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高压大容量有源滤波及无功补偿

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 高压大容量有源滤波及无功补偿
  摘要:无功补偿和谐波治理对于输配电系统非常重要,尤其是在未来的智能电网中。描述谐波治理技术和无功补偿技术应用现状的同时,介绍TSVC~APF的基本原理、结构、功能和关键技术,并对其联合运行作了阐述,同时介绍了产业化应用的前景。
  Abstract:Reactive power compensation and harmonic elimination are critical to power transmission and distribution system.This paper introduces the application of the APF(active power filter)and SVC(static power filter)at home and abroad especially in the principle,structure,function and critical technology.The paper also gives the research direction of APF and SVC combined operating.The foreground of industrialization of APF and SVC is quite optimistic。
  一 引言
  随着电力电子技术的发展,电力电子装置的容量不断增大,其应用领域不断扩展,使用的数量也在迅速上升,给电网带来越来越严重的电能质量问题。其中冲击性、波动性负荷,例如电弧炉、大型轧钢机以及电力机车等在运行中不仅会产生大量的高次谐波,而且还会产生电压波动、闪变以及三相不平衡等电能质量问题。另一方面,随着各种复杂的、精密的和对电能质量敏感的用电设备不断增多,对电能质量的要求也越来越高。因此改善电能质量对于电网和用电设备的安全以及经济运行具有重要的意义,这也是建设我国坚强智能电网必需重点关注的问题之一。
  电网中的谐波不仅危害电网本身而且危害其周边设备。谐波一方面使电能的生产、传输和利用的效率降低;另一方面使电气设备过热、产生振动和噪声,并使绝缘老化、使用寿命降低,甚至发生故障或烧毁。同时谐波还会使电力系统局部出现并联谐振或串联谐振,使谐波含量放大,造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起电力保护装置和自动设备误动作、电能计量出现混乱等,对仪器仪表、通讯设备和电子设备等也会产生不同程度的影响,产生的经济损失和社会影响更是无法估量。目前许多国家及国际组织都制定了谐波标准,1994年国内也制定了相应的标准,即GB/T14549—93 电能质量公用电网谐波))。因此进行电网的谐波治理既是电网安全和经济运行的客观需要,也是国家标准的规范要求。对于谐波抑制装置,无源电力滤波器(Passive Power Filter,PPF)因其结构简单和成本低,并对特定次谐波有良好的滤波效果,仍在广泛使用。但是其滤波效果受电网阻抗和自身参数影响较大,易与电网阻抗发生串并联谐振而引起事故,如电容器烧毁、过电压、过电流以及主开关频繁跳闸,影响供电的安全。有源电力滤波器(Active Power Filter,APF)以及无源和有源结合使用的混合型有源电力滤波器(HybridActivePower
  Filter,HAPF)因其补偿谐波性能优越、受电网阻抗影响小,正越来越获得重视和应用。
  H桥级联式多电平逆变器,也称为链式多电平逆变器,是目前工业应用较为成熟的一种拓扑结构,常用于高压大容量的交流传动系统和静止补偿器(Static Compensator,STATCOM)无功补偿装置。1999年,阿尔斯通公司研制的75 Mvar链式STATcOM 采用三角形连接,并在英国EastClaydon变电站投入运行,标志着链式结构多电平逆变器技术进入实用化阶段,装置的可靠性很高,该装置可用率高达98%。2006年,在上海西郊变电站±50 Mvar链式多电平逆变器STATCOM并网试运行。北京利德华福电气技术公司也将该链式多电平逆变器用于高压大功率风机、水泵的交流传动中去,2005年产值超过2亿元,成为高压变频行业的佼佼者。若将这种主电路拓扑结构应用于APF,构成级联式APF,可以显著提高APF对高压大容量非线性负载的谐波补偿能力,具有广阔的应用前景。
  目前,在日本、美国以及欧洲等地区,低压中小功率的APF已在工业和民用设备上得到了广泛应用,其单机装置的容量逐步地提高,并且其谐波补偿的次数也在逐步提高,可高达25次谐波。中压大容量的APF,也已有了具体的应用,如在日本新干线供电系统谐波治理中,APF的容量已达到48MVA。我国在APF的应用研究方面,与发达国家相比尚存在着差距。厂矿企业广泛使用的大容量非线性电力电子装置和大容量冲击性负载,不仅向中压电网注入了大量谐波,而且吸收大量的无功功率。因此在输配电工程中,往往要求同时抑制谐波和补偿无功功率。解决兼有无功功率补偿和谐波抑制功能的中压大容量工业装备在实际应用中的关键问题,符合国家对输配电电力电子节能重大技术的需求(见图1)。
