后村變電站諧波治理及仿真驗證

程云祥，牟善仲，季金豹，孫婭菲，李文鋒

（1. 國網(wǎng)日照供電公司，山東 日照 276800；2. 中國電力科學(xué)研究院，北京 100192）

國家建設(shè)大力發(fā)展，不斷投入的冶金類工業(yè)負(fù)載，給電網(wǎng)注入了大量的諧波干擾，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的穩(wěn)定性。SVG是目前國際上最先進(jìn)的無功補(bǔ)償技術(shù)，拋開傳統(tǒng)大容量的電容、電感器件，通過大功率電力電子器件的高頻開關(guān)實現(xiàn)無功能量的變換[1-5]。此優(yōu)勢使其在無功補(bǔ)償、諧波治理、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面得到了廣泛的應(yīng)用[6-10]，尤其在樞紐變電站、新能源發(fā)電、工礦企業(yè)、電氣鐵路、港口等領(lǐng)域，更是備受親睞[11-13]。

山東省日照后村110 kV變電站主要為當(dāng)?shù)氐囊苯鸸I(yè)供電，大量工業(yè)負(fù)荷引起的諧波干擾，已經(jīng)致使該變電站的電能質(zhì)量嚴(yán)重超出國家標(biāo)準(zhǔn)。為了有效解決諧波干擾問題，利用PSCAD仿真軟件結(jié)合變電站實際參數(shù)，對系統(tǒng)進(jìn)行等效工況模擬[14-16]。針對系統(tǒng)的諧波工況，采用“無源+有源”的濾波方案，在變電站35 kV和10 kV側(cè)加裝濾波裝置。仿真對比系統(tǒng)在加裝補(bǔ)償裝置前后的電流、電壓和諧波含量，分析得出，山東日照后村110 kV變電站“無源+有源”的濾波方案可有效抑制電網(wǎng)的諧波，提高電網(wǎng)供電的電能質(zhì)量[17-21]。

1 現(xiàn)有濾波技術(shù)對比

伴隨電力電子技術(shù)的日益更新，電力系統(tǒng)諧波治理領(lǐng)域從第一代的機(jī)械式投切濾波電容器FC發(fā)展到第二代晶閘管投切TCR型SVC，直至第三代基于IGBT/IEGT電壓源逆變技術(shù)的SVG。3個時代產(chǎn)品的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對比如表1所示。

目前，在電網(wǎng)中，基于成本考慮，F(xiàn)C仍廣泛應(yīng)用于功能要求單一的諧波治理領(lǐng)域。伴隨電鐵、冶金行業(yè)迅猛發(fā)展，風(fēng)電等不穩(wěn)定新能源的并網(wǎng)，電網(wǎng)更傾向于使用SVC、SVG提供多功能無功補(bǔ)償。近幾年，由于電力電子器件成本下調(diào)致使SVG價格下降幅度較大。小容量無功補(bǔ)償（<20 MV·A）領(lǐng)域，SVG由于技術(shù)先進(jìn)，響應(yīng)速度快，占地面積小等優(yōu)勢正逐步替代SVC。大容量無功補(bǔ)償領(lǐng)域（>100 MV·A），將綜合場地工況、電網(wǎng)情況、工程預(yù)算等多方面考慮選擇SVC或SVG。

2 項目概況

日照供電局110 kV后村變電站是該地區(qū)冶金工業(yè)負(fù)荷供電的主要變電站，該站通過降壓至35 kV和10 kV后向用戶供電。其主要負(fù)荷接線如圖1所示。

圖1 110 kV后村變電站接線簡圖Fig. 1 Single-line diagram of the 110 kV Houcun Substation

該變電站現(xiàn)有2臺主變并列運行，容量均為40 000/40 000/40 000 kV·A，且10 kV母線各連接1組電容器，其中，1號電容器組為“1串13并”型式，單只電容器容量為100 kV·A；2號電容器組為“1串3并”型式，單只電容器容量為434 kV·A。

