高壓并聯(lián)式混合型10kV電網(wǎng)高次諧波有源濾波裝置的主要特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方案

介紹了我國(guó)首次自主研制并投入工業(yè)運(yùn)行的第一套高壓并聯(lián)式混合型10kV電網(wǎng)高次諧波有源濾波裝置的主要特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方案，以及工業(yè)運(yùn)行的效果。該裝置是一種并聯(lián)式有源濾波和無(wú)源濾波相結(jié)合的混合型成套裝置。文中詳細(xì)介紹了該裝置的大容量有源濾波器的主回路設(shè)計(jì)、功率開(kāi)關(guān)器件的選用、諧波電流檢測(cè)及補(bǔ)償信號(hào)控制的數(shù)字模擬混合技術(shù)、濾波裝置的并聯(lián)運(yùn)行仿真及實(shí)際工業(yè)運(yùn)行效果等方面。該裝置的鑒定測(cè)量結(jié)果為：實(shí)測(cè)補(bǔ)償容量達(dá)508.1kVA以上，超過(guò)設(shè)計(jì)值480kVA;空投損耗為額定補(bǔ)償容量的0.12%；動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于0.3ms；投運(yùn)后的母線電壓畸變率為1.3%～1.5%,比原來(lái)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(guān)鍵詞： 高壓；并聯(lián)式；高次諧波；有源濾波器；混合型；無(wú)功補(bǔ)償；電鐵牽引站 

0 引言

　　電鐵機(jī)車(chē)、軋機(jī)、電弧爐及電力電子設(shè)備等非線性負(fù)荷運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)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(diǎn)，采用現(xiàn)有的固定容量的補(bǔ)償裝置，不能滿足這類(lèi)電力負(fù)荷安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求。為了治理諧波和提高功率因數(shù)，多年來(lái)，許多國(guó)家都先后研制了多種形式的靜止無(wú)功補(bǔ)償和消諧裝置，以完成不同類(lèi)型的無(wú)功補(bǔ)償和治理諧波的任務(wù)。

　　（1） 采用晶閘管（SCR）元件的靜止無(wú)功補(bǔ)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(gòu)成。該裝置的優(yōu)點(diǎn)是在三相系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)，可以用來(lái)補(bǔ)償三相電壓的不平衡，對(duì)無(wú)功輸出能連續(xù)可調(diào)。其缺點(diǎn)是TCR在運(yùn)行中的無(wú)功輸出是通過(guò)調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角來(lái)實(shí)現(xiàn)的，TCR會(huì)產(chǎn)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(yīng)地增加，從而使正常運(yùn)行的損耗也大大增加。若把TCR用于電鐵牽引站的單相補(bǔ)償，其優(yōu)點(diǎn)得不到展示反而缺點(diǎn)比較顯著。

　?。?） 采用高速可關(guān)斷晶閘管（GTO）的靜態(tài)無(wú)功發(fā)生器（SVG）和交流濾波器并聯(lián)。這種SVG能連續(xù)可調(diào)輸出進(jìn)相或滯后的無(wú)功，從而使系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，三相平衡，且基本不產(chǎn)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(shè)施可減少。目前國(guó)內(nèi)已能制造大容量的SVG工業(yè)樣機(jī)，但投資較大，其運(yùn)行特性有待于進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和進(jìn)行工程實(shí)踐。