  二、SVC构成
  静止型无功补偿装置主要由TCR晶闸管控制电抗器和TSC晶闸管投切电容器组成,主要功能用于维持系统电压稳定、补偿负荷无功功率、提高系统功率因数、减少系统损耗等。
  SVC主要由晶闸管阀组、相控电抗器、固定电容滤波器(FC)、数字控制系统及阀组状态监测保护装置等,如图1所示。
  SVC具有以下几个特征:
  (1)基于Steinmets原理实现分相调节,消除三相不平衡;
  (2)应用瞬时无功理论, 动态响应快,控制精度高;
  (3)采用DSP+FPGA的全数字控制与监控系统,安全可靠;
  (4)触发系统采用先进的光电触发方式,抗干扰能力强;
  (5)主电路取能,系统简单可靠;
  (6)晶闸管阀组反馈实时状态信号,实现实时保护;
  (7)晶闸管采用强制触发保护(BOD);
  (8)冷却系统采用型材风冷方式,运行可靠。
  三、APF构成
  高压APF主要采用级联式结构,通过由IGBT组成的单相全桥逆变器级联而成,级联的单元个数根据电网电压等级和单元直流侧电压值来共同确定。其原理如图2所示。
  见图3,10kV的APF每相10个单元进行级联,三相之间Y型连接经由电抗器直接接入10kV电网系统,控制系统主要实现检测、保护和驱动等功能。
  10kV级联APF柜架采用上下分层排列,整个柜内空问前后分开,中间使用绝缘材料密闭,留出每个单元的散热器出风口,在柜体后半部分空间形成风道, 由离心式风机集中排风,柜体前后构成气压差,形成了各单元的散热器的独立风道实现散热。
  四 APF与SVC联合运行的发展
  (1)能与SVC联合运行的中压大容量MVA级级联式APF工业装置,是一种新型柔性输配电技术,适用于6~35kV电压等级的输配电网,容量从数MVA到数十MVA不等,可直接用于中压电网大容量谐波治理,并且可以与大容量、成本较低的SVC联合使用,共同改善电网的供电质量。同时可增强系统稳定性,抑制电压波动和闪变,改善系统不平衡,滤除高次谐波,提高功率因数,节能降耗。与其他补偿装置相比,具有效率高、响应快、占地省、易扩展和成本低等优点。该系统可用于电力、冶金、电气化铁路、有色金属、石油、煤炭等行业中的输配电系统节能和电能质量控制工程,具有广泛的应用前景,将会产生良好的经济和社会效益。
  (2)从系统的角度对装有APF与SVC多输入多输出系统进行控制器参数协调设计和优化,消除或减弱两种装置的交互作用,达到两种装置协调控制。通过该内容的研究,对于接入电力系统的SVG、STATCOM 等FACTS多种装置的控制器参数协调设计和安全可靠稳定运行具有理论意义和借鉴价值。
  (3)在电网电压异常情况下,从SPLL技术出发,找出能实时检测出电网电压相位的方法。同时在电网电压不平衡时,从能量的角度找出保证悬浮电容电压均衡的控制模式,进而为APF装置在异常工况下持续稳定运行提供统一解决方案。接入电力系统的SVG、STATCOM 等FACTS装置同样会面对电网的异常工况,通过对异常工况下控制策略和控制模式的研究,可以拓宽FACTS装置的安全运行区,提高装置的持续稳定运行和生存能力,最大程度发挥装置的效用。
  五 APF-5SVC联合运行的应用
  随着电力电子器件以及非线性用电设备的广泛使用, 中压电网的电能质量状况也越来越差,中压大容量APF与SVC联合运行系统正是基于这一问题而提出来综合解决方案。
  (1)钢铁、冶金行业
  交流、直流电弧炉,容量很大,其带来的负荷冲击、谐波、电压闪变和波动以及不平衡不可避免地造成电能质量降低,对配电网和其它电力用户以及冶金企业本身而言,都有不良的影响。对于此类电能质量问题,可以采用该系统进行综合治理,可以减少电弧炉对电网系统的冲击;能够稳定电弧炉冶炼期间的母线电压,减少断弧现象,提高冶炼效率,吨钢耗电量将大大降低;该系统还可使电网的功率因数保持在0.95以上, 同时抑制谐波、电压闪变等。
  (2)轧钢设备
  轧钢设备同时拥有大型电动机群(直流电动机、异步电动机、同步电动机)和大功率电力电子装置,其电流冲击大,谐波大,无功消耗大,功率因数低,配网损耗太大。电动机群启动时,会需要额外的大量无功,可能造成供电电网的电压跌落,严重的可能造成电压稳定事故。交流电动机存在磁饱和现象,在启动和运行期间会产生特征谐波;直流电动机的整流环节也会产生严重的谐波污染等。
  (3)汽车制造行业
  汽车制造行业由于采用大量电焊机和交流电机,产生了严重的谐波污染,并需要大量的无功,可能造成供电电网的电压跌落,严重的可能造成电压稳定事故。大量谐波和无功也会导致大量的能量损耗,直接危害设备的运行稳定性和使用寿命。
  (4)轨道交通
  轨道交通由于采用整流负荷和大功率交流电机, 产生了严重的谐波污染,并需要大量的无功, 可能造成供电电网的电压跌落, 严重的可能造成电压稳定事故。与上述(2)、(3)类似, 由于负荷投切频繁,会对供电电网造成间歇性的冲击,造成电压反复波动;交流电动机存在磁饱和现象,在启动和运行期间会产生特征谐波;直流电动机的整流环节也会产生严重的谐波污染等,并导致大量的能量损耗,直接危害设备的运行稳定性。对于上述电能质量问题,可以采用该系统进行综合治理。
  多级H桥串联的主电路拓扑结构应用于APF,可以提高APF的电压等级和输出容量,从而提高对中压大容量非线性负载的谐波补偿能力。

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