高壓并聯(lián)式混合型電網(wǎng)高次諧波有源濾波裝置

介紹了我國首次自主研制并投入工業(yè)運(yùn)行的第一套高壓并聯(lián)式混合型10kV電網(wǎng)高次諧波有源濾波裝置的主要特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方案，以及工業(yè)運(yùn)行的效果。該裝置是一種并聯(lián)式有源濾波和無源濾波相結(jié)合的混合型成套裝置。文中詳細(xì)介紹了該裝置的大容量有源濾波器的主回路設(shè)計(jì)、功率開關(guān)器件的選用、諧波電流檢測及補(bǔ)償信號(hào)控制的數(shù)字模擬混合技術(shù)、濾波裝置的并聯(lián)運(yùn)行仿真及實(shí)際工業(yè)運(yùn)行效果等方面。該裝置的鑒定測量結(jié)果為：實(shí)測補(bǔ)償容量達(dá)508.1kVA以上，超過設(shè)計(jì)值480kVA;空投損耗為額定補(bǔ)償容量的0.12%；動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于0.3ms；投運(yùn)后的母線電壓畸變率為1.3%～1.5%,比原來的電壓波形總畸變率下降1.5%;功率因數(shù)從0.75上升到0.93以上。 關(guān)鍵詞： 高壓；并聯(lián)式；高次諧波；有源濾波器；混合型；無功補(bǔ)償；電鐵牽引站?

0?引言

　　電鐵機(jī)車、軋機(jī)、電弧爐及電力電子設(shè)備等非線性負(fù)荷運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的高次諧波電流大、三相不平衡，且具間歇性、沖擊性等特點(diǎn)，采用現(xiàn)有的固定容量的補(bǔ)償裝置，不能滿足這類電力負(fù)荷安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求。為了治理諧波和提高功率因數(shù)，多年來，許多國家都先后研制了多種形式的靜止無功補(bǔ)償和消諧裝置，以完成不同類型的無功補(bǔ)償和治理諧波的任務(wù)。

　?。?） 采用晶閘管（SCR）元件的靜止無功補(bǔ)償裝置（SVC）與交流濾波器（FC）并聯(lián)。這種SVC是由晶閘管控制的電抗器（TCR）和晶閘管投切的電容器組（TSC）構(gòu)成。該裝置的優(yōu)點(diǎn)是在三相系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)，可以用來補(bǔ)償三相電壓的不平衡，對(duì)無功輸出能連續(xù)可調(diào)。其缺點(diǎn)是TCR在運(yùn)行中的無功輸出是通過調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角來實(shí)現(xiàn)的，TCR會(huì)產(chǎn)生大量的高次諧波電流，因此交流濾波器的濾波容量要相應(yīng)地增加，從而使正常運(yùn)行的損耗也大大增加。若把TCR用于電鐵牽引站的單相補(bǔ)償，其優(yōu)點(diǎn)得不到展示反而缺點(diǎn)比較顯著。

　　（2） 采用高速可關(guān)斷晶閘管（GTO）的靜態(tài)無功發(fā)生器（SVG）和交流濾波器并聯(lián)。這種SVG能連續(xù)可調(diào)輸出進(jìn)相或滯后的無功，從而使系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，三相平衡，且基本不產(chǎn)生附加的高次諧波，不用加大交流濾波器的濾波容量，基本設(shè)施可減少。目前國內(nèi)已能制造大容量的SVG工業(yè)樣機(jī)，但投資較大，其運(yùn)行特性有待于進(jìn)一步開發(fā)和進(jìn)行工程實(shí)踐。

　　（3） 采用有源高次諧波濾波器和無源濾波器組混合并聯(lián)運(yùn)行，無源濾波器組的作用是提供必需的進(jìn)相基波無功，并作為低次（3次和5次）諧波濾波電路；有源高次諧波濾波器不提供基波無功，只補(bǔ)償需要的各次諧波電流。對(duì)系統(tǒng)來說，有源高次諧波濾波器是一高阻抗、高次諧波的電流源，它的接入對(duì)系統(tǒng)阻抗沒有影響，能自行適應(yīng)被補(bǔ)償線路所需補(bǔ)償?shù)闹C波電流的需要，不存在過補(bǔ)償和過負(fù)荷的問題；同時(shí)，它還能防止系統(tǒng)與電容器組之間可能發(fā)生的并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振。

