配電變壓器集成式混合補(bǔ)償系統(tǒng)研究

楊敏建

（大慶石化公司熱電廠，黑龍江大慶 163000）

0 引言

當(dāng)前，電網(wǎng)中非線性負(fù)荷用電器所占的比例越來(lái)越高，導(dǎo)致電網(wǎng)所承擔(dān)的無(wú)功功率增高，電網(wǎng)中的諧波問(wèn)題也日益突出。為了緩解無(wú)功功率與諧波問(wèn)題，需要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償方式主要分為高壓側(cè)與低壓側(cè)補(bǔ)償兩種方式。高壓側(cè)補(bǔ)償雖然屬于集中式補(bǔ)償，但要使用同步補(bǔ)償器才能實(shí)現(xiàn)，加之高壓側(cè)的電壓較高，必須通過(guò)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)才能接入母線，存在設(shè)備的整體成本非常高的弊端。低壓側(cè)補(bǔ)償屬于分散式補(bǔ)償，主要設(shè)備為有源濾波器，這種設(shè)備的負(fù)載能力較差，只適用于補(bǔ)償量不大的場(chǎng)合，并且設(shè)備安裝較為分散，無(wú)法實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的協(xié)調(diào)工作。高壓側(cè)補(bǔ)償與低壓側(cè)補(bǔ)償都只能適用于固定電壓的情況，要想提高設(shè)備的經(jīng)濟(jì)效益，就需要選擇一個(gè)合適的電壓值。

由晶閘管可控電抗器和固定電容器組成的靜止無(wú)功補(bǔ)償器被廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)中，其價(jià)格低廉，性能可靠，但靜止無(wú)功補(bǔ)償器本身也會(huì)產(chǎn)生諧波，解決辦法是將固定電容器替換為容性無(wú)源濾波支路，來(lái)過(guò)濾掉設(shè)備本身產(chǎn)生的諧波。但這種設(shè)備的體積較大，并且只能過(guò)濾固定頻率的諧波。有源電力濾波器具有非常好的過(guò)濾諧波性能，但只能承受較低的電壓，混合有源濾波器結(jié)合了有源濾波器與無(wú)源濾波器的性能特點(diǎn)，一直以來(lái)受到廣大業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注和研究。無(wú)源支路和晶閘管可控電抗器補(bǔ)償無(wú)功功率和諧波的費(fèi)效比較高，有源電力濾波器能夠很好地過(guò)濾諧波。

配電變壓器是將電網(wǎng)高壓轉(zhuǎn)化為用戶(hù)低壓的節(jié)點(diǎn)，對(duì)供電質(zhì)量的調(diào)節(jié)具有關(guān)鍵作用，采用無(wú)源支路、晶閘管可控電抗器和有源電力濾波器組成混合補(bǔ)償系統(tǒng)，采取變壓器高壓側(cè)補(bǔ)償?shù)姆绞剑ㄟ^(guò)抽頭接入電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了很好的無(wú)功功率和諧波補(bǔ)償作用。雖然該系統(tǒng)占用了部分變壓器容量，但只要選擇合適的電壓，就能發(fā)揮混合補(bǔ)償系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，更靈活地接入電網(wǎng)，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益，有效解決了負(fù)載測(cè)電能質(zhì)量對(duì)電網(wǎng)的擾動(dòng)問(wèn)題。并且兼具無(wú)源補(bǔ)償?shù)牡偷统杀九c有源補(bǔ)償精度高、速度快的優(yōu)勢(shì)，具有接入電壓選擇靈活、設(shè)備成本低、補(bǔ)償精度高、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。

1 集成式混合補(bǔ)償系統(tǒng)

電網(wǎng)中的變壓器連接方式有很多，最常見(jiàn)的連接方式為Dyn，即高壓側(cè)采取三角形接法、低壓側(cè)采取星形接法，由中性點(diǎn)引出，高低壓之間的相位差為30°。這種接法具有零序阻抗小、利于單相接地故障切除和抗雷擊性能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，尤其在工況運(yùn)行不穩(wěn)定電網(wǎng)中具有很好的適應(yīng)性。基于Dyn 連接方式的諸多優(yōu)點(diǎn)，所研究的集成式混合補(bǔ)償系統(tǒng)，采取高壓側(cè)三角形接法，并通過(guò)連接抽頭接入電路，有源電力濾波器、晶閘管可控電抗器和無(wú)源濾波支路均通過(guò)連接抽頭與高壓側(cè)三角形繞組相連接。變壓器電容補(bǔ)償配電柜如圖1 所示。

