水電站高耗能企業無源濾波裝置的設計與仿真

譚宇翔，任海燕

(廣西大學電氣工程學院，廣西 南寧 530004)

1 緒論

隨著電力工業的不斷發展，社會生產各部門電氣化水平的不斷提高，各種換流裝置，電力電子設備，電弧爐、感應爐等得到廣泛的應用，這些裝置的應用一方面提高了國民經濟各部門的電氣化水平和經濟效益，另一方面也給整個電力系統帶來了新的問題——諧波污染。水電站諧波污染是電力系統諧波污染的一種特殊情況。造成水電站諧波污染的諧波源主要是水電站所興辦的高耗能企業的非線性設備，它們對諧波電流均有較大的影響。根據調查研究，發現水電站諧波污染有以下特點:(1)諧波電流較大，而電壓波形畸變并不嚴重。(2)諧波電流主要注入發電機，而對系統影響不大。(3)諧波頻率豐富。針對中小型水電站諧波污染的這些特點，初步從以下兩個方面提出解決方案:(1)主動型抑制措施:即對諧波源本身進行改造，以此減少諧波源的諧波含量或抑制諧波的產生。例如，對以整流設備為主要負荷的企業，在選擇整流裝置時盡量選取脈動數大的設備，減少諧波電流的產生。(2)被動型抑制措施:即在諧波源處加裝各種補償裝置來濾除諧波。濾波裝置主要包括無源濾波裝置和有源濾波裝置兩大類。

無源濾波裝置中應用最廣泛的是單調諧濾波器和高通濾波器。對于含量較大的某次諧波，如:3次、5次、7次等，可以采用單調諧濾波器，逐次濾除。對于在一個較寬頻帶內含量豐富的諧波，可以考慮安裝高通濾波器。實際應用中經常將二者相結合。盡管有源濾波器有著無源濾波器所不具備的巨大技術優勢，但目前要想在電力系統中完全取代無源濾波器還不太現實。這是因為與無源濾波器相比，APF的成本較高，裝置容量的不足以及可靠性等限制了APF的推廣使用。因此，在國內外工程應用中主要還是采用結構簡單、運行可靠、維護方便的無源濾波裝置。本文主要研究水電站高耗能企業無源濾波裝置的設計和仿真，這種“無源型”電力濾波裝置除起濾波作用外還兼顧無功補償和調壓的需要。

2 濾波裝置的設計

2.1 設計依據

以某水電站及35kV變電所主要供電設備運行參數為例，要求濾波裝置投入運行后，35kV系統功率因數應提高到0.92以上。

2.1.1 諧波電流和諧波電壓

(1)軋鋼廠和冶煉廠10kV母線電壓總諧波畸變率達到8.76%，是標準限值的2.2倍，嚴重超標。軋鋼廠軋機為典型的六相整流負荷，產生的諧波電流主要為 5、7、11 次，分別為5.52A、6.99A、3.5A。

(2)35kV變電所35kV母線電壓總諧波畸變率達到4.81%，是標準限值的1.6倍，嚴重超標。氯酸鉀廠負荷為六相整流負荷，諧波電流主要是5、7、11次，分別為11.71A、8.88A、1.99A。

(3)1#發電機出口10kV母線電壓總諧波畸變率為3.39%，滿足國標要求。注入發電機的諧波電流主要是 3、5、7 次，分別為7.77A、13.60A、2.91A。

(4)3#發電機出口10kV母線電壓總諧波畸變率為3.38%，滿足國標要求。但由于工業小區的諧波負荷由2#主變直接供電，故諧波電壓明顯高于1#發電機10kV母線。注入3#發電機的諧波電流主要是3、5、7次，分別為9.71A、8.74A、11.65A。

(5)庫區負荷諧波電流較小，以5次為主(0.54A)。

(6)水電站110kV母線電壓總諧波畸變率為1.71%，滿足國標要求。注入110kV系統的諧波電流主要為3、5 次，為0.93A、2.59A。

2.1.2 35kV變電所主要負荷諧波電流

根據電能質量測試報告，水電站及35kV變電所主要負荷，包括軋鋼廠、冶煉廠、氯酸鉀廠以及庫區負荷的諧波電流如表1所示。

實測35kV變電所35kV母線電壓總諧波畸變率為4.81%，軋鋼廠和冶煉廠10kV母線電壓總諧波畸變率為8.76%。

2.2 確定濾波裝置的構成

根據實測考核點35kV側諧波電壓的超標情況和負荷的特征諧波次數，設置3個濾波器支路。針對冶煉廠電弧爐負荷由于產生連續次數的特征諧波的特點，采用一組二階減幅型3次高通濾波器，又稱為二階阻尼濾波器，如圖1所示。

