高壓并聯(lián)式混合型10kV電網高次諧波有源濾波裝置的主要特點和設計方案

介紹了我國首次自主研制并投入工業(yè)運行的第一套高壓并聯(lián)式混合型10kV電網高次諧波有源濾波裝置的主要特點和設計方案，以及工業(yè)運行的效果。該裝置是一種并聯(lián)式有源濾波和無源濾波相結合的混合型成套裝置。文中詳細介紹了該裝置的大容量有源濾波器的主回路設計、功率開關器件的選用、諧波電流檢測及補償信號控制的數(shù)字模擬混合技術、濾波裝置的并聯(lián)運行仿真及實際工業(yè)運行效果等方面。該裝置的鑒定測量結果為：實測補償容量達508.1kVA以上，超過設計值480kVA;空投損耗為額定補償容量的0.12%；動態(tài)響應時間小于0.3ms；投運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。 關鍵詞： 高壓；并聯(lián)式；高次諧波；有源濾波器；混合型；無功補償；電鐵牽引站 

0 引言

　　電鐵機車、軋機、電弧爐及電力電子設備等非線性負荷運行過程中所產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，采用現(xiàn)有的固定容量的補償裝置，不能滿足這類電力負荷安全經濟運行的要求。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償和消諧裝置，以完成不同類型的無功補償和治理諧波的任務。

　　（1） 采用晶閘管（SCR）元件的靜止無功補償裝置（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）構成。該裝置的優(yōu)點是在三相系統(tǒng)中應用時，可以用來補償三相電壓的不平衡，對無功輸出能連續(xù)可調。其缺點是TCR在運行中的無功輸出是通過調節(jié)晶閘管的導通角來實現(xiàn)的，TCR會產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地增加，從而使正常運行的損耗也大大增加。若把TCR用于電鐵牽引站的單相補償，其優(yōu)點得不到展示反而缺點比較顯著。

　?。?） 采用高速可關斷晶閘管（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)可調輸出進相或滯后的無功，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，基本設施可減少。目前國內已能制造大容量的SVG工業(yè)樣機，但投資較大，其運行特性有待于進一步開發(fā)和進行工程實踐。

　?。?） 采用有源高次諧波濾波器和無源濾波器組混合并聯(lián)運行，無源濾波器組的作用是提供必需的進相基波無功，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，只補償需要的各次諧波電流。對系統(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，它的接入對系統(tǒng)阻抗沒有影響，能自行適應被補償線路所需補償?shù)闹C波電流的需要，不存在過補償和過負荷的問題；同時，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)運行，除了起濾去高次諧波的作用外，還可兼顧系統(tǒng)無功補償?shù)男枰?，輸出相當?shù)額的基波容性無功。LC型濾波器結構簡單，運行可靠，維護方便，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注入補償諧波電流，以抵消負荷所產生的諧波電流的主動式濾波裝置，其結構上由靜態(tài)功率變流器構成，具有半導體功率變流器的高可控性和快速響應性。

1 研制慨況

　　針對電氣化鐵道諧波的特征，華北電力科學院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。因已有的濾波補償裝置在治理電氣化鐵道、大型軋機和感應爐等負荷的諧波和波動時，在技術性能上存在不少缺點，滿足不了現(xiàn)代工業(yè)和國民經濟對電能質量的要求。因此，研制直掛高壓系統(tǒng)的電網高次諧波有源濾波裝置很有必要。華北電力科學研究院于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成功。該補償裝置的投運，有效地濾去了非線性負荷所產生的諧波電流，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還補償了系統(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行以來，一直穩(wěn)定可靠，補償效果顯著。

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

2 混合型補償裝置的類型


　　并聯(lián)式有源濾波器當功率容量足夠大時，不僅可以快速地補償諧波，而且也可用于補償無功、三相不平衡以及電壓的波動和閃變。有源濾波器雖在技術性能上相對于無源濾波器來說具有許多優(yōu)點，但是由于它本身是一種高技術、多學科的產品，要達到同容量的無功補償和諧波濾波，初期制造費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合的混合型裝置，這樣能夠有效地降低初期的投資費用，并提高濾波補償?shù)男??；旌闲脱a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（混）合2種類型。其系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 混合型補償裝置電路結構