　　傳統(tǒng)的消除電網(wǎng)高次諧波的措施是采用LC型的無源濾波器。LC型濾波器與諧波源并聯(lián)運(yùn)行，除了起濾去高次諧波的作用外，還可兼顧系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)男枰敵鱿喈?dāng)數(shù)額的基波容性無功。LC型濾波器結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便，但占地面積較大，而且還有一些不足之處。

　　有源濾波器不僅可減小占地面積，而且可有效地解決無源濾波器所存在的問題。有源濾波器與無源濾波器的最大區(qū)別在于，它是一種向交流電網(wǎng)注入補(bǔ)償諧波電流，以抵消負(fù)荷所產(chǎn)生的諧波電流的主動(dòng)式濾波裝置，其結(jié)構(gòu)上由靜態(tài)功率變流器構(gòu)成，具有半導(dǎo)體功率變流器的高可控性和快速響應(yīng)性。

1?研制慨況

　　針對(duì)電氣化鐵道諧波的特征，華北電力科學(xué)院1997年提出了鐵路牽引站諧波治理工程采用有源和無源濾波器混合并行的方案。因已有的濾波補(bǔ)償裝置在治理電氣化鐵道、大型軋機(jī)和感應(yīng)爐等負(fù)荷的諧波和波動(dòng)時(shí)，在技術(shù)性能上存在不少缺點(diǎn)，滿足不了現(xiàn)代工業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)對(duì)電能質(zhì)量的要求。因此，研制直掛高壓系統(tǒng)的電網(wǎng)高次諧波有源濾波裝置很有必要。華北電力科學(xué)研究院于1999年6月開始研制這種裝置，并于2003年8月26日全套裝置一次投運(yùn)成功。該補(bǔ)償裝置的投運(yùn)，有效地濾去了非線性負(fù)荷所產(chǎn)生的諧波電流，改善了10kV母線電壓的波形，使電壓諧波總畸變率從原有的5.0%
以上降低到1.5% 以下，無源濾波器支路同時(shí)還補(bǔ)償了系統(tǒng)所需的無功，使功率因數(shù)從0.75 上升到0.93 以上。該套濾波裝置投入運(yùn)行以來，一直穩(wěn)定可靠，補(bǔ)償效果顯著。

　　該項(xiàng)目利用了電力系統(tǒng)分析方法和信息處理技術(shù)進(jìn)行裝置的總體設(shè)計(jì)；有源濾波器主回路采用三相獨(dú)立橋結(jié)構(gòu)；信息處理采用高速數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和工業(yè)控制機(jī)相結(jié)合的數(shù)?；旌峡刂萍夹g(shù)；數(shù)據(jù)采樣測量和處理環(huán)節(jié)采用首創(chuàng)的預(yù)整形同步采樣技術(shù);大功率絕緣柵雙極晶體管(IGBT)元件采用軟關(guān)斷技術(shù)和主回路緩沖放電技術(shù);高壓有源濾波器和無源濾波器并聯(lián)運(yùn)行采用仿真和混合技術(shù)；高壓并聯(lián)式混合型有源濾波器采用電磁兼容性設(shè)計(jì)及其數(shù)字仿真技術(shù)等，保證了整套裝置的技術(shù)指標(biāo)的先進(jìn)性和補(bǔ)償功能的穩(wěn)定可靠。

2?混合型補(bǔ)償裝置的類型


　　并聯(lián)式有源濾波器當(dāng)功率容量足夠大時(shí)，不僅可以快速地補(bǔ)償諧波，而且也可用于補(bǔ)償無功、三相不平衡以及電壓的波動(dòng)和閃變。有源濾波器雖在技術(shù)性能上相對(duì)于無源濾波器來說具有許多優(yōu)點(diǎn)，但是由于它本身是一種高技術(shù)、多學(xué)科的產(chǎn)品，要達(dá)到同容量的無功補(bǔ)償和諧波濾波，初期制造費(fèi)用比無源濾波器要高得多。解決的辦法是采用有源濾波器和無源濾波器相結(jié)合的混合型裝置，這樣能夠有效地降低初期的投資費(fèi)用，并提高濾波補(bǔ)償?shù)男??；旌闲脱a(bǔ)償裝置有無源濾波器與并聯(lián)式有源濾波器混合與無源濾波器與串聯(lián)式有源濾波器復(fù)（混）合2種類型。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1?混合型補(bǔ)償裝置電路結(jié)構(gòu)