表1 負荷諧波電流

圖1 高通濾波器原理結構圖

圖2 高通濾波器阻抗頻率特性

|Zn|:高通濾波器諧波阻抗ZN的幅值。

針對軋鋼廠軋機、氯酸鉀廠電解槽的六相整流負荷特征諧波次數，采用5次、7次兩組單調諧濾波裝置，如圖3和圖4所示。單調諧濾波器用于濾除某一特定頻率處的諧波電流，其所濾除的諧波電流的頻率fn由其參數決定。

圖3 單調諧濾波器原理結構圖

圖4 單調諧濾波器阻抗頻率特性

|Zn|為單調諧濾波器的n次諧波阻抗的幅值;n=fn/f1為諧波次數。

2.3 濾波裝置的容量和參數

2.3.1 濾波裝置容量的計算選擇

濾波裝置的基波無功功率應包括兩部分:

(1)將負荷功率因數提高到目標值所需補償基波無功功率:根據對負荷有功功率、無功功率、功率因數的測試結果，將功率因數提高到0.92時所需的最大無功功率為

(2)補償水電站2#主變的無功損耗所需的基波無功功率:這部分又包括變壓器的空載無功損耗和變電站中壓繞組(35kV側)的負載無功損耗。

2.3.2 濾波裝置參數的計算選擇

各濾波器支路的基波容量的分配要綜合考慮諧波濾波效果、安裝容量大小和安全性指標，采取最優化配置。

(1)電容器額定電壓UCN

在各濾波器支路基波容量和諧波源諧波電流確定的前提下，要計算濾波裝置其他參數，首先必須確定濾波電容器的額定電壓。濾波電容器的額定電壓受以下幾方面的影響:①系統電壓水平;②諧波電流加在電容器兩端的諧波電壓;③串聯電抗器后電容器兩端電壓的升高;④電壓波動使電容器兩端電壓的升高。考慮以上四個因素并假定:①諧波源電流不放大且全部通過相應濾波器;②濾波器呈純電阻狀態;③電容器中僅通過基波電流和本次諧波電流，計算出各濾波器支路電容器額定電壓。由于有串聯電抗器，電容器承受的基波電壓UC1要比母線運行電壓U1(相電壓)高，設運行電壓上限為U1M，則

首先以3次高通濾波器計算

電容器的額定電壓需要等于基電壓與調諧頻率諧波電壓Uch兩者的代數Uch=Uc3

(2)基波無功容量

濾波裝置總的基波無功容量還取決于補償的要求。在單調諧濾波電容器參數初選確定后，可以很容易求出基波無功輸出，即

再根據Q1(5)、Q1(7)求出總基波無功Q1Σ=Q1(3)+Q1(5)+Q1(7)

(3)基波容抗XC

電容器的額定容量QCN，單位為Mvar。

(4)濾除hn次諧波所需電抗器的大小

串聯調諧濾波器的電抗器電阻為:

二階阻尼濾波器的電阻為:

式中特征電抗Xn為:

由以上計算公式可計算出3次、5次跟7次濾波支路各自的基波容抗，電抗器電抗，以及電容，電感，電阻的大小。

(4)電容器連接方式

單相電容器有串聯、并聯和串并聯三種連接方式。工程實際中應該選擇先并后串的方式，即先將電容器進行并聯，然后再將各段串聯起來。這種方式的優點是任何一段上的一臺電容器損壞被切除后，不會影響其他電容器正常工作，只是該段的其他電容器需要承受稍大電荷。通過上述各式及說明，從而確定出各濾波支路的安裝容量及電容器連接方式見表2所示。

表2 各濾波支路電容器額定電壓及安裝容量及連接方式

由計算出的支路濾波電抗器的電感，從而選擇合適濾波電抗器，其參數見表3。

表3 各濾波支路電抗器參數

根據計算所得的電阻值確定濾波電阻器額定電阻，從而選定濾波電阻器，其參數如表4所示。

表4 濾波電阻器參數

濾波裝置總安裝容量 9600kvar，總基波無功6191.5kvar，大于 5590kvar，所以濾波裝置投入后，35kV系統功率因數能達到0.92以上，滿足功率因數補償要求。

