10kV 变电所无功补偿及谐波抑制方法

邓思遥

（辽宁省金秋医院，辽宁 沈阳 110000）

0 引言

科技持续创新发展的同时，电力系统规模不断拓展，在多种类型电力电子设备及技术发展壮大的过程中，诞生了多种新型设备。由于高压及低压配电网的非平衡负荷不断增加，且强冲击性负荷的数量也持续增长，因而系统难以承受如此高负荷的冲击，由于负荷导致的有功及无功变化使用系统出现了电压波动以及供电波形畸变问题，从而削弱了电网的电能质量。为保障电网的高质量运行，需要保持电网频率的稳定性并尽可能提升电压质量，因而需要通过可行性的无功补偿装置对电力系统进行高效与精准的无功补偿，并实现有效的谐波抑制。

1 无功补偿的主要方法

1.1 静态无功补偿

静态无功补偿指以功率因数变化为依据进行补偿，需要事先投入相应容量电容器，缺陷是无法实时跟踪。最为常用的是接触器控制投切。静态补偿有两种方式：①利用同步发电机与同步调相机进行静态无动补偿；②应用成本低、维护便捷的并联电容器作为静态无功补偿设备，但此无功补偿装置的容量较低，无法实现持续性的无功补偿，不适用于集中场所。

1.2 动态无功补偿

动态无功补偿主要采用无功补偿电容器，此电容器的阻抗不具可调功能，无法对负荷的无功变化进行跟踪补偿，且补偿精度较低，但其响应速度较快。经过多次升级优化所诞生的第三代无功补偿装置SVG 是一种补偿容量可调的动态补偿方式[1]。SVG 可在低压状态下产生补偿电流，并且维护方便、成本较低，补偿动作只需十几毫秒。其使用寿命最高为10 年，并可用于谐波补偿，还可精准追踪与抑制冲击电流。SVG 系统的应用利于增强供电系统稳定性，保证供电质量，并可降低谐波污染产生的设备损耗，且能有效降低供电成本。

2 10kV 变电所无功补偿与谐波抑制应用实例分析

某医院10kV 变电站需要进行无功补偿，下面采用加装电容器装置及SVG 两种方法进行静态无功补偿及动态无功补偿效果及谐波抑制效果的对比分析。该医院变电站的功率因数均值为0.85，未达到规定要求功率因数0.92～0.98 的范围，因而需要通过无功补偿提高此10kV 变电站的功率因数。

2.1 静态无功补偿方案设计

应用传统加装电容器的方式进行静态无功补偿，由于配电网中存在大量感性负载，因而可将负载等效为电阻，而后将电感串联其上，如此可通过并联电容器实现无功补偿。

2.1.1 电容器接线方式

需要采用并联方式接入电网，三相共同补偿时可采用三角形接线法，此种接线方式可将电网中的对称3次谐波滤除，进而减少谐波产生的损害，并具备较高的无功补偿输出量。除此之外，还可利用星形接线法进行三相共补，需采用不带中性点星形接线方式，然而应用此接线方法时三相容抗值可能存在失衡问题，容易导致中性点位置发生变化，进而形成过电压。分相补偿时则可应用带中性点星形接线方式，可通过回路构建降低谐振，进而防止设备损毁而影响电路。

2.1.2 补偿容量计算及并联电容器安装

此医院10kV 变电站的配电变压器总容量为5000kVA，由此可按照公式计算出并联电容器的容量值，其中a 取值0.1，即Q 为500kVar[2]。而当自动投切并联电容器时，也可基于线路负荷功率因数计算出电容器的容量值。若目标功率因数取值为0.95，补偿前的功率因数数值为0.85，可计算出电容器的补偿容量为1237kVar。由于此变电站供电单位的负荷较大，且电网负荷变化频率快，在较高的无功需求下，并联电容器的投切频率较高，因而并联电容器容量取值为1237kVar较为适宜。应选用三角形接线方法在低压侧并联4 个并联电容器，电容器总容量为310kVra，受到安装空间限制，所选电容器应为100kVar、20kVar、10kVar 各两个，50kVar 电容器一个，以保证补偿需求可得到满足。