　　在并聯(lián)式混合型補償裝置中，有源濾波器的主回路采用效率高、損耗小的電壓源脈寬調制(PWM)逆變器，有源濾波器的作用主要是產生補償諧波電流的電流IC，無源濾波器主要用于補償無功，并兼顧補償某指定次數(shù)的諧波。這樣安排的優(yōu)點是可以大大減小并聯(lián)式有源濾波器的容量，便于并聯(lián)式有源濾波器的應用。在串聯(lián)式復（混）合型補償裝置中，有源濾波器的作用是產生補償諧波電壓的電壓UC，使電源側與非線性負荷之間實現(xiàn)諧波隔離。其優(yōu)點是可大大減小串聯(lián)式有源濾波器的容量，無源濾波器既可補償無功又可補償諧波。其缺陷是應用于高電壓等級的串聯(lián)式有源濾波器的安全隔離和保護，目前在技術方面仍存在一些困難，因而只能應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 總體設計方案的考慮

　　該項目研究內容主要有2點：①高電壓(10kV級)、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)和動態(tài)特性研究，應用智能控制技術提高有源濾波器的自適應能力，實現(xiàn)最優(yōu)補償。②并聯(lián)式混合型有源濾波器濾波技術的研究，包括無源濾波器和有源濾波器的復合連接技術及動態(tài)特性的研究。主要解決的關鍵問題為高電壓、大容量電力有源濾波器的變流技術和諧波電流注入技術；有源濾波器和無源濾波器混合并聯(lián)技術與智能控制技術。

3.1 主回路的拓撲結構

　　高電壓有源濾波器主回路一般有高—高直接高壓結構和高—低變壓結構2種。

　　高—低變壓結構的主電路，是使用降壓的注入變壓器，將10kV高電壓經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實現(xiàn)高電壓大功率的輸出。這種結構的最大優(yōu)點是有效解決了大功率開關器件的成本問題，因為在低電壓下進行調制逆變，可以采用價格低廉的電力電子器件，同時可以降低dU/dt，有效降低裝置的開關損耗。本課題采用的這種高—低變壓結構的主電路，如圖2所示。這種結構可以方便地從三相10kV拓展到單相27.5kV的電壓等級，為電鐵牽引站的諧波治理工程提供高效的補償裝置。

圖2 高低變壓結構主電路圖[!--empirenews.page--]
3.2 功率開關器件

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

3.3 IGBT的驅動電路設計

　　IGBT工作狀態(tài)的好壞很大程度上取決于驅動電路性能的優(yōu)劣。驅動電路往往也是大容量PWM技術的關鍵。本課題采用雙通道帶互鎖的驅動器的設計，非常適合于橋臂連接IGBT的驅動。電路中設置的軟關斷功能可以自動地增加IGBT的關斷時間，并同時可減少直流母線電壓的過沖量。驅動電路初級和次級之間采取鐵氧體變壓器進行隔離，因而對驅動電源的要求不用獨立隔離，而可與控制電路共同使用一個電源，簡化了電源的設置。驅動電路中設置了一互鎖電路，以防半橋的2個IGBT元件的同時導通，通過調節(jié)接入的附加電阻，可以方便地調節(jié)其死區(qū)時間。驅動電路中還設有錯誤信號存儲單元，如果有一個IGBT元件發(fā)生短路，或者驅動電源低于額定值，便可通過錯誤信號存儲單元把此信號送到外部控制電路，以實現(xiàn)系統(tǒng)的保護動作。

　　電路布線寄生的雜散電感是所有大電流開關電源中的關鍵問題?？焖俚年P斷過程，會引起與所儲能量和開關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，但會增加整機成本；高的開關電壓也會增加系統(tǒng)損耗，降低整機效率。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，可以縮小整個電路的有效回路面積，如采用分層布線結構。可增加柵極串聯(lián)電阻Rg來抑制dU/dt；降低開關速度，可顯著降低過電壓尖峰，但增加了開關損耗。實現(xiàn)的方法是在斷開IGBT時以接近0Ω的門極阻抗釋放門極電荷，直到Uce達到主回路電壓值時，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，以達到在10kV級的公共連接點處補償非線性負荷所產生的諧波電流。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、繞組結構及繞制工藝上都應采用相應的措施。