　?。?） 采用有源高次諧波濾波器和無(wú)源濾波器組混合并聯(lián)運(yùn)行，無(wú)源濾波器組的作用是提供必需的進(jìn)相基波無(wú)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(wú)功，只補(bǔ)償需要的各次諧波電流。對(duì)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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(duì)系統(tǒng)阻抗沒(méi)有影響，能自行適應(yīng)被補(bǔ)償線路所需補(bǔ)償?shù)闹C波電流的需要，不存在過(guò)補(bǔ)償和過(guò)負(fù)荷的問(wèn)題；同時(shí)，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(wǎng)高次諧波的措施是采用LC型的無(wú)源濾波器。LC型濾波器與諧波源并聯(lián)運(yùn)行，除了起濾去高次諧波的作用外，還可兼顧系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)男枰?，輸出相?dāng)數(shù)額的基波容性無(wú)功。LC型濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，維護(hù)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(wú)源濾波器所存在的問(wèn)題。有源濾波器與無(wú)源濾波器的最大區(qū)別在于，它是一種向交流電網(wǎng)注入補(bǔ)償諧波電流，以抵消負(fù)荷所產(chǎn)生的諧波電流的主動(dòng)式濾波裝置，其結(jié)構(gòu)上由靜態(tài)功率變流器構(gòu)成，具有半導(dǎo)體功率變流器的高可控性和快速響應(yīng)性。

1 研制慨況

　　針對(duì)電氣化鐵道諧波的特征，華北電力科學(xué)院1997年提出了鐵路牽引站諧波治理工程采用有源和無(wú)源濾波器混合并行的方案。因已有的濾波補(bǔ)償裝置在治理電氣化鐵道、大型軋機(jī)和感應(yīng)爐等負(fù)荷的諧波和波動(dòng)時(shí)，在技術(shù)性能上存在不少缺點(diǎn)，滿足不了現(xiàn)代工業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)對(duì)電能質(zhì)量的要求。因此，研制直掛高壓系統(tǒng)的電網(wǎng)高次諧波有源濾波裝置很有必要。華北電力科學(xué)研究院于1999年6月開(kāi)始研制這種裝置，并于2003年8月26日全套裝置一次投運(yùn)成功。該補(bǔ)償裝置的投運(yùn)，有效地濾去了非線性負(fù)荷所產(chǎn)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(wú)源濾波器支路同時(shí)還補(bǔ)償了系統(tǒng)所需的無(wú)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(yùn)行以來(lái)，一直穩(wěn)定可靠，補(bǔ)償效果顯著。

　　該項(xiàng)目利用了電力系統(tǒng)分析方法和信息處理技術(shù)進(jìn)行裝置的總體設(shè)計(jì)；有源濾波器主回路采用三相獨(dú)立橋結(jié)構(gòu)；信息處理采用高速數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和工業(yè)控制機(jī)相結(jié)合的數(shù)?；旌峡刂萍夹g(shù)；數(shù)據(jù)采樣測(cè)量和處理環(huán)節(jié)采用首創(chuàng)的預(yù)整形同步采樣技術(shù);大功率絕緣柵雙極晶體管(IGBT)元件采用軟關(guān)斷技術(shù)和主回路緩沖放電技術(shù);高壓有源濾波器和無(wú)源濾波器并聯(lián)運(yùn)行采用仿真和混合技術(shù)；高壓并聯(lián)式混合型有源濾波器采用電磁兼容性設(shè)計(jì)及其數(shù)字仿真技術(shù)等，保證了整套裝置的技術(shù)指標(biāo)的先進(jìn)性和補(bǔ)償功能的穩(wěn)定可靠。

2 混合型補(bǔ)償裝置的類(lèi)型


　　并聯(lián)式有源濾波器當(dāng)功率容量足夠大時(shí)，不僅可以快速地補(bǔ)償諧波，而且也可用于補(bǔ)償無(wú)功、三相不平衡以及電壓的波動(dòng)和閃變。有源濾波器雖在技術(shù)性能上相對(duì)于無(wú)源濾波器來(lái)說(shuō)具有許多優(yōu)點(diǎn)，但是由于它本身是一種高技術(shù)、多學(xué)科的產(chǎn)品，要達(dá)到同容量的無(wú)功補(bǔ)償和諧波濾波，初期制造費(fèi)用比無(wú)源濾波器要高得多。解決的辦法是采用有源濾波器和無(wú)源濾波器相結(jié)合的混合型裝置，這樣能夠有效地降低初期的投資費(fèi)用，并提高濾波補(bǔ)償?shù)男??；旌闲脱a(bǔ)償裝置有無(wú)源濾波器與并聯(lián)式有源濾波器混合與無(wú)源濾波器與串聯(lián)式有源濾波器復(fù)（混）合2種類(lèi)型。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 混合型補(bǔ)償裝置電路結(jié)構(gòu)

