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高壓諧波補(bǔ)償對負(fù)載諧波的影響分析與仿真

發(fā)布時間:2023-05-23 作者:新風(fēng)光

摘要:高壓靜止無功發(fā)生器(SVG)為現(xiàn)階段電力系統(tǒng)最先進(jìn)的無功補(bǔ)償技術(shù),通過改進(jìn)控制算法可實現(xiàn)諧波補(bǔ)償功能。在現(xiàn)場應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)有些現(xiàn)場在補(bǔ)償諧波時,雖然系統(tǒng)側(cè)的電流諧波和電壓諧波都在減小,但是負(fù)載側(cè)的電流諧波會明顯增加。根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行了分析、建模、仿真,為諧波補(bǔ)償現(xiàn)場推廣應(yīng)用積累了經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞:諧波補(bǔ)償;靜止無功發(fā)生器


1 引言

在電網(wǎng)中,大量的非線性負(fù)荷的使用,導(dǎo)致電網(wǎng)電能質(zhì)量問題日益突出。如電弧爐、中頻爐、礦熱爐、低壓變頻器、整流器等非線性負(fù)荷的使用,導(dǎo)致電網(wǎng)出現(xiàn)閃變、諧波、不平衡、過壓、欠壓等電能質(zhì)量問題。這些電能質(zhì)量問題一方面難以滿足生產(chǎn)生活中日益增多的“高”“精”“尖”設(shè)備的使用需求,另一方面還造成電網(wǎng)輸配電設(shè)備的損耗。其中,諧波的危害十分嚴(yán)重,諧波使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低,使電氣設(shè)備過熱、產(chǎn)生振動、產(chǎn)生噪聲,并使設(shè)備絕緣老化,使用壽命縮短,甚至發(fā)生嚴(yán)重的故障或燒毀,治理諧波的需求日益增多。

在工業(yè)現(xiàn)場,諧波治理有多種方案,例如FC濾波、APF有源濾波器等。其中,APF主要以380V、660V電壓等級為主。在10kV、35kV電網(wǎng)系統(tǒng),有源濾波器主要是通過級聯(lián)H橋結(jié)構(gòu)的SVG,改進(jìn)控制算法來實現(xiàn)有源濾波、無功綜合補(bǔ)償功能。

靜止無功發(fā)生器(SVG)是現(xiàn)階段電力系統(tǒng)最先進(jìn)的無功補(bǔ)償技術(shù)。它不再采用大容量的電容器、電感器來產(chǎn)生所需無功功率,而是通過全控型電力電子器件IGBT的高頻開關(guān)特性,實現(xiàn)對補(bǔ)償控制技術(shù)質(zhì)的飛躍,特別是通過改進(jìn)控制算法,可實現(xiàn)對諧波、無功的綜合補(bǔ)償。

本文主要介紹SVG實現(xiàn)無功、有源濾波的原理,現(xiàn)場應(yīng)用諧波治理效果,以及對所遇到問題的分析、仿真。

2 SVG補(bǔ)償諧波原理

2.1 SVG原理

SVG是一種沒有旋轉(zhuǎn)部件,快速、平滑可控的動態(tài)無功功率補(bǔ)償裝置。它以全控型電力電子器件IGBT為核心的無功補(bǔ)償系統(tǒng),將自換相橋式電路通過電抗器或者變壓器并聯(lián)到電網(wǎng)上,適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值,或者直接控制其交流側(cè)電流,使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功功率,實現(xiàn)動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康?,如?所示。

表1運(yùn)行狀態(tài)原理

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高壓鏈?zhǔn)絊VG一次系統(tǒng)圖如圖1所示,每相有多個IGBT構(gòu)成的H橋電路串聯(lián)組成,電網(wǎng)電壓等級越高串聯(lián)的H橋電路數(shù)量越多,H橋電路一般采用模塊化設(shè)計。

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圖1 高壓級聯(lián)式SVG系統(tǒng)圖

SVG的控制器通過光纖為各H橋電路提供控制信號,既實現(xiàn)了高、低電壓可靠隔離,也提高了信號傳輸?shù)目垢蓴_能力,如圖2所示。

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圖2  SVG系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)示意圖

SVG采集系統(tǒng)電壓、系統(tǒng)電流、負(fù)載電流,自動計算系統(tǒng)無功需求,快速、連續(xù)地調(diào)節(jié)容性或者感性無功功率輸出,實現(xiàn)恒考核點無功、恒考核點電壓、恒考核點功率因數(shù)以及綜合補(bǔ)償?shù)瓤刂颇J?,保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定、高效、優(yōu)質(zhì)地運(yùn)行。

2.2諧波補(bǔ)償原理

采用直接電流控制的有源濾波型中壓SVG的工作原理如圖2.3所示。從圖中可以得出式(1),即電源電流是負(fù)載電流和補(bǔ)償電流之相量和。假設(shè)負(fù)載電流中含有基波正序電流(包括基波正序無功電流和基波正序有功電流)、基波負(fù)序電流和諧波電流,如式(2)所示。

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圖3 采用直接電流控制的靜止無功發(fā)生器的工作原理

                                                        

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3 現(xiàn)場問題與分析

3.1 現(xiàn)場情況

現(xiàn)場為某造紙廠,部分一次圖如下圖4所示,35kV電網(wǎng)通過兩臺主變?yōu)閺S內(nèi)10kV母線供電,主變?yōu)橐挥靡粋洹?0kV母線上有近60條用電支路,以及兩路自發(fā)電機(jī)組。其中用電設(shè)備有二氧化氯整流變、氯堿整流變、低壓變頻等設(shè)備,以5、7次諧波為主,其中5次諧波超標(biāo),供電公司要求限期治理。