　　在并聯(lián)式混合型補(bǔ)償裝置中，有源濾波器的主回路采用效率高、損耗小的電壓源脈寬調(diào)制(PWM)逆變器，有源濾波器的作用主要是產(chǎn)生補(bǔ)償諧波電流的電流IC，無源濾波器主要用于補(bǔ)償無功，并兼顧補(bǔ)償某指定次數(shù)的諧波。這樣安排的優(yōu)點(diǎn)是可以大大減小并聯(lián)式有源濾波器的容量，便于并聯(lián)式有源濾波器的應(yīng)用。在串聯(lián)式復(fù)（混）合型補(bǔ)償裝置中，有源濾波器的作用是產(chǎn)生補(bǔ)償諧波電壓的電壓UC，使電源側(cè)與非線性負(fù)荷之間實(shí)現(xiàn)諧波隔離。其優(yōu)點(diǎn)是可大大減小串聯(lián)式有源濾波器的容量，無源濾波器既可補(bǔ)償無功又可補(bǔ)償諧波。其缺陷是應(yīng)用于高電壓等級(jí)的串聯(lián)式有源濾波器的安全隔離和保護(hù)，目前在技術(shù)方面仍存在一些困難，因而只能應(yīng)用于一些低電壓和小容量的場合［1］。因此本課題選用了適合于高電壓等級(jí)大容量場合的并聯(lián)式混合型有源濾波器裝置的研制。

3?總體設(shè)計(jì)方案的考慮

　　該項(xiàng)目研究內(nèi)容主要有2點(diǎn)：①高電壓(10kV級(jí))、大容量（300kVA以上）有源濾波器的研究，包括有源濾波器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性研究，應(yīng)用智能控制技術(shù)提高有源濾波器的自適應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)補(bǔ)償。②并聯(lián)式混合型有源濾波器濾波技術(shù)的研究，包括無源濾波器和有源濾波器的復(fù)合連接技術(shù)及動(dòng)態(tài)特性的研究。主要解決的關(guān)鍵問題為高電壓、大容量電力有源濾波器的變流技術(shù)和諧波電流注入技術(shù)；有源濾波器和無源濾波器混合并聯(lián)技術(shù)與智能控制技術(shù)。

3.1?主回路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　高電壓有源濾波器主回路一般有高—高直接高壓結(jié)構(gòu)和高—低變壓結(jié)構(gòu)2種。

　　高—低變壓結(jié)構(gòu)的主電路，是使用降壓的注入變壓器，將10kV高電壓經(jīng)降壓注入變壓器變成700～1000V，然后采用電壓型逆變器多重化技術(shù)實(shí)現(xiàn)高電壓大功率的輸出。這種結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點(diǎn)是有效解決了大功率開關(guān)器件的成本問題，因?yàn)樵诘碗妷合逻M(jìn)行調(diào)制逆變，可以采用價(jià)格低廉的電力電子器件，同時(shí)可以降低dU/dt，有效降低裝置的開關(guān)損耗。本課題采用的這種高—低變壓結(jié)構(gòu)的主電路，如圖2所示。這種結(jié)構(gòu)可以方便地從三相10kV拓展到單相27.5kV的電壓等級(jí)，為電鐵牽引站的諧波治理工程提供高效的補(bǔ)償裝置。

圖2?高低變壓結(jié)構(gòu)主電路圖

3.2?功率開關(guān)器件

　　功率開關(guān)器件應(yīng)具有如下特點(diǎn)：①在阻斷狀態(tài)下能承受高壓。②在導(dǎo)通狀態(tài)下具有高的電流密度和低的導(dǎo)通壓降。③具有足夠短的導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間，并能承受高的di/dt和dU/dt。IGBT既具有大功率場效應(yīng)管（MOSFET）的輸入阻抗高、開關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)，又具有大功率晶體管（GTR）耐壓高、流過電流大的優(yōu)點(diǎn)；其柵極為電壓驅(qū)動(dòng)，所需驅(qū)動(dòng)功率小，開關(guān)損耗小，工作頻率高，是目前應(yīng)用于有源電力濾波器主回路的比較理想的大功率開關(guān)器件。目前的應(yīng)用水平已達(dá)到3.3kV/1.2kA。更重要的是，IGBT已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化工業(yè)大批量生產(chǎn)，其售價(jià)已與GTR差不多，這為大批量的應(yīng)用提供了充足的來源。IGBT的主要缺點(diǎn)是高壓內(nèi)阻大，通態(tài)壓降大，因而導(dǎo)通損耗較大。為此要選擇合適的工作電壓，以降低導(dǎo)通損耗。因此經(jīng)權(quán)衡，本課題選用IGBT為主回路的開關(guān)元件。