2.1.3 仿真结果分析

按照目标功率因数为0.95 计算，需补偿的无功应为309.25kVar，通过仿真分析发现，并联电容器无功投入为300kVar 时，补偿无功为358.48kVar，此时功率因数为0.9475，而当310kVar 时，补偿无功为348.48kVar，功率因数可达到0.9502，说明当前电容器组的补偿要精确到0.95 较为困难。加之配电网中存在多个设备，且补偿无功始终处于变化状态，且由于并联电容器组体积较大，分组多个较为困难。同时，并联电容器无法平滑性与连续性进行无功补偿，也难以获得精确的补偿效果，频繁投切下，电容器的使用寿命也会缩短。为此，需要通过无功补偿装置升级改造满足此医院10kV 变电站的无功补偿需求。

2.2 动态无功补偿方案设计

2.2.1 仿真系统负载模型构建

为解决并联电容器无功补偿不足的问题，可安装SVG 替代电容器进而优化无功补偿效果。采用MATLAB 软件模拟仿真分析SVG 运行情况，首先构建仿真模型，设定电网电压为AC380V/50Hz，直流侧电压为750V，选用容性及感性的不控三相整流桥作为无功谐波负载，耦合变电器均为220V[3]。利用带阻容性非线性负载仿真无功谐波发现，三相不控整流器可高效完成模拟，且能改变电流波形，既能同步降低功率因数，也可通过参数调整优化模拟效果。

2.2.2 无功补偿模块设置

系统中需设置静止无功补偿模块，其主要作用是对系统无功及谐波进行补偿。瞬时无功功率模块的作用则是分离无功电流。SVG 的关键部件是三相逆变器，需安装补偿器投切模块，在0.1s 时进行无功补偿投入，于闭环控制状态下可清晰观测到投入前及投入后的变化情况，通常情况下，在电容电压稳定后方可进行无功补偿。

2.2.3 瞬时无功算法及滞环电流控制模块设定

采用锁相环作为谐波检测算法，此算法可对三相电网的电压相角进行有效检测，可通过代数变换对d-p坐标下的三相电流数据进行提取，进而完成无功电流分离，再通过与指令电流进行对比分析而完成误差调整，而后再将无功电流输送至逆变器中。完成三相电流信号测试后，可对有功及谐波中的无功功率进行分离，而后通过与指定电流对比，完成PWM 输出信号的合理调节。此外，还需要设定滞环电流控制模块，由于此模块具有参数要求相对宽松的优势，对参数的精度要求并不高，因而可降低参数计算量，也可减少额外参数设定。

2.2.4 仿真结果分析

采用感性三相整流桥时，电压值为220V 时各相位间存在120°左右的相差，当感性负载加入后，会导致电网中出现电流滞后现象。通过分析补偿前后电压及电流波形发现，SVG 投入前由于有感性负载，电流滞后于电压的角度为31.79°，功率因数为0.85。而当SVG 投入后，电流滞后角度消失，功率因数提升至0.95。采用容性三相整流桥时，电压值为220V，相位差为120°，加入前补偿电流及电压的波形存在较大差异，功率因数为0.65。SVG 投入后，电压及电流呈同相状态，且功率因数高达1，高于出预计的补偿效果，实现了感性负载及容性负载的同步调节。为进一步验证SVG 无功功率补偿效果，于0.1s 时投入SVG，发现投入SVG 后电流与电压几乎同相[4]。通过SVG 投入前后电压电流关系分析发现，SVG 补偿效果较为精准，且具备感性及容性双向补偿功能，并未出现超调问题，并且能够增强输电系统的稳定性。谐波电流具备较高的奇次谐波出现率，通过对5 次危害较大的谐波进行提取分析其补偿前后其电流变化发现，5 次谐波均得到了补偿，谐波含量降低了9%，谐波最终控制在国家规定的5%范围内，说明SVG投入对谐波抑制具有良好的成效。

