高壓配網直掛式電能質量混合補償技術及其應用

摘要：電能質量問題對保證工業生產中精密儀器、機器人的正常工作有重要影響。文章對目前高壓配網中存在的電能質量問題進行簡要分析，對當前常用的電能質量治理技術進行深入研究，得出在高壓配網中，采用電能質量混合補償技術對電能質量的提高起到重要作用，設計出一種高壓配網直掛式電能質量混合補償裝置，并對其在某鍛鑄廠中的應用進行簡單分析。

關鍵詞：高壓配網；電能質量；混合補償

中圖分類號：TM732 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）28-0069-02

隨著科學技術水平的不斷提升，電力行業也得到較快發展，在電網控制技術中采用了許多新型器件、新型設備。由于新型器件和設備的應用，使得電網的負載不斷增加，并且新型器件和設備的非線性特性給電網的運行帶來了許多負面影響，如造成電網功率因數低、電壓波形改變、設備頻繁出現故障等。本文作者通過研究，發明了一種新型的高壓直掛式電能質量混合補償裝置及相關控制技術，為了在高壓配網中更好地應用此裝置，本文對相關概念和技術進行介紹，并對目前此裝置的應用做一個簡要分析。

1 相關定義介紹

1.1 電能質量

電能質量是指電力系統中提供的電能的質量。理想的電能是對稱的正弦波，衡量電能質量的指標主要是頻率、電壓和波形。從普遍意義上對電能質量進行理解，就是指優質供電，不僅包括電流和電壓的質量，也包括供電和用電質量。

1.2 電能質量問題

理想的電能理應是完美的、對稱的正弦波。但由于一些因素使電能的波形與對稱的正弦波形產生偏離、電能的電壓值和頻率發生改變，因此電能質量問題產生了。電能質量問題廣泛意義上的定義是導致用電設備不能正

常運行或者是出現故障的電壓、電流或頻率的偏差。

1.3 無功功率

當前的用電設備基本上是依據電磁感應的原理設計而成的，如電動機、配電變壓器等，要想實現能量的轉換和傳遞，必須要建立交變磁場。無功功率就是為了建立交變磁場和感應磁通而需要的電功率。無功并不是沒有用的電功率，只是無功的功率不是轉化為了機械能和熱能等。所以在供電系統中不僅要有功電源還要有無功電源，兩者缺一不可。無功功率的單位是乏（var）。

1.4 功率因數

用電設備在使用時，不僅會消耗有功功率，而且還需要大量的無功功率。功率因數就是反映用電設備在消耗有功功率時，同時需要無功功率，其是供電系統中非常重要的一個技術經濟指標。

2 高壓配網直掛式電能質量混合補償技術

針對目前電力電能質量治理技術中存在的問題，尤其是高壓配網系統中的電能質量治理技術問題，筆者研究出了基于H橋級聯型靜止無功發生器和基于晶閘管控制電抗器TCR靜止無功補償器及其高壓配網直掛式電能質量混合補償器。

2.1 HVSHC結構

圖1 高壓配網直掛式電能質量混合補償器主電路圖

圖1所示，是HVSHC的拓撲結構。Us代表電源電壓、Zs代表阻抗、is表示電流。HVSHC主電路圖中包括3部分，左邊的SVG由n個H橋串聯而成，圖中iG為SVG發出的電流，La，Lb，Lc分別代表三相連接電抗。Ca1、Ca2、…、Can，Cb1、Cb2、…、Cbn和Cc1、Cc2、…、Ccn是各相n個H橋的直流支撐電容。中間是固定補償支路（FC），由電容、電抗組成。FC兼做LC濾波器，其輸出電流為iF。圖1最右邊的是TCR支路，是由m個晶閘管組成的可控閥體和相控電抗器，連接方式為三角形，iT為其輸出電流，其與FC構成SVC。

