一种新型的电网无功补偿及谐波抑制技术

Ｖｏ１．２３　Ｎｏ．３　安徽工业大学学报　第２３卷第３期　Ｊｕｌｙ　２００６　Ｊ．ｏｆ　Ａｎｈｕｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　２００６年７月　文章编号：１６７１—７８７２（２００６）Ｏ３一Ｏ２９８一ｏ４　一种新型的电网无功补偿及谐波抑制技术　陈乐柱’，孟樱’，高绪松　（１．安徽工业大学电气信息学院，安徽马鞍山２４３００２；２．马鞍山钢铁股份有限公司，安徽马鞍山２４３００￣　摘要：提出了一种新型的电网无功连续补偿及谐波抑制思路，介绍了其基本原理并对该思路的核心技术提供了实现方案。最后　进行了仿真分析和实验验证。　关键词：无功功率补偿；谐波抑制；连续可调电压源　中田分类号：ＴＭ７１４　文献标识码：Ｂ　Ａ　Ｎｅｗ　Ｋｉｎｄ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ＶＡＲ　Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ　ａｎｄ　Ｈａｒｍｏｎｉｃ　Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｏｎ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　ＣＩｔＥＮ　Ｌｅ－ｚｈｕ　，ＭＥＮＧ　Ｙｉｎｇｌ，ＧＡＯ　Ｘｕ－ｓｏｎｇ２　（１．Ｓｃｈｏｄ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ａｎｈｕｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍａ＇ａｎｓｈａｎ　２４３００２，Ｃｈｉｎａ；２．　Ｍａ＇ａｎｓｈａｎ　Ｉｒｏｎ＆Ｓｔｅｅｌ　Ｃｏ，Ｌｔｄ．，Ｍａ＇ａｎｓｈａｎ　２４３０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｎｅｗ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｏｎ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｉｔｓ　ｅｓｓｅｎｔｉａｌ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ａｎｄ　ｒｅａｌｉｚａｂｌｅ　ｓｃｈｅｍｅ　ｏｆ　ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｌ　ｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｂｙ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｖｅｒｉｆｉｅｄ　ｂｙ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ；ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｏｕｒｃｅ　引　言　以电力电子装置为主的非线性负荷的广泛应用，使电网中谐波污染和低功率因素问题日趋突出，甚至严　重地影响了供电质量和电网安全。在这一研究领域，将无功补偿和谐波抑制技术相结合是十分熏要的发展趋　势之一。　