高压并联式混合型电网高次谐波有源滤波装置

介绍了我国首次自主研制并投入工业运行的第一套高压并联式混合型10kV电网高次谐波有源滤波装置的主要特点和设计方案，以及工业运行的效果。该装置是一种并联式有源滤波和无源滤波相结合的混合型成套装置。文中详细介绍了该装置的大容量有源滤波器的主回路设计、功率开关器件的选用、谐波电流检测及补偿信号控制的数字模拟混合技术、滤波装置的并联运行仿真及实际工业运行效果等方面。该装置的鉴定测量结果为：实测补偿容量达508.1kVA以上，超过设计值480kVA;空投损耗为额定补偿容量的0.12%；动态响应时间小于0.3ms；投运后的母线电压畸变率为1.3%～1.5%,比原来的电压波形总畸变率下降1.5%;功率因数从0.75上升到0.93以上。 关键词： 高压；并联式；高次谐波；有源滤波器；混合型；无功补偿；电铁牵引站

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