　　在并聯(lián)式混合型補(bǔ)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(diào)制(PWM)逆變器，有源濾波器的作用主要是產(chǎn)生補(bǔ)償諧波電流的電流IC，無(wú)源濾波器主要用于補(bǔ)償無(wú)功，并兼顧補(bǔ)償某指定次數(shù)的諧波。這樣安排的優(yōu)點(diǎn)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(yīng)用。在串聯(lián)式復(fù)（混）合型補(bǔ)償裝置中，有源濾波器的作用是產(chǎn)生補(bǔ)償諧波電壓的電壓UC，使電源側(cè)與非線性負(fù)荷之間實(shí)現(xiàn)諧波隔離。其優(yōu)點(diǎn)是可大大減小串聯(lián)式有源濾波器的容量，無(wú)源濾波器既可補(bǔ)償無(wú)功又可補(bǔ)償諧波。其缺陷是應(yīng)用于高電壓等級(jí)的串聯(lián)式有源濾波器的安全隔離和保護(hù)，目前在技術(shù)方面仍存在一些困難，因而只能應(yīng)用于一些低電壓和小容量的場(chǎng)合［1］。因此本課題選用了適合于高電壓等級(jí)大容量場(chǎng)合的并聯(lián)式混合型有源濾波器裝置的研制。

3 總體設(shè)計(jì)方案的考慮

　　該項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容主要有2點(diǎn)：①高電壓(10kV級(jí))、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(dòng)態(tài)特性研究，應(yīng)用智能控制技術(shù)提高有源濾波器的自適應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)補(bǔ)償。②并聯(lián)式混合型有源濾波器濾波技術(shù)的研究，包括無(wú)源濾波器和有源濾波器的復(fù)合連接技術(shù)及動(dòng)態(tài)特性的研究。主要解決的關(guān)鍵問(wèn)題為高電壓、大容量電力有源濾波器的變流技術(shù)和諧波電流注入技術(shù)；有源濾波器和無(wú)源濾波器混合并聯(lián)技術(shù)與智能控制技術(shù)。

3.1 主回路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　高電壓有源濾波器主回路一般有高—高直接高壓結(jié)構(gòu)和高—低變壓結(jié)構(gòu)2種。

　　高—低變壓結(jié)構(gòu)的主電路，是使用降壓的注入變壓器，將10kV高電壓經(jīng)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(shù)實(shí)現(xiàn)高電壓大功率的輸出。這種結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點(diǎn)是有效解決了大功率開(kāi)關(guān)器件的成本問(wèn)題，因?yàn)樵诘碗妷合逻M(jìn)行調(diào)制逆變，可以采用價(jià)格低廉的電力電子器件，同時(shí)可以降低dU/dt，有效降低裝置的開(kāi)關(guān)損耗。本課題采用的這種高—低變壓結(jié)構(gòu)的主電路，如圖2所示。這種結(jié)構(gòu)可以方便地從三相10kV拓展到單相27.5kV的電壓等級(jí)，為電鐵牽引站的諧波治理工程提供高效的補(bǔ)償裝置。