2.2 裝置實現混合補償的過程

高壓配網直掛式電能質量混合補償器能夠實現對電能質量的補償，主要的過程如下：在圖1的主電路圖中，點1處作為無功功率的控制對象，對采用三角型接線的TCR支路進行控制，達到對1點處的負序補償和無功補償。SVG利用3點處的無功功率對SVC補償后的不足進行再次補償。對諧波的補償則以2點為控制對象，形成開環之路，對電路負載和TCR諧波進行補償。將2點作為諧波治理對象是因為TCR為諧波源，而且FC還具備LC濾波器功能，可以將某些諧波濾除掉，這樣SVG可以對FC構成的K次濾波器以外的其他次諧波進行補償。在裝置運行過程中，對相關部分進行組合控制，使得由廉價的SVC對變化較慢或者處于穩態的無功功率進行補償，而SVG只對SVC來不及補償的無功功率進行補償，而且負序電流完全有SVC進行補償。SVG不用考慮負序治理，則可以采用星形接線，降低SVG的容量和控制的復雜性。采用這樣的裝置進行補償，不僅能較好地完成對高壓配網的電能質量進行補償，而且采用這樣的裝置，在某一部分出現故障不能正常使用時，其余部分還能繼續正常工作。

3 高壓配網直掛式電能質量混合補償裝置的應用

為了解決某鑄鍛廠35kV母線因為負載沖擊性強，短路容量小，在電弧群工作時，會導致電力系統的功率因數低、三相嚴重失衡、諧波含量大和閃變大等電力系統電能質量問題。

因為電弧爐的諧波電流以2～7次為主，2、3、4次含量較多，因為TCR采用的是正負半波不對稱觸發，也會產生2、3次等低次諧波，所以將FC分為2次和3次兩條支路。在2次支路中采用的是C型阻尼濾波支路，3次支路采用的是二階減幅高通濾波器。（1）在功率因數方面，補償裝置投入前，各相的總功率因數平均值在0.85左右，而且每一相的功率因數波動情況不一致，不過都在0～0.9之間進行波動。HVSHC裝置投入運行后，各功率因數有較大的提高，最高值能夠達到1，而且波動情況明顯好轉。（2）在總畸變率方面，HVSHC投入使用，對電能質量進行補償后，電壓的畸變率由原來的3.8%下降至2.1%以下，滿足國家相關標準的要求；整體電流的畸變值由原來的10%左右下降到4.0%。總地來說，在HVSHC對電力系統進行電能質量補償后，電壓的電流的畸變情況明顯下降，使整個電力系統的電能質量明顯提升，達到了國家相關的標準，能夠保證工業生產的正常進行。

4 結語

針對目前的高壓配網中功率因數低、諧波含量大和負序電流高等電能質量問題，研究目前電能質量問題治理采用的SVG和SVC等技術，提出了基于H橋級聯型靜止無功發生器和基于晶閘管控制電抗器TCR靜止無功補償器及其高壓配網直掛式電能質量混合補償器（High Voltage Suspend Hybrid Compensator，HVSHC）。并對該裝置在某鍛鑄廠的應用進行分析，得到HVSHC裝置能有效實現對無功功率、諧波和負序的綜合治理。希望高壓配網直掛式電能質量混合補償技術能得到進一步發展，在國民生產中得到廣泛應用，保證電力系統電能質量，提高生產效率，促進國民經濟較好較快發展。

參考文獻

[1] 張定華.高壓配網直掛式電能質量混合補償技術及應用研究[D].中南大學，2011.

[2] 卓谷穎.改善配網電壓質量的固定串補技術研究[D].浙江大學，2013.

[3] 張定華，桂衛華，王衛安，陽春華.牽引變電所電能質量混合動態治理技術[J].中國電機工程學報，2011，（7）.

[4] 劉晶.電力牽引系統電能質量綜合補償方法的研究

[D].華北電力大學，2013.