目前，无功补偿和谐波抑制的方法主要有ＬＣ滤波器、静止无功补偿器ＳＶＣ（Ｓｔａｔｉｃ　Ｖａｌ　Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ）、先　进静止无功发生器ＡＳＶＧ（Ａｄｃａｎｃｅｄ　Ｓｔａｔｉｃ　Ｖａｒ　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）和有源电力滤波器ＡＰＦ（Ａｃｔｉｖｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｆｉｌｔｅｒ）。其中　ＬＣ滤波器以谐波抑制为主，兼顾无功补偿，但不能连续调节。ＳＶＣ本身又分为许多种，有的不能连续补偿无　功功率，如晶闸管投切电容器ＴＳＣ（Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ　Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　Ｃａｐａｃｉｔｏｒ），有的在连续补偿无功的同时又向电网注入　大量谐波，如晶闸管控制电抗器ＴＣＲ（Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　Ｒｅａｃｔｏｒ）＋固定电容器ＦＣ（Ｆｉｘｅｄ　Ｃａｐａｃｉｔｏｒ）。ＡＳＶＧ　可连续地调节感性或容性无功，但它控制复杂、价格昂贵且自身又受所用开关器件频率的限制，不能抑制谐　波。ＡＰＦ能动态抑制谐波和补偿无功功率，但同样控制复杂、成本高、容量有限等限制了在短期内被广泛推广　应用ｆ”。　鉴于上述几种无功补偿和谐波抑制装置的特点，从技术和经济的角度出发，对含有谐波的电网，提出了　一种既可连续补偿无功功率又可抑制谐波的新思路。　．　１基本原理　使滤波装置满足无功补偿的要求一般采用两种方法。一是按滤波要求设计滤波装置，如其无功容量不满　收稿日期：２００５—０９—１５　基金项目：安徽省重点科研资助项目￣４０２２０７６）和安徽省高技自然科学重点资助项目＠００５ＫＪ０７２）　作者简介：陈乐柱（１９６４一），男，安徽六安人。副教授，主要研究方向为无功补偿和谐波治理。　维普资讯 http://www.cqvip.com

第３期　陈乐柱等：一种新型的电网无功补偿及谐波抑制技术　Ｑｃ　，—　Ｌ．、２９９　Ｑｆ　，＿——　～——、．　足要求，加装并联电容器；二是加大滤波容量，使其满足无功补偿的　要求。两者都会有过补或欠补的可能，致使电压过高等问题出现。文　中采用的方案是在第一种方法的基础上，将实现无功功率的连续可　调补偿，确保功率因数稳定在设定值，不会出现欠补或过补。此滤波　补偿装置主要是由无源滤波电路（ＰＰＦ）和连续可调无功补偿电路两　部分组成。为简化起见，以单相为例来说明其基本原理，如图１所示。　１．１　ＬＣ滤波器原理　ｆ　ｒ上　ｌ　此类装置具有结构简单、设备投资少、运行可靠性高、维护方便　等优点，用它来实现谐波抑制。ＬＣ滤波器是由滤波电容器、电抗器和　　．丁ｌ　拜　．Ｈｓ　ＨＰｌｌ　ｌ’…＿●一’一－…　电阻器适当组合丽成，结构如图２所示。其滤波实质上是为电路中的　谐波提供一条释放路径，即保留基波而使谐波短路。同时，由于其自　无功电路　ｕ电网电压；Ｌ￣可调电压源；厶谐波电流源；　身的结构特点使其除了起滤波作用外还能兼顾基波无功功率补偿的　Ｑｃ可调无功；　ＰＰＦ补偿的基波无功　需要。　田１新型的无功补偿殛谐波抑制原理田　滤波器对ｎ次谐波（　Ｊｌ＝　批）的阻抗为Ａｔ）　，　．　１　＼　（　＇ｎＷｓ　。…ｊ一　｝　式中：下标．厂ｎ表示第ｎ次单调谐滤波器。在谐振点处　１　１　Ⅲ　＝—　＿ｌ＿；Ｚ　『；ｌ；　己＜—　Ｔ／，Ｗ　ｓ　一般尺『；ｌ很小，ｎ次谐波电流主要通过尺　分流，很少流人电网中，起　到滤除该次谐波的目的。