3.3?IGBT的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

　　IGBT工作狀態(tài)的好壞很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)電路性能的優(yōu)劣。驅(qū)動(dòng)電路往往也是大容量PWM技術(shù)的關(guān)鍵。本課題采用雙通道帶互鎖的驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)，非常適合于橋臂連接IGBT的驅(qū)動(dòng)。電路中設(shè)置的軟關(guān)斷功能可以自動(dòng)地增加IGBT的關(guān)斷時(shí)間，并同時(shí)可減少直流母線電壓的過沖量。驅(qū)動(dòng)電路初級(jí)和次級(jí)之間采取鐵氧體變壓器進(jìn)行隔離，因而對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的要求不用獨(dú)立隔離，而可與控制電路共同使用一個(gè)電源，簡化了電源的設(shè)置。驅(qū)動(dòng)電路中設(shè)置了一互鎖電路，以防半橋的2個(gè)IGBT元件的同時(shí)導(dǎo)通，通過調(diào)節(jié)接入的附加電阻，可以方便地調(diào)節(jié)其死區(qū)時(shí)間。驅(qū)動(dòng)電路中還設(shè)有錯(cuò)誤信號(hào)存儲(chǔ)單元，如果有一個(gè)IGBT元件發(fā)生短路，或者驅(qū)動(dòng)電源低于額定值，便可通過錯(cuò)誤信號(hào)存儲(chǔ)單元把此信號(hào)送到外部控制電路，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的保護(hù)動(dòng)作。

　　電路布線寄生的雜散電感是所有大電流開關(guān)電源中的關(guān)鍵問題?？焖俚年P(guān)斷過程，會(huì)引起與所儲(chǔ)能量和開關(guān)速度成比例的過電壓沖擊。為了防止過電壓的損害，需要選擇冗余量較大的器件，但會(huì)增加整機(jī)成本；高的開關(guān)電壓也會(huì)增加系統(tǒng)損耗，降低整機(jī)效率。完全消除雜散電抗是不可能的，但可采取措施最大限度地減少線路的雜散電感，可以縮小整個(gè)電路的有效回路面積，如采用分層布線結(jié)構(gòu)。可增加?xùn)艠O串聯(lián)電阻Rg來抑制dU/dt；降低開關(guān)速度，可顯著降低過電壓尖峰，但增加了開關(guān)損耗。實(shí)現(xiàn)的方法是在斷開IGBT時(shí)以接近0Ω的門極阻抗釋放門極電荷，直到Uce達(dá)到主回路電壓值時(shí)，再將門極釋放路徑切換到另一路阻抗通路。

3.4?注入變壓器

　　有源電力濾波器用的注入變壓器，承擔(dān)著把大功率的諧波電流低損耗和無相移地注入10kV線路，以達(dá)到在10kV級(jí)的公共連接點(diǎn)處補(bǔ)償非線性負(fù)荷所產(chǎn)生的諧波電流。為了使注入變壓器的損耗降低到最大限度，在鐵心材料選擇、繞組結(jié)構(gòu)及繞制工藝上都應(yīng)采用相應(yīng)的措施。

3.5?諧波電流檢測及補(bǔ)償信號(hào)控制的數(shù)字模擬混合技術(shù)

　　能否快速精確地檢測出電力線路中需要補(bǔ)償?shù)闹C波分量以及良好的動(dòng)態(tài)跟蹤性能，是有源電力濾波裝置的關(guān)鍵。這也直接決定了裝置的整機(jī)性能。