2.4 濾波裝置安全性能校核計算

濾波電容器在運行中除供給所需的基波電流外，還將吸收諧波源產生的諧波電流。這樣，通過濾波電容器的電流就有基波和諧波電流(以濾波支路相對應的諧波電流為主，也有部分非同次諧波電流)。這些電流通過電容器時，將在其兩端產生基波電壓和謝波電壓。由于濾波裝置長期處于這種特殊的運行狀態，為保證其長期、安全運行，對設計的各濾波電容器必須按照標準進行校驗，其校驗公式如下:

式中:ICN、UCN為濾波電容器的額定電流、額定電壓;Ic1、Uc1為濾波電容器的基波電流、基波電壓;Ich、Uch為濾波電容器的諧波電流、諧波電壓。

表5 各次諧波過電流過電壓倍數計算結果

由表5可知:電容器過電流倍數均小于電容器額定電流的1.3倍，由電容器過電壓倍數倍數均小于電容器額定電壓的1.1倍，故各濾波支路都能安全運行。

2.5 濾波裝置的保護

對濾波裝置組采用以下保護方式:

(1)單臺電容器均采用跌落式外熔絲保護，額定電流按電容器額定電流的1.5～2.0倍選取;

(2)電流速斷保護:按濾波器支路5倍額定電流選取，0s時延;

(3)過電流保護:按濾波器支路1.5倍額定電流選取，0.5s時延;

(4)過電壓保護:按濾波裝置母線電壓的1.1倍額定電壓選取，當濾波裝置母線電壓達到其額定電壓的1.1倍時，控制器依次切除7次和5次、3次濾波器支路，其間各有20s時延;

(5)失電壓保護:當濾波裝置母線電壓降至65%額定電壓時，無時限切除各濾波裝置開關;

(6)低周波保護:當濾波裝置母線電壓品率低于49.5Hz時，發出警報信號;

(7)不平衡保護:采用開口三角電壓保護。放電線圈一次電壓取電容器額定電壓，二次保護線圈電壓均取100V，0.5s時延。

3 濾波裝置對諧波的改善

根據所選擇的技術方案，針對測試期間水電站的運行方式(即1#發電機運行，經過1#主變升壓向外送電，3#發電機運行，經2#主變升壓向外送電，1#、2#主變110kV并列運行、35kV分列運行，工業小區負荷由2#主變35kV側供電)，進行諧波潮流計算。

3.1 諧波阻抗

(1)系統阻抗

近似認為系統各元件都是電感性的，并忽略其電阻，因而系統諧波阻抗Xsys(h)等于其基波電抗Xs1與諧波次數h的乘積。基波電抗的求解方法如下所示，

由Xsys(h)=hXs1，得

(2)濾波器阻抗

針對不同頻率的諧波，各濾波支路呈現出不同的阻抗。計算同一頻率下調諧支路和高通支路的阻抗，分別取阻抗的倒數得到各支路導納，將所有支路的導納相加，再取其倒數就得到濾波器阻抗，如圖5所示。

圖5 濾波器簡化等值電路圖

3次高通濾波器

5，7次低通濾波器:

濾波器等效阻抗為:

從諧波源看出去，等效阻抗為:

其中L3，L5，L7分別為濾波裝置各濾波支路的電感;C3，C5，C7分別為各濾波支路的電容。

3.2 諧波電流與諧波電壓

濾波裝置投入運行后注入系統的3次、5次、7次以及11次諧波電流、電壓分別為:

表6 諧波裝置投入運行的各次電壓和電流

諧波電壓是諧波源注入電網的諧波電流在電網阻抗上產生的。因此，要控制電網中的諧波電壓，就必須限制諧波源注入電網的諧波電流。經過對各次主要的諧波電流計算結果的整理分析，下面將濾波裝置投入運行前后注入系統的諧波電流和諧波電壓以表格的形式列出，如表7所示。

表7 濾波裝置投入運行前后諧波參數

由結果可看出濾波裝置投入運行后，水電站高耗能企業注入系統的各次諧波電流均未超出國標規定的注入公共連接點的諧波電流允許值，因此是滿足要求的。同時，35kV變電所35kV母線諧波電壓含有率能滿足要求，達到了治理的目的。