圖2 高低變壓結(jié)構(gòu)主電路圖[!--empirenews.page--]
3.2 功率開(kāi)關(guān)器件

　　功率開(kāi)關(guān)器件應(yīng)具有如下特點(diǎn)：①在阻斷狀態(tài)下能承受高壓。②在導(dǎo)通狀態(tài)下具有高的電流密度和低的導(dǎo)通壓降。③具有足夠短的導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間，并能承受高的di/dt和dU/dt。IGBT既具有大功率場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）的輸入阻抗高、開(kāi)關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)，又具有大功率晶體管（GTR）耐壓高、流過(guò)電流大的優(yōu)點(diǎn)；其柵極為電壓驅(qū)動(dòng)，所需驅(qū)動(dòng)功率小，開(kāi)關(guān)損耗小，工作頻率高，是目前應(yīng)用于有源電力濾波器主回路的比較理想的大功率開(kāi)關(guān)器件。目前的應(yīng)用水平已達(dá)到3.3kV/1.2kA。更重要的是，IGBT已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；I(yè)大批量生產(chǎn)，其售價(jià)已與GTR差不多，這為大批量的應(yīng)用提供了充足的來(lái)源。IGBT的主要缺點(diǎn)是高壓內(nèi)阻大，通態(tài)壓降大，因而導(dǎo)通損耗較大。為此要選擇合適的工作電壓，以降低導(dǎo)通損耗。因此經(jīng)權(quán)衡，本課題選用IGBT為主回路的開(kāi)關(guān)元件。

3.3 IGBT的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

　　IGBT工作狀態(tài)的好壞很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)電路性能的優(yōu)劣。驅(qū)動(dòng)電路往往也是大容量PWM技術(shù)的關(guān)鍵。本課題采用雙通道帶互鎖的驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)，非常適合于橋臂連接IGBT的驅(qū)動(dòng)。電路中設(shè)置的軟關(guān)斷功能可以自動(dòng)地增加IGBT的關(guān)斷時(shí)間，并同時(shí)可減少直流母線電壓的過(guò)沖量。驅(qū)動(dòng)電路初級(jí)和次級(jí)之間采取鐵氧體變壓器進(jìn)行隔離，因而對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的要求不用獨(dú)立隔離，而可與控制電路共同使用一個(gè)電源，簡(jiǎn)化了電源的設(shè)置。驅(qū)動(dòng)電路中設(shè)置了一互鎖電路，以防半橋的2個(gè)IGBT元件的同時(shí)導(dǎo)通，通過(guò)調(diào)節(jié)接入的附加電阻，可以方便地調(diào)節(jié)其死區(qū)時(shí)間。驅(qū)動(dòng)電路中還設(shè)有錯(cuò)誤信號(hào)存儲(chǔ)單元，如果有一個(gè)IGBT元件發(fā)生短路，或者驅(qū)動(dòng)電源低于額定值，便可通過(guò)錯(cuò)誤信號(hào)存儲(chǔ)單元把此信號(hào)送到外部控制電路，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的保護(hù)動(dòng)作。

　　電路布線寄生的雜散電感是所有大電流開(kāi)關(guān)電源中的關(guān)鍵問(wèn)題。快速的關(guān)斷過(guò)程，會(huì)引起與所儲(chǔ)能量和開(kāi)關(guān)速度成比例的過(guò)電壓沖擊。為了防止過(guò)電壓的損害，需要選擇冗余量較大的器件，但會(huì)增加整機(jī)成本；高的開(kāi)關(guān)電壓也會(huì)增加系統(tǒng)損耗，降低整機(jī)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(gè)電路的有效回路面積，如采用分層布線結(jié)構(gòu)?？稍黾?xùn)艠O串聯(lián)電阻Rg來(lái)抑制dU/dt；降低開(kāi)關(guān)速度，可顯著降低過(guò)電壓尖峰，但增加了開(kāi)關(guān)損耗。實(shí)現(xiàn)的方法是在斷開(kāi)IGBT時(shí)以接近0Ω的門(mén)極阻抗釋放門(mén)極電荷，直到Uce達(dá)到主回路電壓值時(shí)，再將門(mén)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(dān)著把大功率的諧波電流低損耗和無(wú)相移地注入10kV線路，以達(dá)到在10kV級(jí)的公共連接點(diǎn)處補(bǔ)償非線性負(fù)荷所產(chǎn)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(jié)構(gòu)及繞制工藝上都應(yīng)采用相應(yīng)的措施。

3.5 諧波電流檢測(cè)及補(bǔ)償信號(hào)控制的數(shù)字模擬混合技術(shù)

