10kV 變電所無功補償及諧波抑制方法

鄧思遙

（遼寧省金秋醫(yī)院，遼寧 沈陽 110000）

0 引言

科技持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展的同時，電力系統(tǒng)規(guī)模不斷拓展，在多種類型電力電子設備及技術發(fā)展壯大的過程中，誕生了多種新型設備。由于高壓及低壓配電網的非平衡負荷不斷增加，且強沖擊性負荷的數(shù)量也持續(xù)增長，因而系統(tǒng)難以承受如此高負荷的沖擊，由于負荷導致的有功及無功變化使用系統(tǒng)出現(xiàn)了電壓波動以及供電波形畸變問題，從而削弱了電網的電能質量。為保障電網的高質量運行，需要保持電網頻率的穩(wěn)定性并盡可能提升電壓質量，因而需要通過可行性的無功補償裝置對電力系統(tǒng)進行高效與精準的無功補償，并實現(xiàn)有效的諧波抑制。

1 無功補償?shù)闹饕椒?/h2>

1.1 靜態(tài)無功補償

靜態(tài)無功補償指以功率因數(shù)變化為依據(jù)進行補償，需要事先投入相應容量電容器，缺陷是無法實時跟蹤。最為常用的是接觸器控制投切。靜態(tài)補償有兩種方式：①利用同步發(fā)電機與同步調相機進行靜態(tài)無動補償；②應用成本低、維護便捷的并聯(lián)電容器作為靜態(tài)無功補償設備，但此無功補償裝置的容量較低，無法實現(xiàn)持續(xù)性的無功補償，不適用于集中場所。

1.2 動態(tài)無功補償

動態(tài)無功補償主要采用無功補償電容器，此電容器的阻抗不具可調功能，無法對負荷的無功變化進行跟蹤補償，且補償精度較低，但其響應速度較快。經過多次升級優(yōu)化所誕生的第三代無功補償裝置SVG 是一種補償容量可調的動態(tài)補償方式[1]。SVG 可在低壓狀態(tài)下產生補償電流，并且維護方便、成本較低，補償動作只需十幾毫秒。其使用壽命最高為10 年，并可用于諧波補償，還可精準追蹤與抑制沖擊電流。SVG 系統(tǒng)的應用利于增強供電系統(tǒng)穩(wěn)定性，保證供電質量，并可降低諧波污染產生的設備損耗，且能有效降低供電成本。

2 10kV 變電所無功補償與諧波抑制應用實例分析

某醫(yī)院10kV 變電站需要進行無功補償，下面采用加裝電容器裝置及SVG 兩種方法進行靜態(tài)無功補償及動態(tài)無功補償效果及諧波抑制效果的對比分析。該醫(yī)院變電站的功率因數(shù)均值為0.85，未達到規(guī)定要求功率因數(shù)0.92～0.98 的范圍，因而需要通過無功補償提高此10kV 變電站的功率因數(shù)。

2.1 靜態(tài)無功補償方案設計

應用傳統(tǒng)加裝電容器的方式進行靜態(tài)無功補償，由于配電網中存在大量感性負載，因而可將負載等效為電阻，而后將電感串聯(lián)其上，如此可通過并聯(lián)電容器實現(xiàn)無功補償。

2.1.1 電容器接線方式

需要采用并聯(lián)方式接入電網，三相共同補償時可采用三角形接線法，此種接線方式可將電網中的對稱3次諧波濾除，進而減少諧波產生的損害，并具備較高的無功補償輸出量。除此之外，還可利用星形接線法進行三相共補，需采用不帶中性點星形接線方式，然而應用此接線方法時三相容抗值可能存在失衡問題，容易導致中性點位置發(fā)生變化，進而形成過電壓。分相補償時則可應用帶中性點星形接線方式，可通過回路構建降低諧振，進而防止設備損毀而影響電路。

2.1.2 補償容量計算及并聯(lián)電容器安裝

此醫(yī)院10kV 變電站的配電變壓器總容量為5000kVA，由此可按照公式計算出并聯(lián)電容器的容量值，其中a 取值0.1，即Q 為500kVar[2]。而當自動投切并聯(lián)電容器時，也可基于線路負荷功率因數(shù)計算出電容器的容量值。若目標功率因數(shù)取值為0.95，補償前的功率因數(shù)數(shù)值為0.85，可計算出電容器的補償容量為1237kVar。由于此變電站供電單位的負荷較大，且電網負荷變化頻率快，在較高的無功需求下，并聯(lián)電容器的投切頻率較高，因而并聯(lián)電容器容量取值為1237kVar較為適宜。應選用三角形接線方法在低壓側并聯(lián)4 個并聯(lián)電容器，電容器總容量為310kVra，受到安裝空間限制，所選電容器應為100kVar、20kVar、10kVar 各兩個，50kVar 電容器一個，以保證補償需求可得到滿足。

