一 引言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子裝置的容量不斷增大，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，使用的數(shù)量也在迅速上升，給電網(wǎng)帶來(lái)越來(lái)越嚴(yán)重的電能質(zhì)量問(wèn)題。其中沖擊性、波動(dòng)性負(fù)荷，例如電弧爐、大型軋鋼機(jī)以及電力機(jī)車等在運(yùn)行中不僅會(huì)產(chǎn)生大量的高次諧波，而且還會(huì)產(chǎn)生電壓波動(dòng)、閃變以及三相不平衡等電能質(zhì)量問(wèn)題。另一方面，隨著各種復(fù)雜的、精密的和對(duì)電能質(zhì)量敏感的用電設(shè)備不斷增多，對(duì)電能質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。因此改善電能質(zhì)量對(duì)于電網(wǎng)和用電設(shè)備的安全以及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要的意義，這也是建設(shè)我國(guó)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)必需重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題之一。

電網(wǎng)中的諧波不僅危害電網(wǎng)本身而且危害其周邊設(shè)備。諧波一方面使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低;另一方面使電氣設(shè)備過(guò)熱、產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，并使絕緣老化、使用壽命降低，甚至發(fā)生故障或燒毀。同時(shí)諧波還會(huì)使電力系統(tǒng)局部出現(xiàn)并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設(shè)備燒毀。諧波還會(huì)引起電力保護(hù)裝置和自動(dòng)設(shè)備誤動(dòng)作、電能計(jì)量出現(xiàn)混亂等，對(duì)儀器儀表、通訊設(shè)備和電子設(shè)備等也會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響更是無(wú)法估量。目前許多國(guó)家及國(guó)際組織都制定了諧波標(biāo)準(zhǔn)，1994年國(guó)內(nèi)也制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，即GB/T14549—93 電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波))。因此進(jìn)行電網(wǎng)的諧波治理既是電網(wǎng)安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的客觀需要，也是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范要求。對(duì)于諧波抑制裝置，無(wú)源電力濾波器(Passive Power Filter，PPF)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和成本低，并對(duì)特定次諧波有良好的濾波效果，仍在廣泛使用。但是其濾波效果受電網(wǎng)阻抗和自身參數(shù)影響較大，易與電網(wǎng)阻抗發(fā)生串并聯(lián)諧振而引起事故，如電容器燒毀、過(guò)電壓、過(guò)電流以及主開(kāi)關(guān)頻繁跳閘，影響供電的安全。有源電力濾波器(Active Power Filter，APF)以及無(wú)源和有源結(jié)合使用的混合型有源電力濾波器(HybridActivePower

Filter，HAPF)因其補(bǔ)償諧波性能優(yōu)越、受電網(wǎng)阻抗影響小，正越來(lái)越獲得重視和應(yīng)用。

H橋級(jí)聯(lián)式多電平逆變器，也稱為鏈?zhǔn)蕉嚯娖侥孀兤?，是目前工業(yè)應(yīng)用較為成熟的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，常用于高壓大容量的交流傳動(dòng)系統(tǒng)和靜止補(bǔ)償器(Static Compensator，STATCOM)無(wú)功補(bǔ)償裝置。1999年，阿爾斯通公司研制的75 Mvar鏈?zhǔn)絊TATcOM 采用三角形連接，并在英國(guó)EastClaydon變電站投入運(yùn)行，標(biāo)志著鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)多電平逆變器技術(shù)進(jìn)入實(shí)用化階段，裝置的可靠性很高，該裝置可用率高達(dá)98%。2006年，在上海西郊變電站±50 Mvar鏈?zhǔn)蕉嚯娖侥孀兤鱏TATCOM并網(wǎng)試運(yùn)行。北京利德華福電氣技術(shù)公司也將該鏈?zhǔn)蕉嚯娖侥孀兤饔糜诟邏捍蠊β曙L(fēng)機(jī)、水泵的交流傳動(dòng)中去，2005年產(chǎn)值超過(guò)2億元，成為高壓變頻行業(yè)的佼佼者。若將這種主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用于APF，構(gòu)成級(jí)聯(lián)式APF，可以顯著提高APF對(duì)高壓大容量非線性負(fù)載的諧波補(bǔ)償能力，具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前，在日本、美國(guó)以及歐洲等地區(qū)，低壓中小功率的APF已在工業(yè)和民用設(shè)備上得到了廣泛應(yīng)用，其單機(jī)裝置的容量逐步地提高，并且其諧波補(bǔ)償?shù)拇螖?shù)也在逐步提高，可高達(dá)25次諧波。中壓大容量的APF，也已有了具體的應(yīng)用，如在日本新干線供電系統(tǒng)諧波治理中，APF的容量已達(dá)到48MVA。我國(guó)在APF的應(yīng)用研究方面，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比尚存在著差距。廠礦企業(yè)廣泛使用的大容量非線性電力電子裝置和大容量沖擊性負(fù)載，不僅向中壓電網(wǎng)注入了大量諧波，而且吸收大量的無(wú)功功率。因此在輸配電工程中，往往要求同時(shí)抑制諧波和補(bǔ)償無(wú)功功率。解決兼有無(wú)功功率補(bǔ)償和諧波抑制功能的中壓大容量工業(yè)裝備在實(shí)際應(yīng)用中的關(guān)鍵問(wèn)題，符合國(guó)家對(duì)輸配電電力電子節(jié)能重大技術(shù)的需求(見(jiàn)圖1)。