作者簡介：劉霞（1981-），女，重慶人，國網重慶江津區供電有限責任公司電力工程師，研究方向：電網無功電能質量。endprint

摘要：電能質量問題對保證工業生產中精密儀器、機器人的正常工作有重要影響。文章對目前高壓配網中存在的電能質量問題進行簡要分析，對當前常用的電能質量治理技術進行深入研究，得出在高壓配網中，采用電能質量混合補償技術對電能質量的提高起到重要作用，設計出一種高壓配網直掛式電能質量混合補償裝置，并對其在某鍛鑄廠中的應用進行簡單分析。

關鍵詞：高壓配網；電能質量；混合補償

中圖分類號：TM732 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）28-0069-02

隨著科學技術水平的不斷提升，電力行業也得到較快發展，在電網控制技術中采用了許多新型器件、新型設備。由于新型器件和設備的應用，使得電網的負載不斷增加，并且新型器件和設備的非線性特性給電網的運行帶來了許多負面影響，如造成電網功率因數低、電壓波形改變、設備頻繁出現故障等。本文作者通過研究，發明了一種新型的高壓直掛式電能質量混合補償裝置及相關控制技術，為了在高壓配網中更好地應用此裝置，本文對相關概念和技術進行介紹，并對目前此裝置的應用做一個簡要分析。

1 相關定義介紹

1.1 電能質量

電能質量是指電力系統中提供的電能的質量。理想的電能是對稱的正弦波，衡量電能質量的指標主要是頻率、電壓和波形。從普遍意義上對電能質量進行理解，就是指優質供電，不僅包括電流和電壓的質量，也包括供電和用電質量。

1.2 電能質量問題

理想的電能理應是完美的、對稱的正弦波。但由于一些因素使電能的波形與對稱的正弦波形產生偏離、電能的電壓值和頻率發生改變，因此電能質量問題產生了。電能質量問題廣泛意義上的定義是導致用電設備不能正

常運行或者是出現故障的電壓、電流或頻率的偏差。

1.3 無功功率

當前的用電設備基本上是依據電磁感應的原理設計而成的，如電動機、配電變壓器等，要想實現能量的轉換和傳遞，必須要建立交變磁場。無功功率就是為了建立交變磁場和感應磁通而需要的電功率。無功并不是沒有用的電功率，只是無功的功率不是轉化為了機械能和熱能等。所以在供電系統中不僅要有功電源還要有無功電源，兩者缺一不可。無功功率的單位是乏（var）。

1.4 功率因數

用電設備在使用時，不僅會消耗有功功率，而且還需要大量的無功功率。功率因數就是反映用電設備在消耗有功功率時，同時需要無功功率，其是供電系統中非常重要的一個技術經濟指標。

2 高壓配網直掛式電能質量混合補償技術

針對目前電力電能質量治理技術中存在的問題，尤其是高壓配網系統中的電能質量治理技術問題，筆者研究出了基于H橋級聯型靜止無功發生器和基于晶閘管控制電抗器TCR靜止無功補償器及其高壓配網直掛式電能質量混合補償器。

2.1 HVSHC結構

圖1 高壓配網直掛式電能質量混合補償器主電路圖

圖1所示，是HVSHC的拓撲結構。Us代表電源電壓、Zs代表阻抗、is表示電流。HVSHC主電路圖中包括3部分，左邊的SVG由n個H橋串聯而成，圖中iG為SVG發出的電流，La，Lb，Lc分別代表三相連接電抗。Ca1、Ca2、…、Can，Cb1、Cb2、…、Cbn和Cc1、Cc2、…、Ccn是各相n個H橋的直流支撐電容。中間是固定補償支路（FC），由電容、電抗組成。FC兼做LC濾波器，其輸出電流為iF。圖1最右邊的是TCR支路，是由m個晶閘管組成的可控閥體和相控電抗器，連接方式為三角形，iT為其輸出電流，其與FC構成SVC。