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

　　采用瞬時(shí)無(wú)功功率p－Q法及其演化改進(jìn)的各種算法，只能用于生成補(bǔ)償基波無(wú)功與所有各次諧波電流的指令信號(hào)；同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換d－Q法及基于改進(jìn)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(bǔ)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(wú)源濾波器的混合型結(jié)構(gòu)環(huán)境中，要求可以有選擇性地補(bǔ)償指定次數(shù)或指定若干次諧波需要補(bǔ)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(bǔ)償能力，同時(shí)也使無(wú)源濾波器對(duì)某特定次數(shù)的諧波電流不會(huì)產(chǎn)生過(guò)負(fù)荷或諧波放大等［2］。

　　通過(guò)檢測(cè)非線性負(fù)荷端的諧波電流，經(jīng)過(guò)運(yùn)算后得到諧波電流補(bǔ)償指令信號(hào)，控制有源濾波器主回路產(chǎn)生與負(fù)荷諧波電流大小相等、方向相反的電流，以補(bǔ)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(lái)價(jià)格又不斷下降，因此采用全數(shù)字化的采樣、分析、運(yùn)算來(lái)生成有源電力濾波器的補(bǔ)償指令信號(hào)，已不成問(wèn)題。

　　采用高速DSP（TMS320F2407A）來(lái)完成快速多通道A/D轉(zhuǎn)換，通過(guò)FFT等數(shù)字式加模擬式計(jì)算，可得到與補(bǔ)償電流相對(duì)應(yīng)的PWM信號(hào)，用以驅(qū)動(dòng)主回路的開(kāi)關(guān)器件。測(cè)量控制器采用高速DSP和工業(yè)控制機(jī)相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中DSP用于數(shù)據(jù)采集、補(bǔ)償量計(jì)算分析和構(gòu)成；工業(yè)控制機(jī)（MIC－2000）用于調(diào)節(jié)、控制、通信和保護(hù)。這種數(shù)字—模擬式測(cè)量控制器與全數(shù)字式控制器相比具有測(cè)量準(zhǔn)確、調(diào)節(jié)靈敏、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。負(fù)荷電流的檢測(cè)和分析采用數(shù)字方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以保證系統(tǒng)的檢測(cè)分析精確度和穩(wěn)定性。補(bǔ)償電流指令生成采用模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償電流跟蹤的快速響應(yīng)，較好地消除各開(kāi)關(guān)模塊之間的環(huán)流。

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

　　預(yù)整形同步采樣技術(shù)可嚴(yán)格保證諧波測(cè)量檢測(cè)的高準(zhǔn)確度，保證輸出補(bǔ)償信號(hào)與系統(tǒng)電壓嚴(yán)格同步，從而保證了有源濾波器補(bǔ)償電流的快速響應(yīng)和準(zhǔn)確性。

　　采用鎖相環(huán)路來(lái)控制采樣脈沖的定時(shí)和速率，是一種比較實(shí)用的同步采樣方法。為了消除畸變波形對(duì)同步采樣電路工作的影響，可以在同步信號(hào)進(jìn)入鎖相環(huán)路之前采用預(yù)整形的措施，以保證在鎖相環(huán)路中進(jìn)行比較時(shí)有較高的定時(shí)精度。采用預(yù)整形同步采樣技術(shù)來(lái)減少同步采樣中的同步誤差，可以簡(jiǎn)便地消除積分均值運(yùn)算中的截?cái)嗾`差或FFT處理的泄漏效應(yīng)所造成的誤差。它尤其適合于對(duì)任何非正弦波形的周期信號(hào)的測(cè)量和實(shí)時(shí)處理。其特點(diǎn)是同步源信號(hào)的幅度變化允許范圍寬，高準(zhǔn)確度的定時(shí)和同步性能不受信號(hào)波形畸變的影響，多種同步信號(hào)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(yùn)行和調(diào)試程序2大部分。運(yùn)行程序是軟件的主體部分，裝置的大部分功能是由運(yùn)行程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。為便于程序的開(kāi)發(fā)和管理，軟件采用模塊化方式設(shè)計(jì)。調(diào)試程序主要實(shí)現(xiàn)軟件及硬件主要功能模塊的性能調(diào)試和整定值的寫(xiě)入與修改［4］。