3.5 諧波電流檢測及補償信號控制的數(shù)字模擬混合技術

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

　　采用瞬時無功功率p－Q法及其演化改進的各種算法，只能用于生成補償基波無功與所有各次諧波電流的指令信號；同步旋轉坐標變換d－Q法及基于改進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構環(huán)境中，要求可以有選擇性地補償指定次數(shù)或指定若干次諧波需要補償?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)的諧波補償能力，同時也使無源濾波器對某特定次數(shù)的諧波電流不會產生過負荷或諧波放大等［2］。

　　通過檢測非線性負荷端的諧波電流，經過運算后得到諧波電流補償指令信號，控制有源濾波器主回路產生與負荷諧波電流大小相等、方向相反的電流，以補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)，近年來價格又不斷下降，因此采用全數(shù)字化的采樣、分析、運算來生成有源電力濾波器的補償指令信號，已不成問題。

　　采用高速DSP（TMS320F2407A）來完成快速多通道A/D轉換，通過FFT等數(shù)字式加模擬式計算，可得到與補償電流相對應的PWM信號，用以驅動主回路的開關器件。測量控制器采用高速DSP和工業(yè)控制機相結合來實現(xiàn)，其中DSP用于數(shù)據(jù)采集、補償量計算分析和構成；工業(yè)控制機（MIC－2000）用于調節(jié)、控制、通信和保護。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確、調節(jié)靈敏、響應速度快的優(yōu)點。負荷電流的檢測和分析采用數(shù)字方法來實現(xiàn)，可以保證系統(tǒng)的檢測分析精確度和穩(wěn)定性。補償電流指令生成采用模擬電路來實現(xiàn)，可以實現(xiàn)補償電流跟蹤的快速響應，較好地消除各開關模塊之間的環(huán)流。

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

　　預整形同步采樣技術可嚴格保證諧波測量檢測的高準確度，保證輸出補償信號與系統(tǒng)電壓嚴格同步，從而保證了有源濾波器補償電流的快速響應和準確性。

　　采用鎖相環(huán)路來控制采樣脈沖的定時和速率，是一種比較實用的同步采樣方法。為了消除畸變波形對同步采樣電路工作的影響，可以在同步信號進入鎖相環(huán)路之前采用預整形的措施，以保證在鎖相環(huán)路中進行比較時有較高的定時精度。采用預整形同步采樣技術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算中的截斷誤差或FFT處理的泄漏效應所造成的誤差。它尤其適合于對任何非正弦波形的周期信號的測量和實時處理。其特點是同步源信號的幅度變化允許范圍寬，高準確度的定時和同步性能不受信號波形畸變的影響，多種同步信號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)包括運行和調試程序2大部分。運行程序是軟件的主體部分，裝置的大部分功能是由運行程序來實現(xiàn)的。為便于程序的開發(fā)和管理，軟件采用模塊化方式設計。調試程序主要實現(xiàn)軟件及硬件主要功能模塊的性能調試和整定值的寫入與修改［4］。

3.8 有源濾波器設計過程的電磁兼容性管理

　　高壓并聯(lián)式有源濾波器自身結構由交流和直流電力系統(tǒng)、測量、運算和控制等弱電（電子）系統(tǒng)構成。為避免電子系統(tǒng)受到各種干擾，在設計研制過程中，應進行相應的電磁測量和分析，以便對電力系統(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備)來進行的。其管理的內容包括：①電磁干擾產生的機理，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），如何切斷電磁干擾的傳輸途徑。③敏感設備對電磁騷擾產生何種影響，如何提高敏感設備的抗干擾能力。高壓并聯(lián)式有源濾波器在運行中，主回路交流接觸器的合閘，控制繼電器的吸合，IGBT元件的導通和截斷等，都會產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這類干擾的呈現(xiàn)最敏感。因此，應根據(jù)有關電磁兼容性的標準和規(guī)定，合理有效地解決這三要素的問題。
 

