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高压谐波补偿对负载谐波的影响分析与仿真

发布时间:2023-05-23 作者:新风光

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

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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。

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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。

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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。

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图3 采用直接电流控制的静止无功发生器的工作原理

                                                        

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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。

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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

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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。

图片5.png  图片5-2.png

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。


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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。

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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。

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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。


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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

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(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。

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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

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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。



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