電能質(zhì)量綜合治理裝置研究及應(yīng)用

孫棟梁

摘 要：文章針對(duì)電能質(zhì)量治理裝置進(jìn)行研究，該裝置主要由電能質(zhì)量綜合控制儀、靜止無功發(fā)生器（SVG）和智能電容器組成，通過系統(tǒng)側(cè)電流互感器采樣，接入到綜合控制儀和SVG中，對(duì)電力參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算后，控制SVG和智能電容器進(jìn)行針對(duì)性補(bǔ)償，既發(fā)揮SVG連續(xù)性動(dòng)態(tài)補(bǔ)償功能，又發(fā)揮智能電容器的階梯性補(bǔ)償功能，使SVG達(dá)到治理諧波、補(bǔ)償感性無功功率和補(bǔ)償少部分容性無功功率，智能電容器補(bǔ)償大部分容性無功功率的功能。

關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量;SVG;智能電容器;電能質(zhì)量綜合控制儀;電能質(zhì)量綜合治理裝置

中圖分類號(hào)：TM714 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1064（2021）04-007-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.04.004

隨著當(dāng)今社會(huì)電氣化水平的加速提升，從供電側(cè)到用電側(cè)都開始對(duì)現(xiàn)有的電力設(shè)備提出更高的需求。特別是在用電端，隨著國(guó)內(nèi)的技術(shù)革新向著高精尖的目標(biāo)邁進(jìn)，更加復(fù)雜多樣、用電要求高的用電設(shè)備層出不窮[1]，因此用電負(fù)載的用電要求也不僅僅局限于無功補(bǔ)償和諧波治理，還包含了其他電能質(zhì)量，主要有諧波、頻率變化、電壓閃變、涌流、三相不平衡等。因此，作為低壓配電系統(tǒng)中的電能質(zhì)量治理方向上，也要求更加系統(tǒng)化。

在目前低壓的電能質(zhì)量治理領(lǐng)域，最先進(jìn)的治理裝置為靜止無功發(fā)生器和有源電力濾波器。近年來，能同時(shí)進(jìn)行無功補(bǔ)償和諧波抑制的靜止無功發(fā)生器（簡(jiǎn)稱SVG）在低壓配電網(wǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用[2]。通常情況下，由于SVG補(bǔ)償設(shè)備造價(jià)較高，低壓配電網(wǎng)中的無功功率補(bǔ)償將由電容器取代，因此，由SVG和電容器組構(gòu)成的混合補(bǔ)償系統(tǒng)得到越來越多的關(guān)注。在并聯(lián)型有源電力濾波器和晶閘管投切電容器組成的動(dòng)態(tài)無功與諧波混合補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)中，楊家強(qiáng)等人提出雙電流控制策略，解決了電流源型非線性負(fù)載的諧波補(bǔ)償問題[3];宿紫鵬等人提出基于開關(guān)表決策的投切控制方法，解決傳統(tǒng)固定延時(shí)投切方法中暫態(tài)響應(yīng)差、TSC混亂投切等問題[4];李曉明等人通過統(tǒng)一的檢測(cè)和控制算法，大幅度降低了有源濾波器的容量和設(shè)備的功率消耗[5]。

在上述文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，文章設(shè)計(jì)了一種由電能質(zhì)量綜合控制儀、并聯(lián)型靜止無功發(fā)生器和繼電器投切的多組智能電容器組成的動(dòng)態(tài)無功與諧波混合補(bǔ)償裝置。其中，智能電容器分級(jí)補(bǔ)償電網(wǎng)中的大部分無功功率，SVG動(dòng)態(tài)補(bǔ)償智能電容器投切后電網(wǎng)所需的小容量無功功率并治理電網(wǎng)各低次諧波。文章建立了由電能質(zhì)量綜合控制儀集中控制的電流超前干預(yù)模型，可快速準(zhǔn)確地進(jìn)行無功及諧波檢測(cè)，準(zhǔn)確地進(jìn)行無功及諧波變化趨勢(shì)預(yù)判，同時(shí)控制電容器組的精確投切，實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償和諧波治理的聯(lián)動(dòng)時(shí)序統(tǒng)一協(xié)調(diào)。

1 電能質(zhì)量綜合治理裝置設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電能質(zhì)量綜合治理裝置的布局圖如圖1所示，整個(gè)裝置分上下兩層，下層安裝靜止無功發(fā)生器，上層安裝智能電容器組，前面板安裝電能質(zhì)量綜合控制儀，其余配件主要包括散熱風(fēng)扇、電流表、浪涌保護(hù)器、總開關(guān)等，按照實(shí)際補(bǔ)償容量來進(jìn)行選配。

1.2 電氣接線設(shè)計(jì)