4 濾波補償裝置的仿真運行

　　使用電磁暫態(tài)程序（Electro?Magnetic Transients Program，EMTP）和PSpice進行數(shù)模信號混合仿真，可以評價有源電力濾波器的效率和控制系統(tǒng)的功能。在未進行物理試驗的情況下，采用軟件，可以對有源電力濾波器的結構進行評價［5］。采用CHP諧波潮流計算程序，可以進行10kV并聯(lián)式混合型有源濾波器裝置仿真運行和安全校核，優(yōu)化參數(shù)和結構。

　　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構的補償效果。對于每一種結構，僅在諧波濾波效果和串、并聯(lián)諧振抑制方面進行分析。仿真結果表明,使用有源和無源濾波器相結合的諧波補償裝置的優(yōu)點為：①能有效地補償負荷在運行過程中所產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構形式，其仿真結果表明，總諧波電流補償法和總電流反饋補償法都具有良好的諧波補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)象在實際應用中應注意解決。

　　仿真結果還表明，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，對于負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想的補償效果。否則會因為注入變壓器引起的補償電流的相移而損壞了補償效果，導致諧波電流的增加。   
 

5 裝置的特性和工業(yè)運行效果
 

　　該套補償裝置安裝在某工業(yè)區(qū)的一35kV變電站。由上級110kV變電站提供35kV線路主供電。該變電站裝有2臺分列運行的SZ9－8000/35主變壓器。根據(jù)當?shù)毓╇娋值拈L期監(jiān)測，變電站10kV母線電壓總畸變率經常超過國家標準GB/T
14945—1993中規(guī)定的諧波電壓限值（4%），有時甚至達到5%～7%。該變電站的非線性負荷主要是一些鋼管廠的直流軋機和高頻感應加熱爐。直流軋機和高頻感應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 諧波治理和無功補償方案

　　設計無源5次濾波器一組，安裝容量為1500kvar，用于濾去5次諧波電流和補償所需的基波無功。同時并聯(lián)高壓有源濾波器BHY480/10 1臺，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。

5.2 裝置性能的測量結果和工業(yè)投用效果

　　鑒定委員會專家測試組對該套裝置進行特性測量的結果如下：①有源濾波裝置三相輸出補償容量設計值為480kVA，實測的輸出補償容量達到508.1kVA以上。②有源濾波裝置空投時的空投損耗為563.8W，為額定補償容量的0.12%。③有源濾波裝置具有快速反應跟蹤補償特性，動態(tài)響應時間小于0.3ms。④變電站5號10kV母線電壓總畸變率在該套濾波補償裝置投運前的測量值為4.9%～5.9%；在該套裝置投入運行后的測量值為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負荷諧波電流的總補償率為76.4%。⑥裝置投運后系統(tǒng)的功率因數(shù)從0.75上升到0.93以上。

　　補償裝置投運前后10kV側線路電流的頻譜分析見圖3。補償裝置投運前后10kV側母線電壓的諧波總畸變率變化曲線見圖4。

    
 

圖3 補償裝置投運前后10kV側線路電流的頻譜分析

 

圖4 補償裝置投運前后10kV側母線電壓的諧波總畸變率變化

6 結論

　　高壓并聯(lián)式混合型電網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償裝置。無源濾波設備有濾除諧波的功能和兼顧系統(tǒng)所需的無功補償，有源濾波設備對系統(tǒng)的高次諧波進行有源補償，具有高度的自適應性，同時可以抑制因系統(tǒng)參數(shù)改變而產生的并聯(lián)或串聯(lián)諧振，還可以防止無功過補償?shù)龋乾F(xiàn)代企業(yè)中對含有各種換流裝置的非線性負荷進行電力諧波治理和合理補償無功的設備。

　　國家電網公司于2004年12月在北京召開了該項目的科技成果鑒定會。鑒定意見認為，該裝置是我國首次自主研制并投入工業(yè)運行的第一套10kV大容量電網高次諧波有源濾波裝置，填補了國內10kV直掛電網的高次諧波有源濾波裝置（GAPF）的空白，其主要技術指標達到了當前國際先進水平，具有廣闊的應用前景?？梢苑奖愕貜娜?0kV拓展到單相27.5kV的電壓等級，為電鐵牽引站的諧波治理工程提供高效的補償裝置。