高压谐波补偿对负载谐波的影响分析与仿真 -ag尊龙凯时·中国官方网站

摘要：高压静止无功发生器(svg)为现阶段电力系统最先进的无功补偿技术，通过改进控制算法可实现谐波补偿功能。在现场应用过程中发现有些现场在补偿谐波时，虽然系统侧的电流谐波和电压谐波都在减小，但是负载侧的电流谐波会明显增加。根据现场应用过程中发现的问题进行了分析、建模、仿真，为谐波补偿现场推广应用积累了经验。

关键词：谐波补偿；静止无功发生器

1 引言

在电网中，大量的非线性负荷的使用，导致电网电能质量问题日益突出。如电弧炉、中频炉、矿热炉、低压变频器、整流器等非线性负荷的使用，导致电网出现闪变、谐波、不平衡、过压、欠压等电能质量问题。这些电能质量问题一方面难以满足生产生活中日益增多的“高”“精”“尖”设备的使用需求，另一方面还造成电网输配电设备的损耗。其中，谐波的危害十分严重，谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动、产生噪声，并使设备绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生严重的故障或烧毁，治理谐波的需求日益增多。

在工业现场，谐波治理有多种方案，例如fc滤波、apf有源滤波器等。其中，apf主要以380v、660v电压等级为主。在10kv、35kv电网系统，有源滤波器主要是通过级联h桥结构的svg，改进控制算法来实现有源滤波、无功综合补偿功能。

静止无功发生器(svg)是现阶段电力系统最先进的无功补偿技术。它不再采用大容量的电容器、电感器来产生所需无功功率，而是通过全控型电力电子器件igbt的高频开关特性，实现对补偿控制技术质的飞跃，特别是通过改进控制算法，可实现对谐波、无功的综合补偿。

本文主要介绍svg实现无功、有源滤波的原理，现场应用谐波治理效果，以及对所遇到问题的分析、仿真。

2 svg补偿谐波原理

2.1 svg原理

svg是一种没有旋转部件，快速、平滑可控的动态无功功率补偿装置。它以全控型电力电子器件igbt为核心的无功补偿系统，将自换相桥式电路通过电抗器或者变压器并联到电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，使该电路吸收或者发出满足要求的无功功率，实现动态无功补偿的目的，如表1所示。

表1运行状态原理

高压链式svg一次系统图如图1所示，每相有多个igbt构成的h桥电路串联组成，电网电压等级越高串联的h桥电路数量越多，h桥电路一般采用模块化设计。

图1 高压级联式svg系统图

svg的控制器通过光纤为各h桥电路提供控制信号，既实现了高、低电压可靠隔离，也提高了信号传输的抗干扰能力，如图2所示。

图2  svg系统电气结构示意图

svg采集系统电压、系统电流、负载电流，自动计算系统无功需求，快速、连续地调节容性或者感性无功功率输出，实现恒考核点无功、恒考核点电压、恒考核点功率因数以及综合补偿等控制模式，保障电力系统稳定、高效、优质地运行。

2.2谐波补偿原理

采用直接电流控制的有源滤波型中压svg的工作原理如图2.3所示。从图中可以得出式(1)，即电源电流是负载电流和补偿电流之相量和。假设负载电流中含有基波正序电流（包括基波正序无功电流和基波正序有功电流）、基波负序电流和谐波电流，如式(2)所示。

图3 采用直接电流控制的静止无功发生器的工作原理

3 现场问题与分析

3.1 现场情况

现场为某造纸厂，部分一次图如下图4所示，35kv电网通过两台主变为厂内10kv母线供电，主变为一用一备。10kv母线上有近60条用电支路，以及两路自发电机组。其中用电设备有二氧化氯整流变、氯碱整流变、低压变频等设备，以5、7次谐波为主，其中5次谐波超标，供电公司要求限期治理。

图4 现场供电一次系统图

为了治理5次电流谐波，现场在10kv母线上安装了一台10kv5mvarsvg，5次电流谐波补偿效果如下表2所示。

表2 谐波补偿效果

补偿之后，各供电电源的5次谐波电流都明显减低，但是发现负载侧的谐波电流在增大，补偿之前负载5次谐波电流共93a，svg输出5次谐波电流限值设定为96a，补偿后负载谐波电流达到了152a。

  3.2问题分析

电流谐波补偿之后，系统侧电流谐波减小，负载的电流谐波增大；观察10kv母线的电压谐波，svg补偿之后电压谐波明显减小，说明没有补偿反。

图5  补偿前（左）、后（右）10kv母线电压谐波

分析认为补偿谐波时，系统电流谐波减小、负载电流谐波增大，是由于供电系统容量相对用电设备的总容量偏小导致，供电电源的等效内阻抗不能被忽略。负载谐波大小是由电网电压v、电源阻抗z1、负载阻抗z2等因数决定。由于供电电源内阻抗z1的存在，电流谐波在电源内阻抗z1上产生谐波电压，导致a点电网电压出现畸变。svg补偿之后，在负载同样的谐波电流情况下，流到电源的谐波电流减小，电源等效内阻抗z1产生谐波压降减小，供电系统等效容量增大。

图6 svg谐波补偿原理图

4 仿真

根据以上分析，使用simulink搭建10kv电网svg谐波补偿仿真平台，如下图7所示。

图7 simulink10kv电网svg谐波补偿仿真

svg控制器采用采用c语言编写，然后编译成mex文件，使用simulink里的s-function模块调用。svg控制器左侧为电网电压、负载电流、svg反馈电流，以及相关的定制参数输入；simulink周期调用svg谐波补偿控制算法，计算的控制信号从右侧输出到svg主电路。

图8 s-function模块设置

负载采用三相不可控整流电路，整流电路输入端连接三相电抗器，整流后接阻容负载。svg控制器设置为只补偿谐波模式，仿真开始1秒后，svg解除闭锁。下面分两种系统参数进行仿真。

（1）参数1

供电系统和负载阻抗1:10。仿真波形如下图9所示，从上到下分别为系统电压、系统电流、负载电流、svg电流。

图9 阻抗比1:10仿真结果波形

 补偿前后谐波变化如下表3所示，补偿后系统电压、系统电流的谐波明显减小，而负载电流谐波81.63%增加到85.09%。

表3 阻抗1:10谐波补偿前馈谐波对比

（2）参数2

供电系统和负载阻抗1:1。仿真波形如下图10所示，从上到下分别为系统电压、系统电流、负载电流、svg电流。

图10  阻抗比1:1仿真结果波形

 补偿前后谐波变化如下表4所示，补偿后系统电压、系统电流的谐波明显减小，而负载电流谐波增幅更加明显，从81.63%增大到105.31%。

表4 阻抗1:1谐波补偿前馈谐波对比

5 结束语

本文介绍了10kv级联式svg的无功补偿和谐波补偿的原理，在原有控制器的基础上，通过改进控制算法即可实现谐波补偿。在现场应该过程，发现有些现场在补偿谐波时，虽然系统侧的电流谐波和电压谐波都在减小，但是负载侧的电流谐波会明显增加。针对现场应用过程发现的这个问题，进行了分析、建模、仿真。通过上述分析、仿真可以看出，供电系统的容量相对用电负载的容量越小，补偿谐波时负载侧的电流谐波增幅越大。另一方面，我们在制定谐波补偿装置的容量时，不能仅根据检测的负载电流谐波进行容量设计，还需要考虑供电系统内阻抗和负载内阻抗的比例关系。