发电厂配电系统无功补偿和有源滤波技术的研究及应用

发电厂配电系统无功补偿和有源滤波技术的研究及应用

张红东

（浙江铂瑞电力设计有限公司浙江杭州310012）

摘要：在发电厂配电系统中，存在大量的异步电动机、变压器、高低压变频器、UPS等非线性电力设备，该类非线性负载在消耗无功的同时也产生大量畸变的谐波电流。供电系统无功不足会引起电压下降，而谐波容易引起电力电缆、母线、电机和电容器过热、绝缘老化以及变压器温升升高等多种现象，这一系列的不良影响往往会降低设备的使用寿命，更严重者会损坏电器，引起事故跳闸，同时谐波也会引起继电保护和自动装置的误动作，电气测量仪表计量不准确，对整个电厂的正常生产运营带来隐患。作者根据多年工作经验，对发电厂配电系统无功补偿和有源滤波技术谈了一些作者自己的观点和看法，供大家参考和借鉴。

关键词：发电厂；配电系统；无功补偿；有源滤波技术；应用

1、引言

实际用电设备，不可能为纯电阻、纯容性或者纯感性负载，一般都是混合性负载，这样用电设备不但要从电源取得有功功率，同时还需要取得无功功率。如果电网中的无功功率供不应求，用电设备就没有足够的无功功率来建立正常的电磁场，那么这些用电设备就不能维持在额定情况下工作，用电设备的端电压就要下降，从而影响用电设备的正常运行，因而需要对无功功率进行补偿。

当正弦电压加压于非线性负载时，基波电流会发生畸变产生谐波。主要非线性负载有UPS、开关电源、整流器、变频器、逆变器等。国家标准《电能质量公用电网谐波》（GB/T14549-1993）对不同电压等级的供电系统中的各次谐波允许值做了相应规范，当电网谐波超过允许值时，应对谐波源进行治理。

2、电动机就地电容器无功补偿

正常用电负荷回路中，并联接入电容器组，通过投切电容器组，来实现对用电负荷的无功功率补偿。这种方式，因其具有价格便宜、易于安装、维护操作方便等优点，适用于容量比较大、负荷平稳但使用频繁的中压电动机负荷，如送风机、引风机、循环水泵、给水泵等大于500kW的中压电动机负荷。

但这种方式也存在缺点，因并联电容器的阻抗是固定的，它只能发出无功功率，不能吸收无功功率，也无法动态跟踪负荷无功功率的变化，因此使用上存在一定的局限性。

为了节能降耗目前火电厂各重要辅机均采用变频技术。一般来说，变频器本身有无功补偿的电容，因此功率因数较高，不需再做额外无功补偿，但往往采用电容加电抗的方式来过滤谐波。

3、低压SVC补偿

无功补偿器(StaticVarCompensator,SVC)补偿原理图见图1。一种并联连接的静止无功发生器或吸收器，通过对其感性或容性电流的调整，来维持或控制其与电网连接点的某种参数(典型情况为控制母线电压)。

图1晶闸管投切静止无功补偿回路组成

每个补偿回路包括熔断器、母线、晶闸管开关、滤波电抗器、补偿电容器等。补偿电容器通常采用角型接线，利用晶闸管的触发角控制来改变通过电抗器的电流进行投切电路，可以平滑调整电抗器吸收的基波无功功率。这种补偿装置能够根据低压母线段所带负荷无功功率的大小、及母线功率因数实际运行水平进行自动投切，属于动态补偿无功，且响应速度较快通常不小于20ms。性能上较传统的电容器就地补偿方式有了更好的改善。

低压SVC无功补偿装置可以有效过滤三相交流低压母线中的谐波负荷，对低压母线上所接的各类电动机进行集中无功功率补偿。低压SVC无功补偿装置可根据实际需要的补偿容量由若干补偿柜任意拼装组合，无功补偿实现较为灵活。

4、中压SVG无功补偿

SVG(StaticVarGenerator)静止无功发生器，原理图见图2，它不再采用大容量的电容、电感器件，而采用全控型电力电子器件IGBT组成的桥式变流器来进行动态无功补偿。基本原理是将自换相桥式电路通过电抗器直接并联在电网上，适当的调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值或直接控制其交流侧电流，使该电路吸收或发出满足要求的无功电流，从而实现动态无功补偿的目的，它属于智能电力电子无功补偿方式，能根据负荷的变化情况来进行无功调节。

