的扰动问题。并且兼具无源补偿的低低成本与有源补偿精度高、速度快的优势，具有接入电压选择灵活、设备成本低、补偿精度高、响应速度快的特点。

1 集成式混合补偿系统

电网中的变压器连接方式有很多，最常见的连接方式为Dyn，即高压侧采取三角形接法、低压侧采取星形接法，由中性点引出，高低压之间的相位差为30°。这种接法具有零序阻抗小、利于单相接地故障切除和抗雷击性能强的优点，尤其在工况运行不稳定电网中具有很好的适应性。基于Dyn 连接方式的诸多优点，所研究的集成式混合补偿系统，采取高压侧三角形接法，并通过连接抽头接入电路，有源电力滤波器、晶闸管可控电抗器和无源滤波支路均通过连接抽头与高压侧三角形绕组相连接。变压器电容补偿配电柜如图1 所示。

图1 变压器电容补偿配电柜

2 数学模型及补偿原理

所研究的集成式混合补偿系统能够有效补偿电网中的无功功率与谐波，接下来通过基波域和谐波域等效模型来分析混合补偿系统的实现。由晶闸管可控电抗器和无源滤波支路作为电网无功功率补偿的主要设备，有源电力滤波器作为提升整个系统补偿精度与速度的主要设备，当系统处于稳定运行时，有源电力滤波器的负载很小，其非线性负载可以作为谐波电流源，由于晶闸管可控电抗器并入电网工作时也会产生谐波，因此应把晶闸管可控电抗器与无源滤波支路当做受控电流源，有源电力滤波器也可以当做受控电流源，并在此基础上建立系统的谐波域等效模型，这时网侧电流仅为负载测的有供电流，这样一来系统就实现了对无功功率与谐波的补偿，一台有源电力滤波器的构造如图2 所示。

图2 APF 滤波器

3 控制系统设计

3.1 指令电流检测

混合补偿系统的控制分为电流检测与跟踪两个环节，要想实现精确的补偿就必须获得精确的电流检测结果，有源电力滤波器可以精确检测出负载侧无功电流大小，为混合补偿系统提供指令电流，提高混合补偿系统的精度与速度，同样谐波的补偿也需要精确检测谐波电流。

3.2 指令电流跟踪

晶闸管可控电抗器能够跟踪无功电流，并对无功功率进行补偿。负载无功电流在经过一系列的向量变换后，以其q 轴分量作为混合补偿系统的指令电流，并与晶闸管可控电抗器和无源滤波支路输出的无功电流相减，来获取晶闸管触发延迟角。晶闸管可控电抗器在系统中的应用如图3 所示。

图3 晶闸管可控电抗器在系统中的应用

有源电力滤波器的作用一是稳定电压，提升混合补偿系统的响应能力，二是预制电网中的谐波。研究采取二者独立的电流控制方式。基波控制端采取线性控制，通过实时跟踪指令电流，提升系统精度。谐波控制端采取矢量控制，对网路中的谐波进行抑制，并根据系统的设计需求，选取了效果更好的VP（IVector Proportional Integral，矢量比例积分）控制器，来进一步提升系统响应速度，并提高对谐波的抑制性，VPI 控制器对电网中其他频率电流并不敏感，其直流分量为0，不会对基波控制产生任何影响。

4 结语

由于电网采取高压侧集中补偿无功功率与谐波的方式存在接入电压过高、设备成本大的缺点，以及低压侧分散补偿无功功率与谐波的方式存在补偿能力差、各分散设备把实现协同工作的缺点，提出一种由配电变压器接入的集成式混合补偿系统，具有接入电压选择灵活、设备成本低、补偿精度高、响应速度快的特点。该系统采取晶闸管可控电抗器和无源支路对电网中的无功功率与谐波进行补偿，并采取有源电力滤波器进一步提高系统的补偿精度和速度，起到了很好的无功功率与谐波补偿效果。并且兼具无源补偿的低低成本与有源补偿精度高、速度快的优势，平衡了设备成本与补偿精度的矛盾关系。该系统还能应用于直流输电网路中，将变压器与补偿设备集成在一起，对电网中的无功功率与谐波进行补偿，提升电网运行的稳定性与可靠性，详细的实施方案将在后续研究中陆续进行。