3 方案設(shè)計

3.1 變電站電能質(zhì)量分析

玉溪供電局110 kV后村變電站供電負(fù)荷主要是小冶煉廠和軋鋼廠。從往年山東電網(wǎng)電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果來看，110 kV日照變電站中、低壓側(cè)有大量的諧波電流注入電網(wǎng)，引起該站電能質(zhì)量各項指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)。為了確定供電負(fù)荷對該站電能質(zhì)量的影響，尤其是諧波電流和電壓的影響程度，測試組對該站1號、2號主變10 kV側(cè)、35 kV側(cè)、110 kV側(cè)及部分主要負(fù)荷線進(jìn)行了測試。測試數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。

表2 電能質(zhì)量測試數(shù)據(jù)匯總Tab. 2 Summary of power quality test data

1）110 kV后村變電站10 kV和35 kV供電負(fù)荷為冶煉和軋鋼等為主的非線性用戶，該類負(fù)荷產(chǎn)生大量的諧波電流，諧波電流向系統(tǒng)滲透引起10 kV、35 kV和110 kV母線諧波電壓總畸變率超標(biāo)。

2）110 kV后村變電站存在的諧波源主要是35 kV四納線、35 kV獅山線和10 kV I廠區(qū)線等。其產(chǎn)生的諧波電流均以特征諧波電流5、7、11、13、17、19次為主。

3.2 方案設(shè)計

通過表1可以看出，35 kV側(cè)主要會產(chǎn)生5次、7次、11次及以上的諧波電流。因此，考慮采用無源濾波裝置（FC）的方案進(jìn)行諧波治理。根據(jù)實際系統(tǒng)用戶的要求，濾波器設(shè)計為5次單調(diào)諧濾波通道，主要對5次諧波進(jìn)行濾波治理，濾波器的安裝容量為14.4 MV·A，其基波補(bǔ)償容量為8.249 MV·A，安裝地點為35 kV 1號母線，如圖1所示。圖2顯示35 kV濾波器安裝后對系統(tǒng)5次、7次和11次諧波都不會放大。10 kV側(cè)采用“有源+無源”的諧波治理方案，選取SVG濾除部分5次、7次諧波，F(xiàn)C濾波支路抑制11次以上諧波電流，濾波器的安裝容量為4.2 MV·A，其基波補(bǔ)償容量為3.242 MV·A，安裝于10 kV 1號母線。濾波裝置對諧波的放大情況如圖3所示。

圖2 35 kV濾波器對諧波的放大曲線Fig. 2 Harmonic amplification curve by 35 kV filter

圖3 10 kV濾波器對諧波的放大曲線Fig. 3 Harmonic amplification curve by 10 kV filter

可見，該濾波器的安裝對5次、7次諧波都有所放大，7次諧波放大9倍，濾波電流遠(yuǎn)超出限制，無法有效濾波。因此，考慮采用SVG有源濾波方式抑制5次和7次諧波?？紤]到無源濾波器的無功到送問題，且FC額定狀態(tài)下3 MV·A輸出，設(shè)計SVG容量±6 MV·A。

4 PSCAD仿真驗證

4.1 日照110 kV后村變電站系統(tǒng)等效模型

對110 kV母線以上系統(tǒng)等效為單機(jī)無窮大模型，根據(jù)實際系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行等值簡化，具體模型參數(shù)如表3所示。

表3 變電站等效模型參數(shù)Tab. 3 Equivalent model parameters of the substation

根據(jù)表3參數(shù)，搭建系統(tǒng)仿真模型，如圖4所示。

4.2 SVG模型

±6 MV·A SVG主電路部分采用鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，以IGBT大功率全控器件構(gòu)成的電壓源逆變器為核心，每一相都是由6組結(jié)構(gòu)完全相同的鏈節(jié)串聯(lián)而成，每個鏈節(jié)是一個可輸出三電平的單相逆變器，6個鏈節(jié)串聯(lián)就能得到包括（2×6+1=13）級的階梯電壓波形[19-21]。

4.3 仿真實驗

4.3.1 10 kV側(cè)濾波裝置及SVG安裝前后的系統(tǒng)仿真

根據(jù)表1電能質(zhì)量測試報告中的諧波電流進(jìn)行PSCAD仿真，可以得到接入裝置前系統(tǒng)10 kV側(cè)電流和FFT仿真曲線，如圖5所示。