　　采用瞬時(shí)無功功率p－Q法及其演化改進(jìn)的各種算法，只能用于生成補(bǔ)償基波無功與所有各次諧波電流的指令信號(hào)；同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換d－Q法及基于改進(jìn)的帶通濾波器提取基波分量法與p－Q法的功能一樣；而采用陷波器消除基波分量的方法，同樣只能用于補(bǔ)償所有的各次諧波。在考慮到有源電力濾波器的容量有一定限制，采用無源濾波器的混合型結(jié)構(gòu)環(huán)境中，要求可以有選擇性地補(bǔ)償指定次數(shù)或指定若干次諧波需要補(bǔ)償?shù)闹C波電流，在這方面可以使有源電力濾波器發(fā)揮最優(yōu)的諧波補(bǔ)償能力，同時(shí)也使無源濾波器對(duì)某特定次數(shù)的諧波電流不會(huì)產(chǎn)生過負(fù)荷或諧波放大等［2］。

　　通過檢測非線性負(fù)荷端的諧波電流，經(jīng)過運(yùn)算后得到諧波電流補(bǔ)償指令信號(hào)，控制有源濾波器主回路產(chǎn)生與負(fù)荷諧波電流大小相等、方向相反的電流，以補(bǔ)償線路中一部分或全部的諧波電流。由于高速的DSP的出現(xiàn)，近年來價(jià)格又不斷下降，因此采用全數(shù)字化的采樣、分析、運(yùn)算來生成有源電力濾波器的補(bǔ)償指令信號(hào)，已不成問題。

　　采用高速DSP（TMS320F2407A）來完成快速多通道A/D轉(zhuǎn)換，通過FFT等數(shù)字式加模擬式計(jì)算，可得到與補(bǔ)償電流相對(duì)應(yīng)的PWM信號(hào)，用以驅(qū)動(dòng)主回路的開關(guān)器件。測量控制器采用高速DSP和工業(yè)控制機(jī)相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)，其中DSP用于數(shù)據(jù)采集、補(bǔ)償量計(jì)算分析和構(gòu)成；工業(yè)控制機(jī)（MIC－2000）用于調(diào)節(jié)、控制、通信和保護(hù)。這種數(shù)字—模擬式測量控制器與全數(shù)字式控制器相比具有測量準(zhǔn)確、調(diào)節(jié)靈敏、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。負(fù)荷電流的檢測和分析采用數(shù)字方法來實(shí)現(xiàn)，可以保證系統(tǒng)的檢測分析精確度和穩(wěn)定性。補(bǔ)償電流指令生成采用模擬電路來實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償電流跟蹤的快速響應(yīng)，較好地消除各開關(guān)模塊之間的環(huán)流。

3.6?數(shù)字化數(shù)據(jù)采樣測量和控制采用預(yù)整形同步采樣技術(shù)

　　預(yù)整形同步采樣技術(shù)可嚴(yán)格保證諧波測量檢測的高準(zhǔn)確度，保證輸出補(bǔ)償信號(hào)與系統(tǒng)電壓嚴(yán)格同步，從而保證了有源濾波器補(bǔ)償電流的快速響應(yīng)和準(zhǔn)確性。

　　采用鎖相環(huán)路來控制采樣脈沖的定時(shí)和速率，是一種比較實(shí)用的同步采樣方法。為了消除畸變波形對(duì)同步采樣電路工作的影響，可以在同步信號(hào)進(jìn)入鎖相環(huán)路之前采用預(yù)整形的措施，以保證在鎖相環(huán)路中進(jìn)行比較時(shí)有較高的定時(shí)精度。采用預(yù)整形同步采樣技術(shù)來減少同步采樣中的同步誤差，可以簡便地消除積分均值運(yùn)算中的截?cái)嗾`差或FFT處理的泄漏效應(yīng)所造成的誤差。它尤其適合于對(duì)任何非正弦波形的周期信號(hào)的測量和實(shí)時(shí)處理。其特點(diǎn)是同步源信號(hào)的幅度變化允許范圍寬，高準(zhǔn)確度的定時(shí)和同步性能不受信號(hào)波形畸變的影響，多種同步信號(hào)源可方便地由程序選擇等。

3.7?裝置軟件系統(tǒng)

　　裝置的軟件系統(tǒng)包括運(yùn)行和調(diào)試程序2大部分。運(yùn)行程序是軟件的主體部分，裝置的大部分功能是由運(yùn)行程序來實(shí)現(xiàn)的。為便于程序的開發(fā)和管理，軟件采用模塊化方式設(shè)計(jì)。調(diào)試程序主要實(shí)現(xiàn)軟件及硬件主要功能模塊的性能調(diào)試和整定值的寫入與修改［4］。