2.1.3 仿真結果分析

按照目標功率因數(shù)為0.95 計算，需補償?shù)臒o功應為309.25kVar，通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，并聯(lián)電容器無功投入為300kVar 時，補償無功為358.48kVar，此時功率因數(shù)為0.9475，而當310kVar 時，補償無功為348.48kVar，功率因數(shù)可達到0.9502，說明當前電容器組的補償要精確到0.95 較為困難。加之配電網中存在多個設備，且補償無功始終處于變化狀態(tài)，且由于并聯(lián)電容器組體積較大，分組多個較為困難。同時，并聯(lián)電容器無法平滑性與連續(xù)性進行無功補償，也難以獲得精確的補償效果，頻繁投切下，電容器的使用壽命也會縮短。為此，需要通過無功補償裝置升級改造滿足此醫(yī)院10kV 變電站的無功補償需求。

2.2 動態(tài)無功補償方案設計

2.2.1 仿真系統(tǒng)負載模型構建

為解決并聯(lián)電容器無功補償不足的問題，可安裝SVG 替代電容器進而優(yōu)化無功補償效果。采用MATLAB 軟件模擬仿真分析SVG 運行情況，首先構建仿真模型，設定電網電壓為AC380V/50Hz，直流側電壓為750V，選用容性及感性的不控三相整流橋作為無功諧波負載，耦合變電器均為220V[3]。利用帶阻容性非線性負載仿真無功諧波發(fā)現(xiàn)，三相不控整流器可高效完成模擬，且能改變電流波形，既能同步降低功率因數(shù)，也可通過參數(shù)調整優(yōu)化模擬效果。

2.2.2 無功補償模塊設置

系統(tǒng)中需設置靜止無功補償模塊，其主要作用是對系統(tǒng)無功及諧波進行補償。瞬時無功功率模塊的作用則是分離無功電流。SVG 的關鍵部件是三相逆變器，需安裝補償器投切模塊，在0.1s 時進行無功補償投入，于閉環(huán)控制狀態(tài)下可清晰觀測到投入前及投入后的變化情況，通常情況下，在電容電壓穩(wěn)定后方可進行無功補償。

2.2.3 瞬時無功算法及滯環(huán)電流控制模塊設定

采用鎖相環(huán)作為諧波檢測算法，此算法可對三相電網的電壓相角進行有效檢測，可通過代數(shù)變換對d-p坐標下的三相電流數(shù)據(jù)進行提取，進而完成無功電流分離，再通過與指令電流進行對比分析而完成誤差調整，而后再將無功電流輸送至逆變器中。完成三相電流信號測試后，可對有功及諧波中的無功功率進行分離，而后通過與指定電流對比，完成PWM 輸出信號的合理調節(jié)。此外，還需要設定滯環(huán)電流控制模塊，由于此模塊具有參數(shù)要求相對寬松的優(yōu)勢，對參數(shù)的精度要求并不高，因而可降低參數(shù)計算量，也可減少額外參數(shù)設定。

2.2.4 仿真結果分析

采用感性三相整流橋時，電壓值為220V 時各相位間存在120°左右的相差，當感性負載加入后，會導致電網中出現(xiàn)電流滯后現(xiàn)象。通過分析補償前后電壓及電流波形發(fā)現(xiàn)，SVG 投入前由于有感性負載，電流滯后于電壓的角度為31.79°，功率因數(shù)為0.85。而當SVG 投入后，電流滯后角度消失，功率因數(shù)提升至0.95。采用容性三相整流橋時，電壓值為220V，相位差為120°，加入前補償電流及電壓的波形存在較大差異，功率因數(shù)為0.65。SVG 投入后，電壓及電流呈同相狀態(tài)，且功率因數(shù)高達1，高于出預計的補償效果，實現(xiàn)了感性負載及容性負載的同步調節(jié)。為進一步驗證SVG 無功功率補償效果，于0.1s 時投入SVG，發(fā)現(xiàn)投入SVG 后電流與電壓幾乎同相[4]。通過SVG 投入前后電壓電流關系分析發(fā)現(xiàn)，SVG 補償效果較為精準，且具備感性及容性雙向補償功能，并未出現(xiàn)超調問題，并且能夠增強輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。諧波電流具備較高的奇次諧波出現(xiàn)率，通過對5 次危害較大的諧波進行提取分析其補償前后其電流變化發(fā)現(xiàn)，5 次諧波均得到了補償，諧波含量降低了9%，諧波最終控制在國家規(guī)定的5%范圍內，說明SVG投入對諧波抑制具有良好的成效。