对基波而言该条支路呈电容性，这样滤波　支路输出的基波无功容量　为：　田２单调谐滤波器原理殛阻抗频率特性　Ｑ严　＂＝＝　・）—丁　‘　—＿＝　ｃ　｝　２”　吲３厶　ＬＣ单调谐滤波器主要用于滤除谐波源中的主要特征谐波。例如，谐波源为六相整流装置时，可设５次、７　次、ｌ１次等单调谐滤波器，若还需滤除更高频率的谐波，可设一组高通滤波器。对于非特征的３次谐波，装设　滤波器应根据３次谐波电流的大小，以及装设其它滤波器后是否可能发生３次谐振来决定。　１．２连续无功补偿原理　如图１中连续可调无功补偿电路所示：电网电压为Ｕ，交流可调电压源为Ｖｖ，Ｃ为电容，要求巩的频率　和相位与电网电压Ｕ相同，通过改变可调电源Ｕ　的幅值就可以改变Ｃ上无功电流的大小，从而实现无功补　偿的连续可调。显然，此部分产生总的无功功率Ｑ　为：　Ｑｃ＝ｕ．　～Ｕ（ｕ－ｕ￣　ｃ　当Ｕｖ＝Ｕ时，Ｑｃ＝Ｏ；当Ｕ　＝Ｏ时，Ｑ　＝　ｃ　，可见随着己￣在　Ｏ之间连续变化时，无功功率在Ｏ　。Ｃ　之　间连续变化。值得注意的是，可调电压源发出的无功Ｑ　为：　Ｑ　・　＝（鲁一　＝　一（鲁一｝）‘】扩　式中，当鲁＝　即可调电压源电压为电网电压的一半时，其输出的无功功率　最大为：Ｑ　＝　＝字　显然，该可调电压源回的容量只需要补偿容量的１／４翻。　２连续可调电压源的实现　产生与电网电压同频、同相、幅值大小连续可调的电压源是该部分实现的关键。对无功补偿动态响应要　求较低的电网，可通过自耦变压器产生，自耦变压器的副边作为电压幅值连续可调的电压源，原边直接接在　维普资讯 http://www.cqvip.com

安徽工业大学　报　２００６年　电网上，既能保证副边电压与电网电压同相位，又具有可　靠、方便、成本低廉的特点。通过合适的控制电路来改变自　耦调压器滑动触头的位置即可获得所需的可变电压。　对控制精度和实时性要求较高的场合，可调电压源可　以采用带有ＳＬＨ的交流斩波调压器。由于开关线性复合　与一验一一示唷一　一　嬲　ＳＬＨ（Ｓｗｉｔｃｈ—Ｌｉｎｅａｒｉｔｙ　Ｈｙｂｒｉｄ）功率变换技术的基本结构　圈３　ＳＬＨ基本结构及功率管的工作状态　（如图３所示）是在开关滤波电路之后增加一级射极输出　器型线性跟随单元凹，该技术的特点在于后级线性电路中　的射极输出器功率管工作在临界饱和偏线性一侧的特殊　状态（见图３），即让开关电源滤波之后的纹波电压　与基　级输入信号　同步且幅值略高于它。这样整个电路既保　持了开关电路的低损耗特性，又兼顾了线性电路较强的负　一～载适应性、鲁棒性和对参考信号的快速刚性跟踪能力，恰　好满足了可调电压源对技术性能指标的要求，具体电路如　图４所示。　田４可调电压源电路结构圈　可调电压源的输入直接取自电网电压，经整流桥整流　得到２个半波，采用ＢＵＣＫ电路斩波调压和滤波后，得到　幅值与占空比成正比的“馒头纹波”，为后级线性逆变单元　供电，后级的二个互补导通开关的射极跟随输出，经推挽　变压器，直接串接在补偿支路中，如图４所示，Ｍ　导通时输　出正半波，Ｍ，导通时输出负半波。此处强调的是前置级放　大电路输出的加于栅极的驱动信号，是比加于集电极的　“馒头纹波”小几伏的大电压信号，使开关工作于放大状　态，其输出跟随驱动信号，这些纹波电压就降在推挽的开　．＝－　Ｌ谐波电流源；￡，电网电压；　可调电压源　关上Ｉｓ］。　图５仿真原理圈　Ｃ补偿系统的容性无功功率。　；　从图６可以清楚地看到，投入滤波装置后电网电流波＿４０ｏ　……………一丽…一　…’一丽…一一………　形的畸变情况有了明显的改善。仅投入了滤波装置而未投　（ａ】投入前　补偿装置，所以电网电压和电流之间仍然存在明显的相位　ｕｕ　差。图７是在滤波和无功补偿装置都投入的前提下，可调　电压源　变化时所对应的电网电压和电流波形。通过３　种不同情况下仿真结果的比较，可以看到：图７（ａ）中可调电》　压源　与电网电压　相等，补偿支路的电流，ｃ为零，即相　当于未投入无功补偿装置，所以该图和图６（ｂ）是一致的；图　一　～维普资讯 http://www.cqvip.com