3.8?有源濾波器設(shè)計(jì)過程的電磁兼容性管理

　　高壓并聯(lián)式有源濾波器自身結(jié)構(gòu)由交流和直流電力系統(tǒng)、測量、運(yùn)算和控制等弱電（電子）系統(tǒng)構(gòu)成。為避免電子系統(tǒng)受到各種干擾，在設(shè)計(jì)研制過程中，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的電磁測量和分析，以便對(duì)電力系統(tǒng)或電子系統(tǒng)采取措施。

　　電磁兼容性的管理主要是圍繞構(gòu)成電磁干擾的三要素(即電磁干擾源、干擾耦合途徑和敏感設(shè)備)來進(jìn)行的。其管理的內(nèi)容包括：①電磁干擾產(chǎn)生的機(jī)理，如何抑制電磁騷擾源的發(fā)射。②電磁干擾以何種方式和途徑耦合（或傳導(dǎo)），如何切斷電磁干擾的傳輸途徑。③敏感設(shè)備對(duì)電磁騷擾產(chǎn)生何種影響，如何提高敏感設(shè)備的抗干擾能力。高壓并聯(lián)式有源濾波器在運(yùn)行中，主回路交流接觸器的合閘，控制繼電器的吸合，IGBT元件的導(dǎo)通和截?cái)嗟?，都?huì)產(chǎn)生不同形式和不同途徑的電磁干擾，而測控電子電路回路對(duì)這類干擾的呈現(xiàn)最敏感。因此，應(yīng)根據(jù)有關(guān)電磁兼容性的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，合理有效地解決這三要素的問題。

4?濾波補(bǔ)償裝置的仿真運(yùn)行

　　使用電磁暫態(tài)程序（Electro?Magnetic Transients Program，EMTP）和PSpice進(jìn)行數(shù)模信號(hào)混合仿真，可以評(píng)價(jià)有源電力濾波器的效率和控制系統(tǒng)的功能。在未進(jìn)行物理試驗(yàn)的情況下，采用軟件，可以對(duì)有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)［5］。采用CHP諧波潮流計(jì)算程序，可以進(jìn)行10kV并聯(lián)式混合型有源濾波器裝置仿真運(yùn)行和安全校核，優(yōu)化參數(shù)和結(jié)構(gòu)。

　　分別按照3種不同的安裝位置和控制方法來分析有源濾波器和無源濾波器混合結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償效果。對(duì)于每一種結(jié)構(gòu)，僅在諧波濾波效果和串、并聯(lián)諧振抑制方面進(jìn)行分析。仿真結(jié)果表明,使用有源和無源濾波器相結(jié)合的諧波補(bǔ)償裝置的優(yōu)點(diǎn)為：①能有效地補(bǔ)償負(fù)荷在運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的寬范圍的頻率變化的諧波電流。②能有效地抑制系統(tǒng)可能產(chǎn)生的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振。

　　通過分析3種有源和無源濾波器不同的組合結(jié)構(gòu)形式，其仿真結(jié)果表明，總諧波電流補(bǔ)償法和總電流反饋補(bǔ)償法都具有良好的諧波補(bǔ)償特性以及抑制系統(tǒng)并聯(lián)或串聯(lián)諧振的能力。仿真中還發(fā)現(xiàn)，電源電壓的諧波分量可能會(huì)引起在有源濾波器和無源濾波器之間的電流振蕩，這種現(xiàn)象在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意解決。

　　仿真結(jié)果還表明，有源濾波器使用的注入變壓器的接線方式，最好為D,d或者Y,y接線方式。這樣，對(duì)于負(fù)荷的配電變壓器的接線方式就不需要作規(guī)定，任意形式的接線方式都可取得預(yù)想的補(bǔ)償效果。否則會(huì)因?yàn)樽⑷胱儔浩饕鸬难a(bǔ)償電流的相移而損壞了補(bǔ)償效果，導(dǎo)致諧波電流的增加。 ??

