0 引言

电铁机车、轧机、电弧炉及电力电子设备等非线性负荷运行过程中所产生的高次谐波电流大、三相不平衡,且具间歇性、冲击性等特点,采用现有的固定容量的补偿装置,不能满足这类电力负荷安全经济运行的要求。为了治理谐波和提高功率因数,多年来,许多国家都先后研制了多种形式的静止无功补偿和消谐装置,以完成不同类型的无功补偿和治理谐波的任务。

（1）采用晶闸管（SCR）元件的静止无功补偿装置（SVC）与交流滤波器（FC）并联。这种SVC是由晶闸管控制的电抗器（TCR）和晶闸管投切的电容器组（TSC）构成。该装置的优点是在三相系统中应用时,可以用来补偿三相电压的不平衡,对无功输出能连续可调。其缺点是TCR在运行中的无功输出是通过调节晶闸管的导通角来实现的,TCR会产生大量的高次谐波电流,因此交流滤波器的滤波容量要相应地增加,从而使正常运行的损耗也大大增加。若把TCR用于电铁牵引站的单相补偿,其优点得不到展示反而缺点比较显著。

（2）采用高速可关断晶闸管（GTO）的静态无功发生器（SVG）和交流滤波器并联。这种SVG能连续可调输出进相或滞后的无功,从而使系统电压稳定,三相平衡,且基本不产生附加的高次谐波,不用加大交流滤波器的滤波容量,基本设施可减少。目前国内已能制造大容量的SVG工业样机,但投资较大,其运行特性有待于进一步开发和进行工程实践。

（3）采用有源高次谐波滤波器和无源滤波器组混合并联运行,无源滤波器组的作用是提供必需的进相基波无功,并作为低次（3次和5次）谐波滤波电路;有源高次谐波滤波器不提供基波无功,只补偿需要的各次谐波电流。对系统来说,有源高次谐波滤波器是一高阻抗、高次谐波的电流源,它的接入对系统阻抗没有影响,能自行适应被补偿线路所需补偿的谐波电流的需要,不存在过补偿和过负荷的问题;同时,它还能防止系统与电容器组之间可能发生的并联谐振或串联谐振。

传统的消除电网高次谐波的措施是采用LC型的无源滤波器。LC型滤波器与谐波源并联运行,除了起滤去高次谐波的作用外,还可兼顾系统无功补偿的需要,输出相当数额的基波容性无功。LC型滤波器结构简单,运行可靠,维护方便,但占地面积较大,而且还有一些不足之处。

有源滤波器不仅可减小占地面积,而且可有效地解决无源滤波器所存在的问题。有源滤波器与无源滤波器的最大区别在于,它是一种向交流电网注入补偿谐波电流,以抵消负荷所产生的谐波电流的主动式滤波装置,其结构上由静态功率变流器构成,具有半导体功率变流器的高可控性和快速响应性。

1 研制慨况

针对电气化铁道谐波的特征,华北电力科学院1997年提出了铁路牵引站谐波治理工程采用有源和无源滤波器混合并行的方案。因已有的滤波补偿装置在治理电气化铁道、大型轧机和感应炉等负荷的谐波和波动时,在技术性能上存在不少缺点,满足不了现代工业和国民经济对电能质量的要求。因此,研制直挂高压系统的电网高次谐波有源滤波装置很有必要。华北电力科学研究院于1999年6月开始研制这种装置,并于 2003年8月26日全套装置一次投运成功。该补偿装置的投运,有效地滤去了非线性负荷所产生的谐波电流,改善了10kV母线电压的波形,使电压谐波总畸变率从原有的5.0%

以上降低到1.5% 以下,无源滤波器支路同时还补偿了系统所需的无功,使功率因数从0.75 上升到0.93 以上。该套滤波装置投入运行以来,一直稳定可靠,补偿效果显著。

该项目利用了电力系统分析方法和信息处理技术进行装置的总体设计;有源滤波器主回路采用三相独立桥结构;信息处理采用高速数字信号处理器(DSP)和工业控制机相结合的数模混合控制技术;数据采样测量和处理环节采用首创的预整形同步采样技术;大功率绝缘栅双极晶体管(IGBT)元件采用软关断技术和主回路缓冲放电技术;高压有源滤波器和无源滤波器并联运行采用仿真和混合技术;高压并联式混合型有源滤波器采用电磁兼容性设计及其数字仿真技术等,保证了整套装置的技术指标的先进性和补偿功能的稳定可靠。