3.8 有源濾波器設(shè)計(jì)過(guò)程的電磁兼容性管理

　　高壓并聯(lián)式有源濾波器自身結(jié)構(gòu)由交流和直流電力系統(tǒng)、測(cè)量、運(yùn)算和控制等弱電（電子）系統(tǒng)構(gòu)成。為避免電子系統(tǒng)受到各種干擾，在設(shè)計(jì)研制過(guò)程中，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的電磁測(cè)量和分析，以便對(duì)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(gòu)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(shè)備)來(lái)進(jìn)行的。其管理的內(nèi)容包括：①電磁干擾產(chǎn)生的機(jī)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(dǎo)），如何切斷電磁干擾的傳輸途徑。③敏感設(shè)備對(duì)電磁騷擾產(chǎn)生何種影響，如何提高敏感設(shè)備的抗干擾能力。高壓并聯(lián)式有源濾波器在運(yùn)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(dǎo)通和截?cái)嗟龋紩?huì)產(chǎn)生不同形式和不同途徑的電磁干擾，而測(cè)控電子電路回路對(duì)這類(lèi)干擾的呈現(xiàn)最敏感。因此，應(yīng)根據(jù)有關(guān)電磁兼容性的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，合理有效地解決這三要素的問(wèn)題。
 

4 濾波補(bǔ)償裝置的仿真運(yùn)行

　　使用電磁暫態(tài)程序（Electro?Magnetic Transients Program，EMTP）和PSpice進(jìn)行數(shù)模信號(hào)混合仿真，可以評(píng)價(jià)有源電力濾波器的效率和控制系統(tǒng)的功能。在未進(jìn)行物理試驗(yàn)的情況下，采用軟件，可以對(duì)有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)［5］。采用CHP諧波潮流計(jì)算程序，可以進(jìn)行10kV并聯(lián)式混合型有源濾波器裝置仿真運(yùn)行和安全校核，優(yōu)化參數(shù)和結(jié)構(gòu)。

　　分別按照3種不同的安裝位置和控制方法來(lái)分析有源濾波器和無(wú)源濾波器混合結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償效果。對(duì)于每一種結(jié)構(gòu)，僅在諧波濾波效果和串、并聯(lián)諧振抑制方面進(jìn)行分析。仿真結(jié)果表明,使用有源和無(wú)源濾波器相結(jié)合的諧波補(bǔ)償裝置的優(yōu)點(diǎn)為：①能有效地補(bǔ)償負(fù)荷在運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)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(chǎn)生的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振。

　　通過(guò)分析3種有源和無(wú)源濾波器不同的組合結(jié)構(gòu)形式，其仿真結(jié)果表明，總諧波電流補(bǔ)償法和總電流反饋補(bǔ)償法都具有良好的諧波補(bǔ)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(huì)引起在有源濾波器和無(wú)源濾波器之間的電流振蕩，這種現(xiàn)象在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意解決。

　　仿真結(jié)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(duì)于負(fù)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(yù)想的補(bǔ)償效果。否則會(huì)因?yàn)樽⑷胱儔浩饕鸬难a(bǔ)償電流的相移而損壞了補(bǔ)償效果，導(dǎo)致諧波電流的增加。   
 

5 裝置的特性和工業(yè)運(yùn)行效果
 

　　該套補(bǔ)償裝置安裝在某工業(yè)區(qū)的一35kV變電站。由上級(jí)110kV變電站提供35kV線路主供電。該變電站裝有2臺(tái)分列運(yùn)行的SZ9－8000/35主變壓器。根據(jù)當(dāng)?shù)毓╇娋值拈L(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，變電站10kV母線電壓總畸變率經(jīng)常超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T
14945—1993中規(guī)定的諧波電壓限值（4%），有時(shí)甚至達(dá)到5%～7%。該變電站的非線性負(fù)荷主要是一些鋼管廠的直流軋機(jī)和高頻感應(yīng)加熱爐。直流軋機(jī)和高頻感應(yīng)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(wú)功補(bǔ)償方案