圖1 變壓器電容補(bǔ)償配電柜

2 數(shù)學(xué)模型及補(bǔ)償原理

所研究的集成式混合補(bǔ)償系統(tǒng)能夠有效補(bǔ)償電網(wǎng)中的無(wú)功功率與諧波，接下來(lái)通過(guò)基波域和諧波域等效模型來(lái)分析混合補(bǔ)償系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。由晶閘管可控電抗器和無(wú)源濾波支路作為電網(wǎng)無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)闹饕O(shè)備，有源電力濾波器作為提升整個(gè)系統(tǒng)補(bǔ)償精度與速度的主要設(shè)備，當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，有源電力濾波器的負(fù)載很小，其非線性負(fù)載可以作為諧波電流源，由于晶閘管可控電抗器并入電網(wǎng)工作時(shí)也會(huì)產(chǎn)生諧波，因此應(yīng)把晶閘管可控電抗器與無(wú)源濾波支路當(dāng)做受控電流源，有源電力濾波器也可以當(dāng)做受控電流源，并在此基礎(chǔ)上建立系統(tǒng)的諧波域等效模型，這時(shí)網(wǎng)側(cè)電流僅為負(fù)載測(cè)的有供電流，這樣一來(lái)系統(tǒng)就實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)功功率與諧波的補(bǔ)償，一臺(tái)有源電力濾波器的構(gòu)造如圖2 所示。

圖2 APF 濾波器

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 指令電流檢測(cè)

混合補(bǔ)償系統(tǒng)的控制分為電流檢測(cè)與跟蹤兩個(gè)環(huán)節(jié)，要想實(shí)現(xiàn)精確的補(bǔ)償就必須獲得精確的電流檢測(cè)結(jié)果，有源電力濾波器可以精確檢測(cè)出負(fù)載側(cè)無(wú)功電流大小，為混合補(bǔ)償系統(tǒng)提供指令電流，提高混合補(bǔ)償系統(tǒng)的精度與速度，同樣諧波的補(bǔ)償也需要精確檢測(cè)諧波電流。

3.2 指令電流跟蹤

晶閘管可控電抗器能夠跟蹤無(wú)功電流，并對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償。負(fù)載無(wú)功電流在經(jīng)過(guò)一系列的向量變換后，以其q 軸分量作為混合補(bǔ)償系統(tǒng)的指令電流，并與晶閘管可控電抗器和無(wú)源濾波支路輸出的無(wú)功電流相減，來(lái)獲取晶閘管觸發(fā)延遲角。晶閘管可控電抗器在系統(tǒng)中的應(yīng)用如圖3 所示。

圖3 晶閘管可控電抗器在系統(tǒng)中的應(yīng)用

有源電力濾波器的作用一是穩(wěn)定電壓，提升混合補(bǔ)償系統(tǒng)的響應(yīng)能力，二是預(yù)制電網(wǎng)中的諧波。研究采取二者獨(dú)立的電流控制方式。基波控制端采取線性控制，通過(guò)實(shí)時(shí)跟蹤指令電流，提升系統(tǒng)精度。諧波控制端采取矢量控制，對(duì)網(wǎng)路中的諧波進(jìn)行抑制，并根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，選取了效果更好的VP（IVector Proportional Integral，矢量比例積分）控制器，來(lái)進(jìn)一步提升系統(tǒng)響應(yīng)速度，并提高對(duì)諧波的抑制性，VPI 控制器對(duì)電網(wǎng)中其他頻率電流并不敏感，其直流分量為0，不會(huì)對(duì)基波控制產(chǎn)生任何影響。

4 結(jié)語(yǔ)

由于電網(wǎng)采取高壓側(cè)集中補(bǔ)償無(wú)功功率與諧波的方式存在接入電壓過(guò)高、設(shè)備成本大的缺點(diǎn)，以及低壓側(cè)分散補(bǔ)償無(wú)功功率與諧波的方式存在補(bǔ)償能力差、各分散設(shè)備把實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作的缺點(diǎn)，提出一種由配電變壓器接入的集成式混合補(bǔ)償系統(tǒng)，具有接入電壓選擇靈活、設(shè)備成本低、補(bǔ)償精度高、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。該系統(tǒng)采取晶閘管可控電抗器和無(wú)源支路對(duì)電網(wǎng)中的無(wú)功功率與諧波進(jìn)行補(bǔ)償，并采取有源電力濾波器進(jìn)一步提高系統(tǒng)的補(bǔ)償精度和速度，起到了很好的無(wú)功功率與諧波補(bǔ)償效果。并且兼具無(wú)源補(bǔ)償?shù)牡偷统杀九c有源補(bǔ)償精度高、速度快的優(yōu)勢(shì)，平衡了設(shè)備成本與補(bǔ)償精度的矛盾關(guān)系。該系統(tǒng)還能應(yīng)用于直流輸電網(wǎng)路中，將變壓器與補(bǔ)償設(shè)備集成在一起，對(duì)電網(wǎng)中的無(wú)功功率與諧波進(jìn)行補(bǔ)償，提升電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性，詳細(xì)的實(shí)施方案將在后續(xù)研究中陸續(xù)進(jìn)行。