2 混合型补偿装置的类型

并联式有源滤波器当功率容量足够大时,不仅可以快速地补偿谐波,而且也可用于补偿无功、三相不平衡以及电压的波动和闪变。有源滤波器虽在技术性能上相对于无源滤波器来说具有许多优点,但是由于它本身是一种高技术、多学科的产品,要达到同容量的无功补偿和谐波滤波,初期制造费用比无源滤波器要高得多。解决的办法是采用有源滤波器和无源滤波器相结合的混合型装置,这样能够有效地降低初期的投资费用,并提高滤波补偿的效率。混合型补偿装置有无源滤波器与并联式有源滤波器混合与无源滤波器与串联式有源滤波器复（混）合2种类型。其系统结构如图1所示。

图1 混合型补偿装置电路结构

在并联式混合型补偿装置中,有源滤波器的主回路采用效率高、损耗小的电压源脉宽调制(PWM)逆变器,有源滤波器的作用主要是产生补偿谐波电流的电流IC,无源滤波器主要用于补偿无功,并兼顾补偿某指定次数的谐波。这样安排的优点是可以大大减小并联式有源滤波器的容量,便于并联式有源滤波器的应用。在串联式复（混）合型补偿装置中,有源滤波器的作用是产生补偿谐波电压的电压UC,使电源侧与非线性负荷之间实现谐波隔离。其优点是可大大减小串联式有源滤波器的容量,无源滤波器既可补偿无功又可补偿谐波。其缺陷是应用于高电压等级的串联式有源滤波器的安全隔离和保护,目前在技术方面仍存在一些困难,因而只能应用于一些低电压和小容量的场合［1］。因此本课题选用了适合于高电压等级大容量场合的并联式混合型有源滤波器装置的研制。

3 总体设计方案的考虑

该项目研究内容主要有2点：①高电压(10kV级)、大容量（300kVA以上）有源滤波器的研究,包括有源滤波器的静态和动态特性研究,应用智能控制技术提高有源滤波器的自适应能力,实现最优补偿。②并联式混合型有源滤波器滤波技术的研究,包括无源滤波器和有源滤波器的复合连接技术及动态特性的研究。主要解决的关键问题为高电压、大容量电力有源滤波器的变流技术和谐波电流注入技术;有源滤波器和无源滤波器混合并联技术与智能控制技术。

3.1 主回路的拓扑结构

高电压有源滤波器主回路一般有高—高直接高压结构和高—低变压结构2种。

高—低变压结构的主电路,是使用降压的注入变压器,将10kV高电压经降压注入变压器变成700～1000V,然后采用电压型逆变器多重化技术实现高电压大功率的输出。这种结构的最大优点是有效解决了大功率开关器件的成本问题,因为在低电压下进行调制逆变,可以采用价格低廉的电力电子器件,同时可以降低dU/dt,有效降低装置的开关损耗。本课题采用的这种高—低变压结构的主电路,如图2所示。这种结构可以方便地从三相10kV拓展到单相27.5kV的电压等级,为电铁牵引站的谐波治理工程提供高效的补偿装置。

图2 高低变压结构主电路图

3.2 功率开关器件

功率开关器件应具有如下特点：①在阻断状态下能承受高压。②在导通状态下具有高的电流密度和低的导通压降。③具有足够短的导通时间和关断时间,并能承受高的di/dt和dU/dt。IGBT既具有大功率场效应管（MOSFET）的输入阻抗高、开关速度快的优点,又具有大功率晶体管（GTR）耐压高、流过电流大的优点;其栅极为电压驱动,所需驱动功率小,开关损耗小,工作频率高,是目前应用于有源电力滤波器主回路的比较理想的大功率开关器件。目前的应用水平已达到3.3kV/1.2kA。更重要的是,IGBT已经实现了规模化工业大批量生产,其售价已与GTR差不多,这为大批量的应用提供了充足的来源。IGBT的主要缺点是高压内阻大,通态压降大,因而导通损耗较大。为此要选择合适的工作电压,以降低导通损耗。因此经权衡,本课题选用IGBT为主回路的开关元件。

3.3 IGBT的驱动电路设计

IGBT工作状态的好坏很大程度上取决于驱动电路性能的优劣。驱动电路往往也是大容量PWM技术的关键。本课题采用双通道带互锁的驱动器的设计,非常适合于桥臂连接IGBT的驱动。电路中设置的软关断功能可以自动地增加IGBT的关断时间,并同时可减少直流母线电压的过冲量。驱动电路初级和次级之间采取铁氧体变压器进行隔离,因而对驱动电源的要求不用独立隔离,而可与控制电路共同使用一个电源,简化了电源的设置。驱动电路中设置了一互锁电路,以防半桥的2个IGBT元件的同时导通,通过调节接入的附加电阻,可以方便地调节其死区时间。驱动电路中还设有错误信号存储单元,如果有一个IGBT元件发生短路,或者驱动电源低于额定值,便可通过错误信号存储单元把此信号送到外部控制电路,以实现系统的保护动作。