二、SVC構(gòu)成

靜止型無(wú)功補(bǔ)償裝置主要由TCR晶閘管控制電抗器和TSC晶閘管投切電容器組成，主要功能用于維持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定、補(bǔ)償負(fù)荷無(wú)功功率、提高系統(tǒng)功率因數(shù)、減少系統(tǒng)損耗等。

SVC主要由晶閘管閥組、相控電抗器、固定電容濾波器(FC)、數(shù)字控制系統(tǒng)及閥組狀態(tài)監(jiān)測(cè)保護(hù)裝置等，如圖1所示。

SVC具有以下幾個(gè)特征：

(1)基于Steinmets原理實(shí)現(xiàn)分相調(diào)節(jié)，消除三相不平衡;

(2)應(yīng)用瞬時(shí)無(wú)功理論， 動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，控制精度高;

(3)采用DSP+FPGA的全數(shù)字控制與監(jiān)控系統(tǒng)，安全可靠;

(4)觸發(fā)系統(tǒng)采用先進(jìn)的光電觸發(fā)方式，抗干擾能力強(qiáng);

(5)主電路取能，系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠;

(6)晶閘管閥組反饋實(shí)時(shí)狀態(tài)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)保護(hù);

(7)晶閘管采用強(qiáng)制觸發(fā)保護(hù)(BOD);

(8)冷卻系統(tǒng)采用型材風(fēng)冷方式，運(yùn)行可靠。

三、APF構(gòu)成

高壓APF主要采用級(jí)聯(lián)式結(jié)構(gòu)，通過(guò)由IGBT組成的單相全橋逆變器級(jí)聯(lián)而成，級(jí)聯(lián)的單元個(gè)數(shù)根據(jù)電網(wǎng)電壓等級(jí)和單元直流側(cè)電壓值來(lái)共同確定。其原理如圖2所示。

見(jiàn)圖3，10kV的APF每相10個(gè)單元進(jìn)行級(jí)聯(lián)，三相之間Y型連接經(jīng)由電抗器直接接入10kV電網(wǎng)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、保護(hù)和驅(qū)動(dòng)等功能。

10kV級(jí)聯(lián)APF柜架采用上下分層排列，整個(gè)柜內(nèi)空問(wèn)前后分開(kāi)，中間使用絕緣材料密閉，留出每個(gè)單元的散熱器出風(fēng)口，在柜體后半部分空間形成風(fēng)道， 由離心式風(fēng)機(jī)集中排風(fēng)，柜體前后構(gòu)成氣壓差，形成了各單元的散熱器的獨(dú)立風(fēng)道實(shí)現(xiàn)散熱。

四 APF與SVC聯(lián)合運(yùn)行的發(fā)展

(1)能與SVC聯(lián)合運(yùn)行的中壓大容量MVA級(jí)級(jí)聯(lián)式APF工業(yè)裝置，是一種新型柔性輸配電技術(shù)，適用于6~35kV電壓等級(jí)的輸配電網(wǎng)，容量從數(shù)MVA到數(shù)十MVA不等，可直接用于中壓電網(wǎng)大容量諧波治理，并且可以與大容量、成本較低的SVC聯(lián)合使用，共同改善電網(wǎng)的供電質(zhì)量。同時(shí)可增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，抑制電壓波動(dòng)和閃變，改善系統(tǒng)不平衡，濾除高次諧波，提高功率因數(shù)，節(jié)能降耗。與其他補(bǔ)償裝置相比，具有效率高、響應(yīng)快、占地省、易擴(kuò)展和成本低等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)可用于電力、冶金、電氣化鐵路、有色金屬、石油、煤炭等行業(yè)中的輸配電系統(tǒng)節(jié)能和電能質(zhì)量控制工程，具有廣泛的應(yīng)用前景，將會(huì)產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