装置中六个可关断晶闸管分别与六个二极管反向并联，适当控制晶闸管的通断，就可以把电容器上的直流电压转变为与系统电压同步的三相交流电压，装置的交流侧通过电抗器并联接入系统。重要的是，母线电压较低时，SVG仍可向系统输入较大的无功电流，即小容量的储能原件电容器，可以供给系统更大的无功容量。

成套装置基于链式串联结构、星型连接，采用高速可关断电力电子器件IGBT，响应速度极快，IGBT开断响应时间小于2μs，使SVG成套装置响应时间大大缩短。SVG可动态跟踪电网电能质量变化，并根据变化情况动态调节无功输出，动态响应时间不大于5ms，抑制电压波动与闪变能力更好。

图2SVG原理图

将SVG无功补偿成套装置设在10.5kV厂用母线段上，以10.5kV侧母线无功功率或10.5kV母线电压作为控制目标，可实现如下功能：

(1)功率因数补偿：在补偿容量足够的情况下，可将10.5kV母线进线点的功率因数值控制在≥0.95范围内。

(2)输出无功容量：成套装置以10.5kV侧母线无功功率、10.5kV侧母线电压作为控制目标，输出在额定感性容量到额定容性容量连续可调的无功功率。

(3)响应时间：装置可动态跟踪电网电压变化及负载变化，并根据变化情况动态调节无功输出，实现高功率因数运行。动态响应时间不大于10ms。

(4)谐波特性：SVG能同时实现动态无功补偿和动态滤波于一体，滤波效率高，采用先进控制理论和全数字控制方法，实时检测电网中负荷电流，快速分离出谐波电流分量，并根据谐波电流的大小产生控制指令，实时将大小相等、方向相反的补偿电流注入到电网中，可有效滤除13次以下谐波电流。

(5)运行效率：装置运行过程中，平均有功损耗不大于成套装置输出容量的0.8%。

5、有源滤波技术应用

有源滤波技术应用可以克服LC滤波器等传统的滤波器存在的谐波抑制和无功补偿方法的缺点（传统的只能固定数值补偿），实现动态的跟踪补偿，同时既可以抑制谐波又可以补无功。

三相电路瞬时无功功率理论是APF发展的主要基础理论，APF有并联型和串联型两种，前者用的较多；并联有源滤波器主要是治理电流谐波，串联有源滤波器主要是治理电压谐波等引起的问题。有源滤波器同无源滤波器比较，治理效果好，主要可以同时滤除多次及高次谐波，不会引起谐振，但是价位相对高。如图所示为有源滤波结构图。

图3有源滤波结构图

有源滤波器的主要作用是缓冲基波和谐波的能量，并按一定规律输入输出电压或电流，因此有源滤波器的主电路有四象限变流器其储能环节组成。按照有源电力滤波器的主电路形式分类，根据其直流侧储能元件的不同可分为电压型和电流型。

电压型变流器的储能环节采用电容器，直流侧电压经过闭环控制保持基本不变，可等效为一个可控电压源。它的控制方法是根据要求控制输出电压，使之与电源电压在输出端电抗器相减而得到所需要的补偿电流。电压型变流器具有电路结构简单、对半导体器件要求不高、能量损耗小、控制易于实现等优点。但它存在一个严重的缺点：由于直流侧为电容，一旦发生某个桥臂短路，就会造成直流贯通短路，所以电压型变流器可靠性相对较低，必须在软硬件上采取保护措施，即同一桥臂的上、下元件必需保持互锁关系，并有死区封锁时间。

电流型有源滤波器的变流器的储能环节是电感元件，经闭环控制保持直流侧电流基本不变，可等效为一个可控的电流源。它是将直流电流调制成一个脉冲列，再通过交流输出端上的交流滤波器解调成所要求的电流。其直流侧电流应与最：大补偿电流相匹配。由于电流型变流器直流侧的储能元件是电感，故在装置发生贯穿短路等故障时，有限制故障电流急剧增加的作用。

6、结束语

发电厂配电系统中，谐波问题和功率因素低等问题同时困扰着运维人员，严重影响着厂用电系统的稳定性和设备安全。无功补偿和有源滤波技术的应用，能提高配电系统功率因素，有效抑制了谐波，提高了供电质量，使各设备安全可靠运行，具有广泛的应用前景。

参考文献：

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[2]电力有源滤波及无功补偿装置的研究[J].朱东柏,刘骥,曹滨.电机与控制学报.2002(04)

[3]电力有源滤波及无功补偿技术[J].朱东柏,刘骥,崔勇,顾正纲.哈尔滨理工大学学报.2002(02)