產品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
高壓諧波補償對負載諧波的影響分析與仿真
摘要：高壓靜止無功發生器(SVG)為現階段電力系統最先進的無功補償技術，通過改進控制算法可實現諧波補償功能。在現場應用過程中發現有些現場在補償諧波時，雖然系統側的電流諧波和電壓諧波都在減小，但是負載側的電流諧波會明顯增加。根據現場應用過程中發現的問題進行了分析、建模、仿真，為諧波補償現場推廣應用積累了經驗。
關鍵詞：諧波補償；靜止無功發生器
1 引言
在電網中，大量的非線性負荷的使用，導致電網電能質量問題日益突出。如電弧爐、中頻爐、礦熱爐、低壓變頻器、整流器等非線性負荷的使用，導致電網出現閃變、諧波、不平衡、過壓、欠壓等電能質量問題。這些電能質量問題一方面難以滿足生產生活中日益增多的“高”“精”“尖”設備的使用需求，另一方面還造成電網輸配電設備的損耗。其中，諧波的危害十分嚴重，諧波使電能的生產、傳輸和利用的效率降低，使電氣設備過熱、產生振動、產生噪聲，并使設備絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發生嚴重的故障或燒毀，治理諧波的需求日益增多。
在工業現場，諧波治理有多種方案，例如FC濾波、APF有源濾波器等。其中，APF主要以380V、660V電壓等級為主。在10kV、35kV電網系統，有源濾波器主要是通過級聯H橋結構的SVG，改進控制算法來實現有源濾波、無功綜合補償功能。
靜止無功發生器(SVG)是現階段電力系統最先進的無功補償技術。它不再采用大容量的電容器、電感器來產生所需無功功率，而是通過全控型電力電子器件IGBT的高頻開關特性，實現對補償控制技術質的飛躍，特別是通過改進控制算法，可實現對諧波、無功的綜合補償。
本文主要介紹SVG實現無功、有源濾波的原理，現場應用諧波治理效果，以及對所遇到問題的分析、仿真。
2 SVG補償諧波原理
2.1 SVG原理
SVG是一種沒有旋轉部件，快速、平滑可控的動態無功功率補償裝置。它以全控型電力電子器件IGBT為核心的無功補償系統，將自換相橋式電路通過電抗器或者變壓器并聯到電網上，適當地調節橋式電路交流側輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側電流，使該電路吸收或者發出滿足要求的無功功率，實現動態無功補償的目的，如表1所示。
表1運行狀態原理
高壓鏈式SVG一次系統圖如圖1所示，每相有多個IGBT構成的H橋電路串聯組成，電網電壓等級越高串聯的H橋電路數量越多，H橋電路一般采用模塊化設計。
圖1 高壓級聯式SVG系統圖
SVG的控制器通過光纖為各H橋電路提供控制信號，既實現了高、低電壓可靠隔離，也提高了信號傳輸的抗干擾能力，如圖2所示。
圖2 SVG系統電氣結構示意圖
SVG采集系統電壓、系統電流、負載電流，自動計算系統無功需求，快速、連續地調節容性或者感性無功功率輸出，實現恒考核點無功、恒考核點電壓、恒考核點功率因數以及綜合補償等控制模式，保障電力系統穩定、高效、優質地運行。
2.2諧波補償原理
采用直接電流控制的有源濾波型中壓SVG的工作原理如圖2.3所示。從圖中可以得出式(1)，即電源電流是負載電流和補償電流之相量和。假設負載電流中含有基波正序電流（包括基波正序無功電流和基波正序有功電流）、基波負序電流和諧波電流，如式(2)所示。
圖3 采用直接電流控制的靜止無功發生器的工作原理
3 現場問題與分析
3.1 現場情況