電能質(zhì)量綜合控制儀通過RS485通訊線連接SVG和智能電容器組，綜合治理裝置采樣通過連接系統(tǒng)側(cè)的一組互感器串聯(lián)接入綜合控制儀和SVG中，智能電容器組之間通過RS485通訊線串接在一起。多臺(tái)SVG并聯(lián)時(shí)，綜合控制儀通訊線通過一帶多的方式進(jìn)行通訊。

1.3 程序算法設(shè)計(jì)

電能質(zhì)量綜合治理裝置中，對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中的電流、電壓等變化通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)當(dāng)前時(shí)刻的電流、電壓波形進(jìn)行采集，在此基礎(chǔ)上對(duì)電流分量采用離散傅里葉變換法進(jìn)行計(jì)算，即得到諧波電流分量、基波電流等，再結(jié)合電壓，對(duì)有功功率、無功功率、畸變率、各次諧波電壓、功率因數(shù)等電力參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，補(bǔ)償設(shè)備與主控模塊之間實(shí)時(shí)進(jìn)行通訊。在上述計(jì)算所得電力參數(shù)的基礎(chǔ)上，主控模塊運(yùn)行，且對(duì)諧波濾除模式優(yōu)先運(yùn)行，再對(duì)無功補(bǔ)償模式運(yùn)行，兩種模式處于同時(shí)運(yùn)行的狀態(tài)。具體運(yùn)行中，如果檢測(cè)到的諧波畸變率上限值大于電路預(yù)設(shè)值，需要先在諧波濾除模式下對(duì)諧波進(jìn)行濾除，同時(shí)對(duì)是否需進(jìn)行無功補(bǔ)償進(jìn)行檢測(cè)。需要補(bǔ)償?shù)陌瓷鲜龇椒ㄑa(bǔ)償，且無功補(bǔ)償模式與諧波濾除模式形成混合補(bǔ)償。

1.3.1 諧波濾除模式

在對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，如系統(tǒng)中存在諧波，并且諧波畸變率上限值超過預(yù)設(shè)值，則啟動(dòng)SVG濾波模式，在詳細(xì)分析反饋數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)電路中各次諧波大小進(jìn)行計(jì)算，SVG產(chǎn)生反向諧波，實(shí)現(xiàn)諧波消除的作用。

1.3.2 無功補(bǔ)償模式

在進(jìn)行無功補(bǔ)償中，對(duì)智能電容器組（C）與靜止無功發(fā)生器（SVG）等補(bǔ)償設(shè)備投入的順序進(jìn)行確定，通常C的優(yōu)先級(jí)大于SVG。在電路檢測(cè)中，如諧波畸變率上限值低于預(yù)設(shè)值，進(jìn)行靜態(tài)無功補(bǔ)償，靜態(tài)補(bǔ)償中優(yōu)先采用C進(jìn)行無功補(bǔ)償，C無法補(bǔ)償時(shí)再采用SVG補(bǔ)償。待平衡后，系統(tǒng)內(nèi)無功補(bǔ)償量處于變化狀態(tài)時(shí)，對(duì)補(bǔ)償變化的無功能SVG優(yōu)先快速響應(yīng)，在SVG補(bǔ)償?shù)娜萘拷档突蛟龃蟮难a(bǔ)償量，與單臺(tái)C完全可補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償量相同時(shí)，則切換SVG已補(bǔ)償?shù)臒o功量到C進(jìn)行補(bǔ)償，SVG則在補(bǔ)償完成后切除SVG或?qū)ρa(bǔ)償不足的無功量進(jìn)行補(bǔ)償。如果在C補(bǔ)償后，系統(tǒng)三相仍存在不等量，或低于單臺(tái)C的補(bǔ)償量，則對(duì)三相不平衡狀態(tài)啟用SVG進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1.4 系統(tǒng)投切控制方法

混合系統(tǒng)中的SVG和智能電容器采用聯(lián)動(dòng)工作模式，智能電容器的投切和SVG補(bǔ)償由綜合控制儀進(jìn)行控制，工作的時(shí)序性由綜合控制儀統(tǒng)一協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)時(shí)序嚴(yán)格，邏輯統(tǒng)一。

基于電流超前干預(yù)模型，綜合控制儀通過對(duì)系統(tǒng)中的電流數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，預(yù)判諧波電流放大、諧波電壓增大、諧振等問題的發(fā)生趨勢(shì)，并快速響應(yīng)做出相應(yīng)的補(bǔ)償聯(lián)動(dòng)策略，靈活控制智能電容器的投切數(shù)量和投切次序，有針對(duì)性并準(zhǔn)確地降低被放大的諧波，以至消除問題，從很大程度上迅速規(guī)避。

該混補(bǔ)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，控制邏輯明確，不會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間過補(bǔ)、欠補(bǔ)情況，補(bǔ)償?shù)倪B續(xù)性、一致性都較為平穩(wěn)，綜合控制儀能以快速響應(yīng)做出對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償聯(lián)動(dòng)策略，靈活控制電容器的投切數(shù)量和投切次序。

