浅谈无功补偿和混合滤波综合补偿系统

王旭东

王旭东

（中国核电工程有限公司郑州分公司河南郑州450000）

摘要：并联电容器无功补偿装置是实际电网中无功补偿尤其是功率因数补偿的主流装置。本文主要针对无功补偿和混合滤波综合补偿系统结构及工作原理以及工程应用及现场运行结果进行简要分析。

关键词：无功补偿；混合滤波；综合补偿系统

1无功补偿和混合滤波综合补偿系统结构及工作原理

本文提出的无功补偿和混合滤波综合补偿系统原理图如图1所示。

图1综合补偿系统结构原理图图2单相等效电路

综合补偿系统以电压型逆变器(VSI)作为其有源部分，以多组单调谐滤波器组成的无源滤波器作为其无源部分。考滤到谐波源为12脉波整流装置，其特征谐波为11次和13次，因此两条无源支路分别用来抑制11次和13次谐波电流。有源部分通过耦合变压器与基波串联谐振电路并联构成串联谐振注入式混合有源滤波器。整个补偿装置与电网并联。注入支路由电容C1、电感L1和电容CG构成，其中电容C1和电感L1构成在基波频率谐振电路，而整体作为一条无源滤波支路。其中，电压型逆变器为基于自关断器件的脉宽调制PWM逆变器，直流端为一大电容，VSI的输出端接有输出滤波器，以此来滤除开关器件通断造成的高频毛刺。图中iS、iL、iF分别为电网电流、负载电流和滤波电流，iC为逆变器的输出电流，iR为流入基波串联谐振电路的电流。电路中其它各电量的定义和方向如图2所示，其中iS、iL、iP、iC、iR、iG分别为电网支路、负载支路、并联无源支路、有源支路、基波串联谐振电路、注入支路的电流，ZS、ZP、ZG、ZR分别为电网阻抗、无源部分阻抗、有源输出支路阻抗、基波串联谐振电路阻抗。

只考滤负载谐波电流源作用时的单相等效电路如图3所示。有源部分控制为一个受控电流源：iC=KiSh，iSh为电网支路电流的谐波分量，K为控制放大倍数，当K=0时，相当于只有无源部分起补偿作用。对应于图3所示的单相等效电路，系统的电路方程为：

补偿装置的有源部分相当于在电网支路串联了一个可控的谐波阻抗，当Z足够大时，流入电网的谐波电流将会很小，接近于0，起到抑制谐波电流的作用，同时可以抑制无源部分与电网阻抗间的并联谐振。

2稳态补偿特性分析

2.1无源部分设计参数

本文从控制放大倍数K和系统等效电感LS两个方面来分析综合补偿系统的稳态补偿特性。为了分析方便，定义式(2)为谐波源谐波抑制函数，可以通过对式(2)的分析来讨论综合补偿装置的稳态补偿特性。为此，可做出式(2)的幅频特性曲线，并以此来分析和讨论本文提出的无功补偿和混合滤波综合补偿装置的稳态补偿特性。根据实际工程中所需补偿的无功量和抑制11次和13次谐波要求设计的无源部分参数如下。

11次无源支路为电感L11=1.77mH，电容C11=49.75?F，品质因数Q=35；

13次无源支路为电感L13=1.37mH，电容C13=44.76?F，品质因数Q=35；

基波谐振支路为电感L1=15.47mH，电容C1=690?F，品质因数Q=50；

注入电容：CG=19.65?F。

图3谐波源作用时的单相等效电路图4不同K值时谐波源谐波抑制函数幅频特性

2.2控制放大倍数(K)对补偿特性的影响

图4给出了补偿装置在不同的控制放大倍数情况下谐波源谐波抑制函数的幅频特性曲线，系统等效电感的取值为LS=0.5mH。从图4中可以看出，当K=0，即补偿装置只投无源部分时，只对固定频率的谐波及高次谐波有较大的抑制作用，在ω=1000rad/s和ω=4000rad/s之间有3次很明显的谐振峰值现象出现，这种现象对设备的运行是很不利的。当投入有源部分后，从图中可以看出，当有源滤波器的控制放大倍数K=10时，ω>800rad/s所对应的幅频特性都被下压，谐波抑制效果有了很大的改善，流入系统的谐波电流很小，几乎为零。由于谐振峰值处所对应的频率已经小于100Hz，故系统在实际运行中不会出现在该频点处的谐振峰值现象。因此，只要K值设计恰当，投入有源部分后，系统谐波得到了很好的补偿。尽管随着K值的增大，系统的谐波抑制效果变好。

图5不同LS值时谐波源谐波抑制函数幅频特性

2.3系统等效电感值(LS)对补偿特性的影响

当控制放大倍数K固定时(K=0和K=10)，在不同的系统等效电感情况下谐波源谐波抑制函数的幅频特性曲线如图6所示。比较图6(a)和(b)可以看出，当K=0，即只投无源部分时，系统等效电感LS的取值对装置的补偿性能有很大的影响。随着LS的增大，谐波放大点所对应的频点向低频点偏移，而在ω=4000rad/s频点后，LS越大，抑制效果越好。从图5(b)中可以看出，当有源部分投入后，随着LS的变化，谐波源谐波抑制函数的幅频特性曲线变化不大，即补偿装置对系统等效电感的变化表现出强的鲁棒性能。可见，补偿装置的补偿性能几乎不受系统等效电感值的变化。

3现场运行结果

江铜?耶兹公司从国外引进4套电解铜装置，功率因数低、11次和13次谐波含量高一直是电解装置运行时困扰企业的难题，每月电力公司的无功罚款费用高达20余万元。综合补偿系统在电解装置供电系统中的实际投运示意图如图6所示。综合补偿装置投运前的工况为：进线只有1套整流装置投入生产，而且负载只有3组电解槽，根据现场数据，这时整流输出电压为15.3V，输出电流35300A，功率因数为0.46左右，且系统中11和13次谐波超标。产生这种情况的原因是由于负载偏低，导致整流装置控制角α偏大，从而降低了功率因数，增大了谐波污染，增加了输电线路的能耗，影响电网的安全稳定运行。图7给出了投入混合有源滤波器前后母线电流波形以及有源滤波器输出的电压波形(从上位机获取)。从图中可以看出，混合有源滤波器投入前后母线电流波形得到明显改善，混合有源电力滤波器能够有效地抑制电网谐波，使得电网谐波电流大为降低。

图6电解装置供电示意图图7滤波前和滤波后的电流/电压波形

4结论

综上所述，电网谐波和补偿电容器运行之间的关系,抑制电网谐波和谐波放大尤为重要。选择适当的电抗器则能较好的解决这个问题,在实际中会有很好的应用前景。

参考文献：

[1]商少锋.电力有源滤波与电容器组无功补偿混合应用技术研究[J].浙江电力,2008,04:21-24.