現場為某造紙廠，部分一次圖如下圖4所示，35kV電網通過兩臺主變為廠內10kV母線供電，主變為一用一備。10kV母線上有近60條用電支路，以及兩路自發電機組。其中用電設備有二氧化氯整流變、氯堿整流變、低壓變頻等設備，以5、7次諧波為主，其中5次諧波超標，供電公司要求限期治理。
圖4 現場供電一次系統圖
為了治理5次電流諧波，現場在10kV母線上安裝了一臺10kV5MvarSVG，5次電流諧波補償效果如下表2所示。
表2 諧波補償效果
補償之后，各供電電源的5次諧波電流都明顯減低，但是發現負載側的諧波電流在增大，補償之前負載5次諧波電流共93A，SVG輸出5次諧波電流限值設定為96A，補償后負載諧波電流達到了152A。
3.2問題分析
電流諧波補償之后，系統側電流諧波減小，負載的電流諧波增大；觀察10kV母線的電壓諧波，SVG補償之后電壓諧波明顯減小，說明沒有補償反。
圖5 補償前（左）、后（右）10kV母線電壓諧波
分析認為補償諧波時，系統電流諧波減小、負載電流諧波增大，是由于供電系統容量相對用電設備的總容量偏小導致，供電電源的等效內阻抗不能被忽略。負載諧波大小是由電網電壓V、電源阻抗Z1、負載阻抗Z2等因數決定。由于供電電源內阻抗Z1的存在，電流諧波在電源內阻抗Z1上產生諧波電壓，導致A點電網電壓出現畸變。SVG補償之后，在負載同樣的諧波電流情況下，流到電源的諧波電流減小，電源等效內阻抗Z1產生諧波壓降減小，供電系統等效容量增大。
圖6 SVG諧波補償原理圖
4 仿真
根據以上分析，使用simulink搭建10kV電網SVG諧波補償仿真平臺，如下圖7所示。
圖7 simulink10kV電網SVG諧波補償仿真
SVG控制器采用采用C語言編寫，然后編譯成MEX文件，使用simulink里的S-Function模塊調用。SVG控制器左側為電網電壓、負載電流、SVG反饋電流，以及相關的定制參數輸入；simulink周期調用SVG諧波補償控制算法，計算的控制信號從右側輸出到SVG主電路。
圖8 S-Function模塊設置
負載采用三相不可控整流電路，整流電路輸入端連接三相電抗器，整流后接阻容負載。SVG控制器設置為只補償諧波模式，仿真開始1秒后，SVG解除閉鎖。下面分兩種系統參數進行仿真。
（1）參數1
供電系統和負載阻抗1:10。仿真波形如下圖9所示，從上到下分別為系統電壓、系統電流、負載電流、SVG電流。
圖9 阻抗比1:10仿真結果波形
補償前后諧波變化如下表3所示，補償后系統電壓、系統電流的諧波明顯減小，而負載電流諧波81.63%增加到85.09%。
表3 阻抗1:10諧波補償前饋諧波對比
（2）參數2
供電系統和負載阻抗1:1。仿真波形如下圖10所示，從上到下分別為系統電壓、系統電流、負載電流、SVG電流。
圖10 阻抗比1:1仿真結果波形
補償前后諧波變化如下表4所示，補償后系統電壓、系統電流的諧波明顯減小，而負載電流諧波增幅更加明顯，從81.63%增大到105.31%。
表4 阻抗1:1諧波補償前饋諧波對比
5 結束語
本文介紹了10kV級聯式SVG的無功補償和諧波補償的原理，在原有控制器的基礎上，通過改進控制算法即可實現諧波補償。在現場應該過程，發現有些現場在補償諧波時，雖然系統側的電流諧波和電壓諧波都在減小，但是負載側的電流諧波會明顯增加。針對現場應用過程發現的這個問題，進行了分析、建模、仿真。通過上述分析、仿真可以看出，供電系統的容量相對用電負載的容量越小，補償諧波時負載側的電流諧波增幅越大。另一方面，我們在制定諧波補償裝置的容量時，不能僅根據檢測的負載電流諧波進行容量設計，還需要考慮供電系統內阻抗和負載內阻抗的比例關系。