2 數(shù)值仿真模擬

2.1 模擬環(huán)境

基于MATLAB軟件，給定無功變化量函數(shù)Q（t）以及邊界條件，分別模擬SVG+C獨(dú)立裝置和文章設(shè)計(jì)的電能質(zhì)量綜合治理裝置在治理無功和諧波時(shí)的系統(tǒng)響應(yīng)。

2.2 模擬結(jié)果

通過對(duì)比驗(yàn)證模擬結(jié)果可以看出，在相同治理環(huán)境下，文章設(shè)計(jì)的綜合治理裝置如圖3所示，較SVG+C獨(dú)立運(yùn)行裝置如圖2所示，在綜合補(bǔ)償策略中，SVG的負(fù)荷量基本維持在一個(gè)較低水平，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)的突變量也比較均勻平穩(wěn)，電容器組的投切負(fù)荷量更接近于實(shí)際負(fù)荷需求量，電容器組的無功補(bǔ)償利用率高，并且投切響應(yīng)速度快，系統(tǒng)功率因數(shù)治理效果平穩(wěn)良好，對(duì)于系統(tǒng)諧振等問題具有超前預(yù)判趨勢(shì)和抑制措施，系統(tǒng)運(yùn)行更穩(wěn)定。

3 現(xiàn)場(chǎng)服役結(jié)果與分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境

文章設(shè)計(jì)的混合補(bǔ)償系統(tǒng)，選址某大型電氣制造公司的生產(chǎn)車間配電室進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)服役。配電房電壓器容量為1250kVA，生產(chǎn)車間主要負(fù)載包括電機(jī)、風(fēng)機(jī)、照明、點(diǎn)焊機(jī)和機(jī)床等。采用電能質(zhì)量分析儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)：

在生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行過程中，負(fù)載電流變化幅度大且變化頻率快;在設(shè)備空閑時(shí)間，負(fù)載電流較小且穩(wěn)定。

點(diǎn)焊機(jī)開啟后，負(fù)載總電流幅值持續(xù)不斷增大，最高可達(dá)600A以上，諧波電流短時(shí)間內(nèi)增加，伴隨多次諧波且各次諧波電流大，尤其是3、5、7次諧波的瞬時(shí)電流可達(dá)30A～50A。

3.2 混補(bǔ)系統(tǒng)選型

針對(duì)上述測(cè)量情況，該配電房的混補(bǔ)系統(tǒng)配置方案由40kvar抑諧式共補(bǔ)智能電容器6組+100kvar SVG（帶濾除低次諧波功能）組成。配電房補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果

采用電能質(zhì)量分析儀Fluck對(duì)配電房進(jìn)線端的諧波電流、無功功率、功率因數(shù)進(jìn)行測(cè)量，對(duì)比混補(bǔ)系統(tǒng)開啟運(yùn)行治理前后的參數(shù)變化。

通過表1、表2中的數(shù)據(jù)分析可見，在未開啟補(bǔ)償之前，系統(tǒng)總電流A/B/C三相分別為489A、416A、418A，系統(tǒng)A/B/C三相功率因數(shù)在0.9左右，且諧波電流畸變率在18%以上，3次諧波電流為75A～80A，5次諧波電流為45A～50A，不符合用電要求。在經(jīng)過綜合治理后，A/B/C三相功率因數(shù)基本達(dá)到1.0，無功功率在5kvar左右，且電流諧波畸變率保持在7%以下，測(cè)試點(diǎn)的諧波數(shù)據(jù)都滿足GB 14549-1993中的諧波標(biāo)準(zhǔn)。

現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)負(fù)載端無功功率急劇上升或下降時(shí)，SVG的無功補(bǔ)償量并不會(huì)隨即大幅變化，取而代之的是此時(shí)智能電容器組會(huì)相應(yīng)投入或切除若干臺(tái)，以保證系統(tǒng)無功功率補(bǔ)償?shù)钠胶?。SVG不論是無功功率補(bǔ)償還是諧波治理，其輸出量變化較為平緩，整個(gè)混補(bǔ)系統(tǒng)處在一個(gè)穩(wěn)定的變化當(dāng)中。

4 結(jié)語

文章設(shè)計(jì)了一種由電能質(zhì)量綜合控制儀、并聯(lián)型靜止無功發(fā)生器和智能電容器組成的電能質(zhì)量綜合治理裝置。數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)服役結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)的電能質(zhì)量綜合治理裝置一方面可以實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償和諧波治理;另一方面可以在很大程度上規(guī)避系統(tǒng)諧振，且無功補(bǔ)償系統(tǒng)在補(bǔ)償運(yùn)行過程中，智能電容器承擔(dān)了大部分的無功功率補(bǔ)償任務(wù)，靜止無功發(fā)生器處于輕載狀態(tài)，補(bǔ)償效果具備良好的連續(xù)性和平穩(wěn)性，由此改善了電能質(zhì)量的治理效果，延長(zhǎng)了電能質(zhì)量治理設(shè)備的使用壽命。

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