5?裝置的特性和工業(yè)運(yùn)行效果

　　該套補(bǔ)償裝置安裝在某工業(yè)區(qū)的一35kV變電站。由上級(jí)110kV變電站提供35kV線路主供電。該變電站裝有2臺(tái)分列運(yùn)行的SZ9－8000/35主變壓器。根據(jù)當(dāng)?shù)毓╇娋值拈L期監(jiān)測，變電站10kV母線電壓總畸變率經(jīng)常超過國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T
14945—1993中規(guī)定的諧波電壓限值（4%），有時(shí)甚至達(dá)到5%～7%。該變電站的非線性負(fù)荷主要是一些鋼管廠的直流軋機(jī)和高頻感應(yīng)加熱爐。直流軋機(jī)和高頻感應(yīng)加熱爐的主要特征諧波為5、7、11和13次諧波，此外還有2、3、4、6等次諧波。

5.1?諧波治理和無功補(bǔ)償方案

　　設(shè)計(jì)無源5次濾波器一組，安裝容量為1500kvar，用于濾去5次諧波電流和補(bǔ)償所需的基波無功。同時(shí)并聯(lián)高壓有源濾波器BHY480/10 1臺(tái)，用于濾除其他各次諧波電流，而且不輸出基波無功，以免無功過補(bǔ)。

5.2?裝置性能的測量結(jié)果和工業(yè)投用效果

　　鑒定委員會(huì)專家測試組對(duì)該套裝置進(jìn)行特性測量的結(jié)果如下：①有源濾波裝置三相輸出補(bǔ)償容量設(shè)計(jì)值為480kVA，實(shí)測的輸出補(bǔ)償容量達(dá)到508.1kVA以上。②有源濾波裝置空投時(shí)的空投損耗為563.8W，為額定補(bǔ)償容量的0.12%。③有源濾波裝置具有快速反應(yīng)跟蹤補(bǔ)償特性，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于0.3ms。④變電站5號(hào)10kV母線電壓總畸變率在該套濾波補(bǔ)償裝置投運(yùn)前的測量值為4.9%～5.9%；在該套裝置投入運(yùn)行后的測量值為1.3%～1.5%。由此可見，10kV母線電壓波形得到顯著改善，電壓波形總畸變率下降為1.5%以下。⑤10kV負(fù)荷諧波電流的總補(bǔ)償率為76.4%。⑥裝置投運(yùn)后系統(tǒng)的功率因數(shù)從0.75上升到0.93以上。

　　補(bǔ)償裝置投運(yùn)前后10kV側(cè)線路電流的頻譜分析見圖3。補(bǔ)償裝置投運(yùn)前后10kV側(cè)母線電壓的諧波總畸變率變化曲線見圖4。

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圖3?補(bǔ)償裝置投運(yùn)前后10kV側(cè)線路電流的頻譜分析

圖4?補(bǔ)償裝置投運(yùn)前后10kV側(cè)母線電壓的諧波總畸變率變化

6?結(jié)論

　　高壓并聯(lián)式混合型電網(wǎng)高次諧波有源濾波裝置是一種可直掛在10kV系統(tǒng)中使用的新型濾波補(bǔ)償裝置。無源濾波設(shè)備有濾除諧波的功能和兼顧系統(tǒng)所需的無功補(bǔ)償，有源濾波設(shè)備對(duì)系統(tǒng)的高次諧波進(jìn)行有源補(bǔ)償，具有高度的自適應(yīng)性，同時(shí)可以抑制因系統(tǒng)參數(shù)改變而產(chǎn)生的并聯(lián)或串聯(lián)諧振，還可以防止無功過補(bǔ)償?shù)?，是現(xiàn)代企業(yè)中對(duì)含有各種換流裝置的非線性負(fù)荷進(jìn)行電力諧波治理和合理補(bǔ)償無功的設(shè)備。

　　國家電網(wǎng)公司于2004年12月在北京召開了該項(xiàng)目的科技成果鑒定會(huì)。鑒定意見認(rèn)為，該裝置是我國首次自主研制并投入工業(yè)運(yùn)行的第一套10kV大容量電網(wǎng)高次諧波有源濾波裝置，填補(bǔ)了國內(nèi)10kV直掛電網(wǎng)的高次諧波有源濾波裝置（GAPF）的空白，其主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了當(dāng)前國際先進(jìn)水平，具有廣闊的應(yīng)用前景。可以方便地從三相10kV拓展到單相27.5kV的電壓等級(jí)，為電鐵牽引站的諧波治理工程提供高效的補(bǔ)償裝置。