從圖5（b）可以很清晰地看到，接入SVG后系統(tǒng)電壓和電流的曲線近似平滑，雖然還存在少量諧波電流，但是各次諧波的值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于允許限制。

4.3.2 35 kV側(cè)濾波裝置接入前后的系統(tǒng)仿真

針對35 kV側(cè)系統(tǒng)母聯(lián)分的工況，根據(jù)表1中的諧波電流參數(shù)進(jìn)行PSCAD仿真等效模擬，對比35 kV側(cè)接入濾波裝置、10 kV側(cè)加裝濾波裝置和SVG裝置前后，觀察系統(tǒng)35 kV側(cè)母線電流，并對其進(jìn)行FFT以分析濾波治理后對35 kV側(cè)的影響，如圖6所示。

從圖6可以看出，35 kV側(cè)接入濾波裝置之后電流諧波仍然以5次為主，大小約為19.96 A（見圖6（b））。表明10 kV側(cè)未加入濾波裝置的情況下，10 kV側(cè)諧波電流滲透到系統(tǒng)35 kV側(cè)。而當(dāng)10 kV側(cè)加裝濾波器和SVG后5次諧波被抑制，系統(tǒng)電流曲線趨于平滑（見圖6（c））。

圖4 系統(tǒng)主接線仿真示意圖Fig. 4 PSCAD model for power grid

圖5 10 kV側(cè)單相電流波形及FFT分析Fig. 5 Single phase current waveform and FFT analysis at the 10 kV side

針對35 kV側(cè)系統(tǒng)母聯(lián)合的工況，系統(tǒng)35 kV接入濾波器后諧波電流仍然以5次為主，大小約為20.16 A，與母聯(lián)分時的諧波大小相近，也就是說35 kV側(cè)的諧波電流已經(jīng)基本濾除，所測諧波電流均為從未安裝濾波裝置的10 kV側(cè)滲透。但是10 kV側(cè)加裝濾波裝置和SVG后，5次諧波也得到了有效治理。見圖7。

4.3.3 負(fù)荷側(cè)在系統(tǒng)接入濾波裝置及SVG前后的仿真

負(fù)荷側(cè)電流仿真曲線如圖8所示。通過在同一坐標(biāo)系下對系統(tǒng)電流、負(fù)載側(cè)諧波電流和SVG補(bǔ)償電流的對比，可以看出SVG發(fā)出的濾波電流很好地補(bǔ)償了負(fù)載側(cè)的諧波電流，使系統(tǒng)側(cè)電流接近于正弦波形。

5 結(jié)論

1）采用無源+有源的濾波方案后，系統(tǒng)各側(cè)輸出電流波形質(zhì)量好，諧波治理效果明顯，提高了系統(tǒng)的運行可靠性和電能質(zhì)量。

圖6 35 kV側(cè)單相電流波形及FFT分析（母聯(lián)分）Fig. 6 Single phase current waveform and FFT analysis at the 35 kV side（with busbar connection broken）

圖7 35 kV側(cè)單相電流波形及FFT分析（母聯(lián)合）Fig. 7 Single phase current waveform and FFT analysis at the 35 kV side（with busbar connection closed）

2）基于PSCAD仿真軟件平臺的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)SVG模型準(zhǔn)確有效，能夠較為清晰的模擬實際SVG在各種工況下的運行特性。

圖8 負(fù)載電流/濾波電流/系統(tǒng)電流圖Fig. 8 Load current/filter current/system current curve

3）SVG裝置的換流鏈采用模塊化結(jié)構(gòu)，由N個結(jié)構(gòu)完全相同的功率單元模塊組成；基于冗余考慮，采用N+1結(jié)構(gòu)，一旦某個功率模塊發(fā)生故障，通過更換故障模塊即可修復(fù)裝置。

4）該項目現(xiàn)已完成現(xiàn)場試驗并于2013年6月底順利投運。PSCAD仿真實驗為裝置的順利并網(wǎng)提供了可靠的技術(shù)驗證，也為未來輸電領(lǐng)域大功率大容量SVG裝置的濾波功能設(shè)計提供了可靠的經(jīng)驗積累。

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