电路布线寄生的杂散电感是所有大电流开关电源中的关键问题。快速的关断过程,会引起与所储能量和开关速度成比例的过电压冲击。为了防止过电压的损害,需要选择冗余量较大的器件,但会增加整机成本;高的开关电压也会增加系统损耗,降低整机效率。完全消除杂散电抗是不可能的,但可采取措施最大限度地减少线路的杂散电感,可以缩小整个电路的有效回路面积,如采用分层布线结构。可增加栅极串联电阻Rg来抑制dU/dt;降低开关速度,可显著降低过电压尖峰,但增加了开关损耗。实现的方法是在断开IGBT时以接近0Ω的门极阻抗释放门极电荷,直到Uce达到主回路电压值时,再将门极释放路径切换到另一路阻抗通路。

3.4 注入变压器

有源电力滤波器用的注入变压器,承担着把大功率的谐波电流低损耗和无相移地注入10kV线路,以达到在10kV级的公共连接点处补偿非线性负荷所产生的谐波电流。为了使注入变压器的损耗降低到最大限度,在铁心材料选择、绕组结构及绕制工艺上都应采用相应的措施。

3.5 谐波电流检测及补偿信号控制的数字模拟混合技术

能否快速精确地检测出电力线路中需要补偿的谐波分量以及良好的动态跟踪性能,是有源电力滤波装置的关键。这也直接决定了装置的整机性能。

采用瞬时无功功率p－Q法及其演化改进的各种算法,只能用于生成补偿基波无功与所有各次谐波电流的指令信号;同步旋转坐标变换d－Q法及基于改进的带通滤波器提取基波分量法与p－Q法的功能一样;而采用陷波器消除基波分量的方法,同样只能用于补偿所有的各次谐波。在考虑到有源电力滤波器的容量有一定限制,采用无源滤波器的混合型结构环境中,要求可以有选择性地补偿指定次数或指定若干次谐波需要补偿的谐波电流,在这方面可以使有源电力滤波器发挥最优的谐波补偿能力,同时也使无源滤波器对某特定次数的谐波电流不会产生过负荷或谐波放大等［2］。

通过检测非线性负荷端的谐波电流,经过运算后得到谐波电流补偿指令信号,控制有源滤波器主回路产生与负荷谐波电流大小相等、方向相反的电流,以补偿线路中一部分或全部的谐波电流。由于高速的DSP的出现,近年来价格又不断下降,因此采用全数字化的采样、分析、运算来生成有源电力滤波器的补偿指令信号,已不成问题。

采用高速DSP（TMS320F2407A）来完成快速多通道A/D转换,通过FFT等数字式加模拟式计算,可得到与补偿电流相对应的PWM信号,用以驱动主回路的开关器件。测量控制器采用高速DSP和工业控制机相结合来实现,其中DSP用于数据采集、补偿量计算分析和构成;工业控制机（MIC－2000）用于调节、控制、通信和保护。这种数字—模拟式测量控制器与全数字式控制器相比具有测量准确、调节灵敏、响应速度快的优点。负荷电流的检测和分析采用数字方法来实现,可以保证系统的检测分析精确度和稳定性。补偿电流指令生成采用模拟电路来实现,可以实现补偿电流跟踪的快速响应,较好地消除各开关模块之间的环流。

3.6 数字化数据采样测量和控制采用预整形同步采样技术

预整形同步采样技术可严格保证谐波测量检测的高准确度,保证输出补偿信号与系统电压严格同步,从而保证了有源滤波器补偿电流的快速响应和准确性。

采用锁相环路来控制采样脉冲的定时和速率,是一种比较实用的同步采样方法。为了消除畸变波形对同步采样电路工作的影响,可以在同步信号进入锁相环路之前采用预整形的措施,以保证在锁相环路中进行比较时有较高的定时精度。采用预整形同步采样技术来减少同步采样中的同步误差,可以简便地消除积分均值运算中的截断误差或FFT处理的泄漏效应所造成的误差。它尤其适合于对任何非正弦波形的周期信号的测量和实时处理。其特点是同步源信号的幅度变化允许范围宽,高准确度的定时和同步性能不受信号波形畸变的影响,多种同步信号源可方便地由程序选择等。

3.7 装置软件系统

装置的软件系统包括运行和调试程序2大部分。运行程序是软件的主体部分,装置的大部分功能是由运行程序来实现的。为便于程序的开发和管理,软件采用模块化方式设计。调试程序主要实现软件及硬件主要功能模块的性能调试和整定值的写入与修改［4］。