(2)從系統(tǒng)的角度對(duì)裝有APF與SVC多輸入多輸出系統(tǒng)進(jìn)行控制器參數(shù)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，消除或減弱兩種裝置的交互作用，達(dá)到兩種裝置協(xié)調(diào)控制。通過(guò)該內(nèi)容的研究，對(duì)于接入電力系統(tǒng)的SVG、STATCOM 等FACTS多種裝置的控制器參數(shù)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)和安全可靠穩(wěn)定運(yùn)行具有理論意義和借鑒價(jià)值。

(3)在電網(wǎng)電壓異常情況下，從SPLL技術(shù)出發(fā)，找出能實(shí)時(shí)檢測(cè)出電網(wǎng)電壓相位的方法。同時(shí)在電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)，從能量的角度找出保證懸浮電容電壓均衡的控制模式，進(jìn)而為APF裝置在異常工況下持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行提供統(tǒng)一解決方案。接入電力系統(tǒng)的SVG、STATCOM 等FACTS裝置同樣會(huì)面對(duì)電網(wǎng)的異常工況，通過(guò)對(duì)異常工況下控制策略和控制模式的研究，可以拓寬FACTS裝置的安全運(yùn)行區(qū)，提高裝置的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行和生存能力，最大程度發(fā)揮裝置的效用。

五 APF-5SVC聯(lián)合運(yùn)行的應(yīng)用

隨著電力電子器件以及非線性用電設(shè)備的廣泛使用， 中壓電網(wǎng)的電能質(zhì)量狀況也越來(lái)越差，中壓大容量APF與SVC聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)正是基于這一問(wèn)題而提出來(lái)綜合解決方案。

(1)鋼鐵、冶金行業(yè)

交流、直流電弧爐，容量很大，其帶來(lái)的負(fù)荷沖擊、諧波、電壓閃變和波動(dòng)以及不平衡不可避免地造成電能質(zhì)量降低，對(duì)配電網(wǎng)和其它電力用戶以及冶金企業(yè)本身而言，都有不良的影響。對(duì)于此類電能質(zhì)量問(wèn)題，可以采用該系統(tǒng)進(jìn)行綜合治理，可以減少電弧爐對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊;能夠穩(wěn)定電弧爐冶煉期間的母線電壓，減少斷弧現(xiàn)象，提高冶煉效率，噸鋼耗電量將大大降低;該系統(tǒng)還可使電網(wǎng)的功率因數(shù)保持在0.95以上， 同時(shí)抑制諧波、電壓閃變等。

(2)軋鋼設(shè)備

軋鋼設(shè)備同時(shí)擁有大型電動(dòng)機(jī)群(直流電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī))和大功率電力電子裝置，其電流沖擊大，諧波大，無(wú)功消耗大，功率因數(shù)低，配網(wǎng)損耗太大。電動(dòng)機(jī)群?jiǎn)?dòng)時(shí)，會(huì)需要額外的大量無(wú)功，可能造成供電電網(wǎng)的電壓跌落，嚴(yán)重的可能造成電壓穩(wěn)定事故。交流電動(dòng)機(jī)存在磁飽和現(xiàn)象，在啟動(dòng)和運(yùn)行期間會(huì)產(chǎn)生特征諧波;直流電動(dòng)機(jī)的整流環(huán)節(jié)也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波污染等。

(3)汽車制造行業(yè)

汽車制造行業(yè)由于采用大量電焊機(jī)和交流電機(jī)，產(chǎn)生了嚴(yán)重的諧波污染，并需要大量的無(wú)功，可能造成供電電網(wǎng)的電壓跌落，嚴(yán)重的可能造成電壓穩(wěn)定事故。大量諧波和無(wú)功也會(huì)導(dǎo)致大量的能量損耗，直接危害設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性和使用壽命。

(4)軌道交通

軌道交通由于采用整流負(fù)荷和大功率交流電機(jī)， 產(chǎn)生了嚴(yán)重的諧波污染，并需要大量的無(wú)功， 可能造成供電電網(wǎng)的電壓跌落， 嚴(yán)重的可能造成電壓穩(wěn)定事故。與上述(2)、(3)類似， 由于負(fù)荷投切頻繁，會(huì)對(duì)供電電網(wǎng)造成間歇性的沖擊，造成電壓反復(fù)波動(dòng);交流電動(dòng)機(jī)存在磁飽和現(xiàn)象，在啟動(dòng)和運(yùn)行期間會(huì)產(chǎn)生特征諧波;直流電動(dòng)機(jī)的整流環(huán)節(jié)也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波污染等，并導(dǎo)致大量的能量損耗，直接危害設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性。對(duì)于上述電能質(zhì)量問(wèn)題，可以采用該系統(tǒng)進(jìn)行綜合治理。

多級(jí)H橋串聯(lián)的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用于APF，可以提高APF的電壓等級(jí)和輸出容量，從而提高對(duì)中壓大容量非線性負(fù)載的諧波補(bǔ)償能力。