2.3 具備諧波抑制功能的SVG 系統(tǒng)設計

為有效抑制諧波產生，可設計一款具備諧波抑制功能的SVG 系統(tǒng)，進而同步滿足該醫(yī)院10kV 變電站無功補償與諧波抑制需求。

2.3.1 系統(tǒng)電路結構與元件選型

系統(tǒng)采用感性負載不受控整流橋電流作為主電路，電源器件選擇時，應以額定容量及電壓大小為依據(jù)，且需根據(jù)長期工作電流大小以及瞬時工作電流值確定最大工作電流，通常情況下需將直流側的額定電壓設定為最大值的150%，方可確保SVG 系統(tǒng)的正常運行。通過計算，SVG 系統(tǒng)的電壓值應為700V，內側電流有效值為11.4A，最大峰值電流為30A[5]。選擇直流側電容時，由于波動幅度較大，對電壓等級要求較高，并且系統(tǒng)持續(xù)振蕩情況下，電容值的高低會對系統(tǒng)穩(wěn)定性產生影響，因而電容選擇必須適當。通過分析發(fā)現(xiàn)，直流側電容越大時，諧波含量越小，因而電容值確定時也要將諧波含量因素納入考量。經計算，系統(tǒng)直流側電容應確定為13.65mF。確定連接電感時，為保證波形質量，電感值不可設置過低，否則會導致電壓出現(xiàn)波動，進而會增大諧波含量。經計算，連接電感的取值范圍應設定為0.7～15.2mH。

2.3.2 控制電路設計

設計控制電路時，采用CPU 最小系統(tǒng)電路，TMS320F2812 利用靜態(tài)高性能CMOS 低功耗技術，端口供電電壓及內核供電電壓分別設定為3.3V 與1.8V。電壓及電流采樣調理電路設計時，可利用SVG 裝置輸出補償電流，利用霍爾傳感器進行電壓及電流信號采集，進而有效控制直流側電壓?？蓪⒒魻杺鞲衅鞔?lián)于高電阻上，也可與功率電阻串聯(lián)，電壓收集時可防止出現(xiàn)檢測電壓過高現(xiàn)象，霍爾傳感器一次側可完成電壓及電流采集，二次側則可實現(xiàn)電流輸出。可將采樣電阻串接于霍爾傳感器輸出側，進而滿足DSP 輸入電壓信號要求。電流信號向電壓信號轉換時，電壓應控制在1.5V 左右，可向低通濾波器中輸送采集電壓，且輸出前后應保持相同電壓值，以防止收集到高頻信號。SVG 裝置保護時要做好電氣間絕緣及隔離，應選用光耦隔離方式，且實際信號也要與工作電路進行隔離。

2.3.3 系統(tǒng)軟件設計

SVG 屬于控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)整合了算法及各類資源。系統(tǒng)軟件設計包含主程序、中斷服務程序、A/D 中斷服務子程序、濾波程序、過零捕獲子程序5 個部分，主程序的功能是初始化系統(tǒng)，例如，時鐘或中斷向量初始化等，初始化后方可進入中斷等待環(huán)節(jié)。達到公式向量后，可進入相應端口進行信號處理[6]。中斷服務程序的作用是對采集電壓及電流進行處理，進而在電壓或電流中斷時執(zhí)行相應指令。中斷子程序主要是在三相電流數(shù)據(jù)采集中應用，周期性采集電流，可根據(jù)采樣周期設置中斷周期，兩個周期時長一致即可。電流采集后會放大信號，之后進入循環(huán)工作狀態(tài)。濾波程序可在有諧波電流或無功電流時被啟動。根據(jù)SVG 原理分析，補償電流值要保持一致，但電流方向應相反，并且要能夠實時進行電壓檢測，進而確保無功補償?shù)木珳市浴Ｒ蚨枰O計過零捕獲子程序，此程序具備較高優(yōu)先級，且具備良好的抗干擾能力。

3 結語

通過對比分析發(fā)現(xiàn)，采用并聯(lián)電容器的靜態(tài)無功補償方法補償精確性不足，無法滿足10kV 變電站的無功補償需求，因而需要將之升級改造為動態(tài)無功補償方法?；贛atlab 模擬仿真對SVG 這種動態(tài)無功補償方法在無功補償及諧波抑制方面的效果進行了分析，總結出此方法可精確性、快速性完成無功補償，并可同步完成感性及容性負載補償，同時也能有效抑制諧波產生。應用以TMS320F2812 為控制器核心的具備諧波抑制功能的SVG 系統(tǒng)可為10kV 變電站的無功補償及諧波抑制提供保障，進而增強10kV 變電站電能輸送的安全性與穩(wěn)定性。