3.8 有源滤波器设计过程的电磁兼容性管理

高压并联式有源滤波器自身结构由交流和直流电力系统、测量、运算和控制等弱电（电子）系统构成。为避免电子系统受到各种干扰,在设计研制过程中,应进行相应的电磁测量和分析,以便对电力系统或电子系统采取措施。

电磁兼容性的管理主要是围绕构成电磁干扰的三要素(即电磁干扰源、干扰耦合途径和敏感设备)来进行的。其管理的内容包括：①电磁干扰产生的机理,如何抑制电磁骚扰源的发射。②电磁干扰以何种方式和途径耦合（或传导）,如何切断电磁干扰的传输途径。③敏感设备对电磁骚扰产生何种影响,如何提高敏感设备的抗干扰能力。高压并联式有源滤波器在运行中,主回路交流接触器的合闸,控制继电器的吸合,IGBT元件的导通和截断等,都会产生不同形式和不同途径的电磁干扰,而测控电子电路回路对这类干扰的呈现最敏感。因此,应根据有关电磁兼容性的标准和规定,合理有效地解决这三要素的问题。

4 滤波补偿装置的仿真运行

使用电磁暂态程序（ElectroMagnetic Transients Program,EMTP）和PSpice进行数模信号混合仿真,可以评价有源电力滤波器的效率和控制系统的功能。在未进行物理试验的情况下,采用软件,可以对有源电力滤波器的结构进行评价［5］。采用CHP谐波潮流计算程序,可以进行10kV并联式混合型有源滤波器装置仿真运行和安全校核,优化参数和结构。

分别按照3种不同的安装位置和控制方法来分析有源滤波器和无源滤波器混合结构的补偿效果。对于每一种结构,仅在谐波滤波效果和串、并联谐振抑制方面进行分析。仿真结果表明,使用有源和无源滤波器相结合的谐波补偿装置的优点为：①能有效地补偿负荷在运行过程中所产生的宽范围的频率变化的谐波电流。②能有效地抑制系统可能产生的并联谐振和串联谐振。

通过分析3种有源和无源滤波器不同的组合结构形式,其仿真结果表明,总谐波电流补偿法和总电流反馈补偿法都具有良好的谐波补偿特性以及抑制系统并联或串联谐振的能力。仿真中还发现,电源电压的谐波分量可能会引起在有源滤波器和无源滤波器之间的电流振荡,这种现象在实际应用中应注意解决。

仿真结果还表明,有源滤波器使用的注入变压器的接线方式,最好为D,d或者Y,y接线方式。这样,对于负荷的配电变压器的接线方式就不需要作规定,任意形式的接线方式都可取得预想的补偿效果。否则会因为注入变压器引起的补偿电流的相移而损坏了补偿效果,导致谐波电流的增加。

5 装置的特性和工业运行效果

该套补偿装置安装在某工业区的一35kV变电站。由上级110kV变电站提供35kV线路主供电。该变电站装有2台分列运行的SZ9－8000/35主变压器。根据当地供电局的长期监测,变电站10kV母线电压总畸变率经常超过国家标准GB/T 14945—1993中规定的谐波电压限值（4%）,有时甚至达到5%～7%。该变电站的非线性负荷主要是一些钢管厂的直流轧机和高频感应加热炉。直流轧机和高频感应加热炉的主要特征谐波为5、7、11和13次谐波,此外还有2、3、4、6等次谐波。

5.1 谐波治理和无功补偿方案

设计无源5次滤波器一组,安装容量为1500kvar,用于滤去5次谐波电流和补偿所需的基波无功。同时并联高压有源滤波器BHY480/10 1台,用于滤除其他各次谐波电流,而且不输出基波无功,以免无功过补。

5.2 装置性能的测量结果和工业投用效果

鉴定委员会专家测试组对该套装置进行特性测量的结果如下：①有源滤波装置三相输出补偿容量设计值为480kVA,实测的输出补偿容量达到508.1kVA以上。②有源滤波装置空投时的空投损耗为563.8W,为额定补偿容量的0.12%。③有源滤波装置具有快速反应跟踪补偿特性,动态响应时间小于0.3ms。④变电站5号10kV母线电压总畸变率在该套滤波补偿装置投运前的测量值为4.9%～5.9%;在该套装置投入运行后的测量值为1.3%～1.5%。由此可见,10kV母线电压波形得到显著改善,电压波形总畸变率下降为1.5%以下。⑤10kV负荷谐波电流的总补偿率为76.4%。⑥装置投运后系统的功率因数从0.75上升到0.93以上。

补偿装置投运前后10kV侧线路电流的频谱分析见图3。补偿装置投运前后10kV侧母线电压的谐波总畸变率变化曲线见图4。

图3 补偿装置投运前后10kV侧线路电流的频谱分析

图4 补偿装置投运前后10kV侧母线电压的谐波总畸变率变化