2.2 裝置實現混合補償的過程

高壓配網直掛式電能質量混合補償器能夠實現對電能質量的補償，主要的過程如下：在圖1的主電路圖中，點1處作為無功功率的控制對象，對采用三角型接線的TCR支路進行控制，達到對1點處的負序補償和無功補償。SVG利用3點處的無功功率對SVC補償后的不足進行再次補償。對諧波的補償則以2點為控制對象，形成開環之路，對電路負載和TCR諧波進行補償。將2點作為諧波治理對象是因為TCR為諧波源，而且FC還具備LC濾波器功能，可以將某些諧波濾除掉，這樣SVG可以對FC構成的K次濾波器以外的其他次諧波進行補償。在裝置運行過程中，對相關部分進行組合控制，使得由廉價的SVC對變化較慢或者處于穩態的無功功率進行補償，而SVG只對SVC來不及補償的無功功率進行補償，而且負序電流完全有SVC進行補償。SVG不用考慮負序治理，則可以采用星形接線，降低SVG的容量和控制的復雜性。采用這樣的裝置進行補償，不僅能較好地完成對高壓配網的電能質量進行補償，而且采用這樣的裝置，在某一部分出現故障不能正常使用時，其余部分還能繼續正常工作。

3 高壓配網直掛式電能質量混合補償裝置的應用

為了解決某鑄鍛廠35kV母線因為負載沖擊性強，短路容量小，在電弧群工作時，會導致電力系統的功率因數低、三相嚴重失衡、諧波含量大和閃變大等電力系統電能質量問題。

因為電弧爐的諧波電流以2～7次為主，2、3、4次含量較多，因為TCR采用的是正負半波不對稱觸發，也會產生2、3次等低次諧波，所以將FC分為2次和3次兩條支路。在2次支路中采用的是C型阻尼濾波支路，3次支路采用的是二階減幅高通濾波器。（1）在功率因數方面，補償裝置投入前，各相的總功率因數平均值在0.85左右，而且每一相的功率因數波動情況不一致，不過都在0～0.9之間進行波動。HVSHC裝置投入運行后，各功率因數有較大的提高，最高值能夠達到1，而且波動情況明顯好轉。（2）在總畸變率方面，HVSHC投入使用，對電能質量進行補償后，電壓的畸變率由原來的3.8%下降至2.1%以下，滿足國家相關標準的要求；整體電流的畸變值由原來的10%左右下降到4.0%。總地來說，在HVSHC對電力系統進行電能質量補償后，電壓的電流的畸變情況明顯下降，使整個電力系統的電能質量明顯提升，達到了國家相關的標準，能夠保證工業生產的正常進行。

4 結語

針對目前的高壓配網中功率因數低、諧波含量大和負序電流高等電能質量問題，研究目前電能質量問題治理采用的SVG和SVC等技術，提出了基于H橋級聯型靜止無功發生器和基于晶閘管控制電抗器TCR靜止無功補償器及其高壓配網直掛式電能質量混合補償器（High Voltage Suspend Hybrid Compensator，HVSHC）。并對該裝置在某鍛鑄廠的應用進行分析，得到HVSHC裝置能有效實現對無功功率、諧波和負序的綜合治理。希望高壓配網直掛式電能質量混合補償技術能得到進一步發展，在國民生產中得到廣泛應用，保證電力系統電能質量，提高生產效率，促進國民經濟較好較快發展。

參考文獻

[1] 張定華.高壓配網直掛式電能質量混合補償技術及應用研究[D].中南大學，2011.

[2] 卓谷穎.改善配網電壓質量的固定串補技術研究[D].浙江大學，2013.

[3] 張定華，桂衛華，王衛安，陽春華.牽引變電所電能質量混合動態治理技術[J].中國電機工程學報，2011，（7）.

[4] 劉晶.電力牽引系統電能質量綜合補償方法的研究

[D].華北電力大學，2013.

