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

關(guān)鍵詞：諧波補償；靜止無功發(fā)生器

1 引言

在電網(wǎng)中，大量的非線性負荷的使用，導致電網(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、整流器等非線性負荷的使用，導致電網(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”設備的使用需求，另一方面還造成電網(wǎng)輸配電設備的損耗。其中，諧波的危害十分嚴重，諧波使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，使電氣設備過熱、產(chǎn)生振動、產(chǎn)生噪聲，并使設備絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生嚴重的故障或燒毀，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，改進控制算法來實現(xiàn)有源濾波、無功綜合補償功能。

靜止無功發(fā)生器(SVG)是現(xiàn)階段電力系統(tǒng)最先進的無功補償技術(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)對補償控制技術(shù)質(zhì)的飛躍，特別是通過改進控制算法，可實現(xiàn)對諧波、無功的綜合補償。

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

2 SVG補償諧波原理

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)無功功率補償裝置。它以全控型電力電子器件IGBT為核心的無功補償系統(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?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)無功補償?shù)哪康?，如?所示。

表1運行狀態(tài)原理

高壓鏈式SVG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計。

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。

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)以及綜合補償?shù)瓤刂颇Ｊ?，保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定、高效、優(yōu)質(zhì)地運行。

2.2諧波補償原理

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)，即電源電流是負載電流和補償電流之相量和。假設負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）、基波負序電流和諧波電流，如式(2)所示。

圖3 采用直接電流控制的靜止無功發(fā)生器的工作原理

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)電機組。其中用電設備有二氧化氯整流變、氯堿整流變、低壓變頻等設備，以5、7次諧波為主，其中5次諧波超標，供電公司要求限期治理。

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次電流諧波補償效果如下表2所示。

表2 諧波補償效果

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

  3.2問題分析

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

圖5  補償前（左）、后（右）10kV母線電壓諧波

分析認為補償諧波時，系統(tǒng)電流諧波減小、負載電流諧波增大，是由于供電系統(tǒng)容量相對用電設備的總?cè)萘科е?，供電電源的等效?nèi)阻抗不能被忽略。負載諧波大小是由電網(wǎng)電壓V、電源阻抗Z1、負載阻抗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，導致A點電網(wǎng)電壓出現(xiàn)畸變。SVG補償之后，在負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。

圖6 SVG諧波補償原理圖

4 仿真

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

圖7 simulink10kV電網(wǎng)SVG諧波補償仿真

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諧波補償控制算法，計算的控制信號從右側(cè)輸出到SVG主電路。

圖8 S-Function模塊設置

負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，整流后接阻容負載。SVG控制器設置為只補償諧波模式，仿真開始1秒后，SVG解除閉鎖。下面分兩種系統(tǒng)參數(shù)進行仿真。

（1）參數(shù)1

供電系統(tǒng)和負載阻抗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、負載電流、SVG電流。

圖9 阻抗比1:10仿真結(jié)果波形

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

表3 阻抗1:10諧波補償前饋諧波對比

（2）參數(shù)2

供電系統(tǒng)和負載阻抗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、負載電流、SVG電流。

圖10  阻抗比1:1仿真結(jié)果波形

 補償前后諧波變化如下表4所示，補償后系統(tǒng)電壓、系統(tǒng)電流的諧波明顯減小，而負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諧波補償前饋諧波對比

5 結(jié)束語

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