4 仿真系統及仿真結果分析

利用MATLAB的Simulink工具箱首先根據電路原型搭建電路模型，然后設定仿真并運行，即可得到所需的電流波形。電源由基波與3次，5次還有7次諧波電流并聯而成，設置各自相應的頻率與峰值。

圖6是以單相無源濾波裝置為例來說明該無源濾波裝置的濾波性能，圖7，圖8分別是濾波裝置投入前后流入系統的諧波電流波形。

圖6 單相無源濾波裝置的電路仿真圖

圖7 無源濾波裝置投入前流入系統的諧波電流波形(B相)

圖8 無源濾波裝置投入后流入系統的諧波電流波形(B相)

從仿真結果可以看出，在用無源濾波裝置濾波前，電源電流畸變非常嚴重;用無源濾波裝置濾波后，諧波電流得到有效的抑制，電源電流波形得到明顯的改善，基本上為正弦波。

35kV母線電壓總諧波畸變率由以前的4.81%降至1.64%，滿足國標要求。負荷功率因數將提高到0.92以上，達到了用戶的要求，最重要的是濾波裝置能抑制諧波對發電機的危害，其潛在的效益和意義是巨大的。仿真結果表明，基于本文所給模型及方法設計的無源濾波裝置能夠很好的抑制諧波電流進入電網，并有效補償無功。

5 結論

諧波污染對水電廠的影響主要是諧波電流引起的附加發熱對發電機和變壓器的影響以及負序性諧波電流對反應負序分量的繼電保護和自動裝置的影響。適當選擇用電設備的形式(主要指整流裝置的脈動數)和根據水電站的實際情況(水電站與系統的聯系和諧波源的特點等)，選擇適當的濾波裝置和設備參數可有效解決中小型水電站諧波污染問題。本課題就南津渡水電站的諧波污染問題，提出采用諧波治理和功率因數補償相結合的“無源型”濾波裝置方案。通過校驗及仿真結果分析，證實該濾波裝置是可行的，達到了濾除諧波及補償無功的目的。

［1］王兆安，楊 君，劉進軍.諧波抑制和無功功率補償［M］.北京:機械工業出版社，1998.9.

［2］陳寄炎.動態無功功率與諧波抑制(譯文集)［M］.四川:馬鞍山鋼鐵學院學報編輯部.1985.10.

［3］(奧地利)George J.Wakileh著，徐政 譯.電力系統諧波－基本原理、分析方法和濾波器設計ⅪMⅫ.北京:機械工業出版社，2003.5.

［4］吳竟昌.供電系統諧波［M］.北京:中國電力出版社，1998.

［5］吳竟昌，孫樹勤，宋文南，等.電力系統諧波［M］.北京:水利電力出版社，1988.

［6］宋文南，劉寶仁.電力系統諧波分析［M］.北京:中國電力出版社，1998重印.

［7］中國電力科學研究院輸配電工程中心.南津渡水電站35KV濾波裝置系統設計方案［Z］.2002.10.

［8］陳懷琛，吳大正，高西全.MATLAB及在電子信息課程中的應用［M］.北京:電子工業出版社，2003.7.

［9］林海雪，孫樹勤.電力網中的諧波［M］.北京:中國電力出版社，1998.

［10］Li Hongmei，Li Zhenran，Zheng Peiying.Artificial Neural Network in Harmonic Reduction of STATCOM［J］.Electricity，2005，01.

［11］馬士英等.中小型水電站諧波污染的特點及抑制措施［J］.電力自動化設備，2005.8.

［12］張家祥，方凌江，毛全勝.基于MATLAB 6.X的系統分析與設計——虛擬實現［M］.西安電子科技大學出版社，2002.

［13］粟時平，劉桂英.靜止無功功率補償技術［M］.北京:中國電力出版社，2006..

［14］陳珩.電力系統穩態分析［M］.2版.中國電力出版社.

［15］Grady WM，et al(1993)Power factor correction and power system harmonics［J］.Short course，New Mexico State University.

［16］Subhashish Bhattacharya，Deepak M.Divan，+B.Ben Baner jee.Control And Reduction Of Terminal Voltage Total Harmonic Distortion(THD)In A Hybrid Series Active And Parallel Passive Filter System［J］.Department Of Electrical And Computer Engineering