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圖4 現(xiàn)場供電一次系統(tǒng)圖

為了治理5次電流諧波,現(xiàn)場在10kV母線上安裝了一臺10kV5MvarSVG,5次電流諧波補(bǔ)償效果如下表2所示。

表2 諧波補(bǔ)償效果

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補(bǔ)償之后,各供電電源的5次諧波電流都明顯減低,但是發(fā)現(xiàn)負(fù)載側(cè)的諧波電流在增大,補(bǔ)償之前負(fù)載5次諧波電流共93A,SVG輸出5次諧波電流限值設(shè)定為96A,補(bǔ)償后負(fù)載諧波電流達(dá)到了152A。

  3.2問題分析

電流諧波補(bǔ)償之后,系統(tǒng)側(cè)電流諧波減小,負(fù)載的電流諧波增大;觀察10kV母線的電壓諧波,SVG補(bǔ)償之后電壓諧波明顯減小,說明沒有補(bǔ)償反。

圖片5.png  圖片5-2.png

圖5  補(bǔ)償前(左)、后(右)10kV母線電壓諧波

分析認(rèn)為補(bǔ)償諧波時,系統(tǒng)電流諧波減小、負(fù)載電流諧波增大,是由于供電系統(tǒng)容量相對用電設(shè)備的總?cè)萘科?dǎo)致,供電電源的等效內(nèi)阻抗不能被忽略。負(fù)載諧波大小是由電網(wǎng)電壓V、電源阻抗Z1、負(fù)載阻抗Z2等因數(shù)決定。由于供電電源內(nèi)阻抗Z1的存在,電流諧波在電源內(nèi)阻抗Z1上產(chǎn)生諧波電壓,導(dǎo)致A點電網(wǎng)電壓出現(xiàn)畸變。SVG補(bǔ)償之后,在負(fù)載同樣的諧波電流情況下,流到電源的諧波電流減小,電源等效內(nèi)阻抗Z1產(chǎn)生諧波壓降減小,供電系統(tǒng)等效容量增大。


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圖6 SVG諧波補(bǔ)償原理圖

4 仿真

根據(jù)以上分析,使用simulink搭建10kV電網(wǎng)SVG諧波補(bǔ)償仿真平臺,如下圖7所示。

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圖7 simulink10kV電網(wǎng)SVG諧波補(bǔ)償仿真

SVG控制器采用采用C語言編寫,然后編譯成MEX文件,使用simulink里的S-Function模塊調(diào)用。SVG控制器左側(cè)為電網(wǎng)電壓、負(fù)載電流、SVG反饋電流,以及相關(guān)的定制參數(shù)輸入;simulink周期調(diào)用SVG諧波補(bǔ)償控制算法,計算的控制信號從右側(cè)輸出到SVG主電路。

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圖8 S-Function模塊設(shè)置

負(fù)載采用三相不可控整流電路,整流電路輸入端連接三相電抗器,整流后接阻容負(fù)載。SVG控制器設(shè)置為只補(bǔ)償諧波模式,仿真開始1秒后,SVG解除閉鎖。下面分兩種系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行仿真。

(1)參數(shù)1

供電系統(tǒng)和負(fù)載阻抗1:10。仿真波形如下圖9所示,從上到下分別為系統(tǒng)電壓、系統(tǒng)電流、負(fù)載電流、SVG電流。


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圖9 阻抗比1:10仿真結(jié)果波形

 補(bǔ)償前后諧波變化如下表3所示,補(bǔ)償后系統(tǒng)電壓、系統(tǒng)電流的諧波明顯減小,而負(fù)載電流諧波81.63%增加到85.09%。

表3 阻抗1:10諧波補(bǔ)償前饋諧波對比

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(2)參數(shù)2

供電系統(tǒng)和負(fù)載阻抗1:1。仿真波形如下圖10所示,從上到下分別為系統(tǒng)電壓、系統(tǒng)電流、負(fù)載電流、SVG電流。

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圖10  阻抗比1:1仿真結(jié)果波形

 補(bǔ)償前后諧波變化如下表4所示,補(bǔ)償后系統(tǒng)電壓、系統(tǒng)電流的諧波明顯減小,而負(fù)載電流諧波增幅更加明顯,從81.63%增大到105.31%。

表4 阻抗1:1諧波補(bǔ)償前饋諧波對比

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5 結(jié)束語

本文介紹了10kV級聯(lián)式SVG的無功補(bǔ)償和諧波補(bǔ)償?shù)脑?,在原有控制器的基礎(chǔ)上,通過改進(jìn)控制算法即可實現(xiàn)諧波補(bǔ)償。在現(xiàn)場應(yīng)該過程,發(fā)現(xiàn)有些現(xiàn)場在補(bǔ)償諧波時,雖然系統(tǒng)側(cè)的電流諧波和電壓諧波都在減小,但是負(fù)載側(cè)的電流諧波會明顯增加。針對現(xiàn)場應(yīng)用過程發(fā)現(xiàn)的這個問題,進(jìn)行了分析、建模、仿真。通過上述分析、仿真可以看出,供電系統(tǒng)的容量相對用電負(fù)載的容量越小,補(bǔ)償諧波時負(fù)載側(cè)的電流諧波增幅越大。另一方面,我們在制定諧波補(bǔ)償裝置的容量時,不能僅根據(jù)檢測的負(fù)載電流諧波進(jìn)行容量設(shè)計,還需要考慮供電系統(tǒng)內(nèi)阻抗和負(fù)載內(nèi)阻抗的比例關(guān)系。



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