作者簡介：劉霞（1981-），女，重慶人，國網重慶江津區供電有限責任公司電力工程師，研究方向：電網無功電能質量。endprint

摘要：電能質量問題對保證工業生產中精密儀器、機器人的正常工作有重要影響。文章對目前高壓配網中存在的電能質量問題進行簡要分析，對當前常用的電能質量治理技術進行深入研究，得出在高壓配網中，采用電能質量混合補償技術對電能質量的提高起到重要作用，設計出一種高壓配網直掛式電能質量混合補償裝置，并對其在某鍛鑄廠中的應用進行簡單分析。

關鍵詞：高壓配網；電能質量；混合補償

中圖分類號：TM732 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）28-0069-02

隨著科學技術水平的不斷提升，電力行業也得到較快發展，在電網控制技術中采用了許多新型器件、新型設備。由于新型器件和設備的應用，使得電網的負載不斷增加，并且新型器件和設備的非線性特性給電網的運行帶來了許多負面影響，如造成電網功率因數低、電壓波形改變、設備頻繁出現故障等。本文作者通過研究，發明了一種新型的高壓直掛式電能質量混合補償裝置及相關控制技術，為了在高壓配網中更好地應用此裝置，本文對相關概念和技術進行介紹，并對目前此裝置的應用做一個簡要分析。

1 相關定義介紹

1.1 電能質量

電能質量是指電力系統中提供的電能的質量。理想的電能是對稱的正弦波，衡量電能質量的指標主要是頻率、電壓和波形。從普遍意義上對電能質量進行理解，就是指優質供電，不僅包括電流和電壓的質量，也包括供電和用電質量。

1.2 電能質量問題

理想的電能理應是完美的、對稱的正弦波。但由于一些因素使電能的波形與對稱的正弦波形產生偏離、電能的電壓值和頻率發生改變，因此電能質量問題產生了。電能質量問題廣泛意義上的定義是導致用電設備不能正

常運行或者是出現故障的電壓、電流或頻率的偏差。

1.3 無功功率

當前的用電設備基本上是依據電磁感應的原理設計而成的，如電動機、配電變壓器等，要想實現能量的轉換和傳遞，必須要建立交變磁場。無功功率就是為了建立交變磁場和感應磁通而需要的電功率。無功并不是沒有用的電功率，只是無功的功率不是轉化為了機械能和熱能等。所以在供電系統中不僅要有功電源還要有無功電源，兩者缺一不可。無功功率的單位是乏（var）。

1.4 功率因數

用電設備在使用時，不僅會消耗有功功率，而且還需要大量的無功功率。功率因數就是反映用電設備在消耗有功功率時，同時需要無功功率，其是供電系統中非常重要的一個技術經濟指標。

2 高壓配網直掛式電能質量混合補償技術

針對目前電力電能質量治理技術中存在的問題，尤其是高壓配網系統中的電能質量治理技術問題，筆者研究出了基于H橋級聯型靜止無功發生器和基于晶閘管控制電抗器TCR靜止無功補償器及其高壓配網直掛式電能質量混合補償器。

2.1 HVSHC結構

圖1 高壓配網直掛式電能質量混合補償器主電路圖

圖1所示，是HVSHC的拓撲結構。Us代表電源電壓、Zs代表阻抗、is表示電流。HVSHC主電路圖中包括3部分，左邊的SVG由n個H橋串聯而成，圖中iG為SVG發出的電流，La，Lb，Lc分別代表三相連接電抗。Ca1、Ca2、…、Can，Cb1、Cb2、…、Cbn和Cc1、Cc2、…、Ccn是各相n個H橋的直流支撐電容。中間是固定補償支路（FC），由電容、電抗組成。FC兼做LC濾波器，其輸出電流為iF。圖1最右邊的是TCR支路，是由m個晶閘管組成的可控閥體和相控電抗器，連接方式為三角形，iT為其輸出電流，其與FC構成SVC。