　　設(shè)計(jì)無(wú)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(bǔ)償所需的基波無(wú)功。同時(shí)并聯(lián)高壓有源濾波器BHY480/10 1臺(tái)，用于濾除其他各次諧波電流，而且不輸出基波無(wú)功，以免無(wú)功過(guò)補(bǔ)。

5.2 裝置性能的測(cè)量結(jié)果和工業(yè)投用效果

　　鑒定委員會(huì)專(zhuān)家測(cè)試組對(duì)該套裝置進(jìn)行特性測(cè)量的結(jié)果如下：①有源濾波裝置三相輸出補(bǔ)償容量設(shè)計(jì)值為480kVA，實(shí)測(cè)的輸出補(bǔ)償容量達(dá)到508.1kVA以上。②有源濾波裝置空投時(shí)的空投損耗為563.8W，為額定補(bǔ)償容量的0.12%。③有源濾波裝置具有快速反應(yīng)跟蹤補(bǔ)償特性，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于0.3ms。④變電站5號(hào)10kV母線電壓總畸變率在該套濾波補(bǔ)償裝置投運(yùn)前的測(cè)量值為4.9%～5.9%；在該套裝置投入運(yùn)行后的測(cè)量值為1.3%～1.5%。由此可見(jiàn)，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(fù)荷諧波電流的總補(bǔ)償率為76.4%。⑥裝置投運(yùn)后系統(tǒng)的功率因數(shù)從0.75上升到0.93以上。

　　補(bǔ)償裝置投運(yùn)前后10kV側(cè)線路電流的頻譜分析見(jiàn)圖3。補(bǔ)償裝置投運(yùn)前后10kV側(cè)母線電壓的諧波總畸變率變化曲線見(jiàn)圖4。

    
 

圖3 補(bǔ)償裝置投運(yùn)前后10kV側(cè)線路電流的頻譜分析

 

圖4 補(bǔ)償裝置投運(yùn)前后10kV側(cè)母線電壓的諧波總畸變率變化

6 結(jié)論

　　高壓并聯(lián)式混合型電網(wǎng)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(bǔ)償裝置。無(wú)源濾波設(shè)備有濾除諧波的功能和兼顧系統(tǒng)所需的無(wú)功補(bǔ)償，有源濾波設(shè)備對(duì)系統(tǒng)的高次諧波進(jìn)行有源補(bǔ)償，具有高度的自適應(yīng)性，同時(shí)可以抑制因系統(tǒng)參數(shù)改變而產(chǎn)生的并聯(lián)或串聯(lián)諧振，還可以防止無(wú)功過(guò)補(bǔ)償?shù)龋乾F(xiàn)代企業(yè)中對(duì)含有各種換流裝置的非線性負(fù)荷進(jìn)行電力諧波治理和合理補(bǔ)償無(wú)功的設(shè)備。

　　國(guó)家電網(wǎng)公司于2004年12月在北京召開(kāi)了該項(xiàng)目的科技成果鑒定會(huì)。鑒定意見(jiàn)認(rèn)為，該裝置是我國(guó)首次自主研制并投入工業(yè)運(yùn)行的第一套10kV大容量電網(wǎng)高次諧波有源濾波裝置，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)10kV直掛電網(wǎng)的高次諧波有源濾波裝置（GAPF）的空白，其主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了當(dāng)前國(guó)際先進(jìn)水平，具有廣闊的應(yīng)用前景?？梢苑奖愕貜娜?0kV拓展到單相27.5kV的電壓等級(jí)，為電鐵牽引站的諧波治理工程提供高效的補(bǔ)償裝置。