2.3 具备谐波抑制功能的SVG 系统设计

为有效抑制谐波产生，可设计一款具备谐波抑制功能的SVG 系统，进而同步满足该医院10kV 变电站无功补偿与谐波抑制需求。

2.3.1 系统电路结构与元件选型

系统采用感性负载不受控整流桥电流作为主电路，电源器件选择时，应以额定容量及电压大小为依据，且需根据长期工作电流大小以及瞬时工作电流值确定最大工作电流，通常情况下需将直流侧的额定电压设定为最大值的150%，方可确保SVG 系统的正常运行。通过计算，SVG 系统的电压值应为700V，内侧电流有效值为11.4A，最大峰值电流为30A[5]。选择直流侧电容时，由于波动幅度较大，对电压等级要求较高，并且系统持续振荡情况下，电容值的高低会对系统稳定性产生影响，因而电容选择必须适当。通过分析发现，直流侧电容越大时，谐波含量越小，因而电容值确定时也要将谐波含量因素纳入考量。经计算，系统直流侧电容应确定为13.65mF。确定连接电感时，为保证波形质量，电感值不可设置过低，否则会导致电压出现波动，进而会增大谐波含量。经计算，连接电感的取值范围应设定为0.7～15.2mH。

2.3.2 控制电路设计

设计控制电路时，采用CPU 最小系统电路，TMS320F2812 利用静态高性能CMOS 低功耗技术，端口供电电压及内核供电电压分别设定为3.3V 与1.8V。电压及电流采样调理电路设计时，可利用SVG 装置输出补偿电流，利用霍尔传感器进行电压及电流信号采集，进而有效控制直流侧电压。可将霍尔传感器串联于高电阻上，也可与功率电阻串联，电压收集时可防止出现检测电压过高现象，霍尔传感器一次侧可完成电压及电流采集，二次侧则可实现电流输出。可将采样电阻串接于霍尔传感器输出侧，进而满足DSP 输入电压信号要求。电流信号向电压信号转换时，电压应控制在1.5V 左右，可向低通滤波器中输送采集电压，且输出前后应保持相同电压值，以防止收集到高频信号。SVG 装置保护时要做好电气间绝缘及隔离，应选用光耦隔离方式，且实际信号也要与工作电路进行隔离。

2.3.3 系统软件设计

SVG 属于控制系统，此系统整合了算法及各类资源。系统软件设计包含主程序、中断服务程序、A/D 中断服务子程序、滤波程序、过零捕获子程序5 个部分，主程序的功能是初始化系统，例如，时钟或中断向量初始化等，初始化后方可进入中断等待环节。达到公式向量后，可进入相应端口进行信号处理[6]。中断服务程序的作用是对采集电压及电流进行处理，进而在电压或电流中断时执行相应指令。中断子程序主要是在三相电流数据采集中应用，周期性采集电流，可根据采样周期设置中断周期，两个周期时长一致即可。电流采集后会放大信号，之后进入循环工作状态。滤波程序可在有谐波电流或无功电流时被启动。根据SVG 原理分析，补偿电流值要保持一致，但电流方向应相反，并且要能够实时进行电压检测，进而确保无功补偿的精准性。因而需要设计过零捕获子程序，此程序具备较高优先级，且具备良好的抗干扰能力。

3 结语

通过对比分析发现，采用并联电容器的静态无功补偿方法补偿精确性不足，无法满足10kV 变电站的无功补偿需求，因而需要将之升级改造为动态无功补偿方法。基于Matlab 模拟仿真对SVG 这种动态无功补偿方法在无功补偿及谐波抑制方面的效果进行了分析，总结出此方法可精确性、快速性完成无功补偿，并可同步完成感性及容性负载补偿，同时也能有效抑制谐波产生。应用以TMS320F2812 为控制器核心的具备谐波抑制功能的SVG 系统可为10kV 变电站的无功补偿及谐波抑制提供保障，进而增强10kV 变电站电能输送的安全性与稳定性。