2.2 裝置實現混合補償的過程

高壓配網直掛式電能質量混合補償器能夠實現對電能質量的補償，主要的過程如下：在圖1的主電路圖中，點1處作為無功功率的控制對象，對采用三角型接線的TCR支路進行控制，達到對1點處的負序補償和無功補償。SVG利用3點處的無功功率對SVC補償后的不足進行再次補償。對諧波的補償則以2點為控制對象，形成開環之路，對電路負載和TCR諧波進行補償。將2點作為諧波治理對象是因為TCR為諧波源，而且FC還具備LC濾波器功能，可以將某些諧波濾除掉，這樣SVG可以對FC構成的K次濾波器以外的其他次諧波進行補償。在裝置運行過程中，對相關部分進行組合控制，使得由廉價的SVC對變化較慢或者處于穩態的無功功率進行補償，而SVG只對SVC來不及補償的無功功率進行補償，而且負序電流完全有SVC進行補償。SVG不用考慮負序治理，則可以采用星形接線，降低SVG的容量和控制的復雜性。采用這樣的裝置進行補償，不僅能較好地完成對高壓配網的電能質量進行補償，而且采用這樣的裝置，在某一部分出現故障不能正常使用時，其余部分還能繼續正常工作。

3 高壓配網直掛式電能質量混合補償裝置的應用

為了解決某鑄鍛廠35kV母線因為負載沖擊性強，短路容量小，在電弧群工作時，會導致電力系統的功率因數低、三相嚴重失衡、諧波含量大和閃變大等電力系統電能質量問題。

因為電弧爐的諧波電流以2～7次為主，2、3、4次含量較多，因為TCR采用的是正負半波不對稱觸發，也會產生2、3次等低次諧波，所以將FC分為2次和3次兩條支路。在2次支路中采用的是C型阻尼濾波支路，3次支路采用的是二階減幅高通濾波器。（1）在功率因數方面，補償裝置投入前，各相的總功率因數平均值在0.85左右，而且每一相的功率因數波動情況不一致，不過都在0～0.9之間進行波動。HVSHC裝置投入運行后，各功率因數有較大的提高，最高值能夠達到1，而且波動情況明顯好轉。（2）在總畸變率方面，HVSHC投入使用，對電能質量進行補償后，電壓的畸變率由原來的3.8%下降至2.1%以下，滿足國家相關標準的要求；整體電流的畸變值由原來的10%左右下降到4.0%。總地來說，在HVSHC對電力系統進行電能質量補償后，電壓的電流的畸變情況明顯下降，使整個電力系統的電能質量明顯提升，達到了國家相關的標準，能夠保證工業生產的正常進行。

4 結語

針對目前的高壓配網中功率因數低、諧波含量大和負序電流高等電能質量問題，研究目前電能質量問題治理采用的SVG和SVC等技術，提出了基于H橋級聯型靜止無功發生器和基于晶閘管控制電抗器TCR靜止無功補償器及其高壓配網直掛式電能質量混合補償器（High Voltage Suspend Hybrid Compensator，HVSHC）。并對該裝置在某鍛鑄廠的應用進行分析，得到HVSHC裝置能有效實現對無功功率、諧波和負序的綜合治理。希望高壓配網直掛式電能質量混合補償技術能得到進一步發展，在國民生產中得到廣泛應用，保證電力系統電能質量，提高生產效率，促進國民經濟較好較快發展。

參考文獻

[1] 張定華.高壓配網直掛式電能質量混合補償技術及應用研究[D].中南大學，2011.

[2] 卓谷穎.改善配網電壓質量的固定串補技術研究[D].浙江大學，2013.

[3] 張定華，桂衛華，王衛安，陽春華.牽引變電所電能質量混合動態治理技術[J].中國電機工程學報，2011，（7）.

[4] 劉晶.電力牽引系統電能質量綜合補償方法的研究

[D].華北電力大學，2013.

作者簡介：劉霞（1981-），女，重慶人，國網重慶江津區供電有限責任公司電力工程師，研究方向：電網無功電能質量。endprint