第３期　陈乐柱等：一种新型的电网无功补偿及谐波抑制技术　３０１　４００’……一－－．…一－　－……　－一－，　……～　…，－一－－…一－－．－………・，　Ｉ　ｉ　：Ｕ　：　：　：　：　：　ｌ　ｔ　＿＿４ｏｏｊ．…　…　．……一一　一．．．．．．．．一…一．．一……～．．～…．…，　，；　一４００　；～　…　０　２０　４０　６０　０　…　．…　２０　４０　……　……．６０　；　ｔ／ｉｎｓ　ｔ／ｍｓ　（ａ）Ｕｖ＝２２０　Ｖ　．　（ｂ）Ｕｖ＝１２０、Ｖ　可调电压源的大小，无功功率可以实现连续补偿。４００］　……。………一………一…～一………………：　为了进一步验证系统的可行性，作了实验研究，可　调电压源部分采用如图４所示的拓扑结构，电网电压通　过桥式二极管整流，斩波和线性输出部分采用富士公司　§　１ＭＢＨ２５Ｄ一１２０型的ＩＧＢＴ分别作为开关管和功率管，利　用集成电路芯片ＴＩＡ９４产生的ＰＷＭ来控制脉宽大小，　从而实现幅值的可调。图８（ｂ）所示为仅加连续补偿支路　：Ｉ　：ｌ　后的电网电压电流实验波形，显然，电压和电流的过零－－４００￣Ｉ．　～………………一………一……　………－……｛’　点已基本重合，但电流波形仍然有谐波成份，却没有增　０　２０　ｄｍ　４０　６０　加谐波；图８（ｃ）所示为连续补偿和滤波均投入后的电网圈７装置都投入的前提下（ｃ）　Ｕ￣＝８０　Ｖ变化时的电嘲电压和电流波形　电压电流实验波形。实验中可调电压源的大小调节时，　电流波形的过零点也左右移动。可见，本装置的效果还是比较明显的。　，、　４小　结　（１）该思路提供连续的容性无功功率，且不对电网产生谐波污染，　从而保证达到最佳的补偿效果。　（２）可变电压源的容量仅为该支路所需无功容量的１／４，且控制方　ｔ／（５ｍｓ／￣）　式和经济成本都优于其它连续无功补偿方式。　ａ）补偿前　（３）在电容器投入时，可先预置可变电压源Ｕ　＝（，，使电容器在零　电流的条件下投入，大大减小对电网的冲击，延长了电容器的使用寿．　命。　凄　（４）除增加一个可变电压源外，本思路还充分利用原有Ｌｃ滤波装　置的电容和电感，极适宜于对现有的有级补偿和滤波装置的技术提　升。　￡　５ｍｓ，格）　｛葺｝考文献：　（ｂｌＩ补偿后　【１］王兆安，杨军，刘进军．谐波抑制和无功功率补偿［Ｍ］．北京：机械工业出版社，　１９９８．　【２］凌志斌，邓超平，郑益慧，等．新型连续无功调节控制器的研制【Ｊ］．电工技术杂　志，２００３，１（８）：４８－５１．　【３］Ｚｈｉｂｉｎ　Ｌｉｎｇ，Ｃｈａｏｐｉｎｇ　Ｄｅｎｇ，Ｐｅｎｇｓｈｅｎ　Ｙｅ．Ａ　Ｎｅｗ　Ｋｉｎｇ　ｏｆ　Ｓｈｕｎｔ　Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　［Ｚ］．Ｃａｐａｃｉｔｏｒ　ｉＬｎｋｅｄ　Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ，ＥＰＥ，２００３－　ｆ４闶谦之，李定，张捍东．开关一线性复合功率变换技术机理和实效【Ｊ】．电工技术学　报，２００２，１７（４）：７５—７９．　ｔ／（５ｍｄ￣）　【５】许海斌，许敏，周谦之．基于开关线性复合功率变换技术的新型无功补偿装置　（ｃ）补偿、滤波后　【Ｊ】．电气传动自动化，２００４，２６（１）：３９＿４２．　图８实验波形