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1、新型高压有源滤波补偿装置的应用 。高森 英博电气( 北京) 有限公司北京1 0 0 0 8 3 摘要电力电于设备的酱递应用使非线性设备的容量i 撕增大，导致电力系统严重的电能质量 问题。为提高电能质量，传统上使用的无源滤波补偿装置已经越来越不能满足要求。本文介绍一 种应用于某大型化工企业高压系统的新型有源滤波补偿装置“电能质量有源恢复系统( M A R S ) 竹， 作为一个有源滤波补偿系统可以高动态地补偿任何负载类型的三相设备，可同时实现高压系统的 谐波滤波和动态无功补偿，将电能质量参数有效的控制在标准范围内，提升电能质量。 A b s t r a c tT h eu n i v e r s
2、 a Ia p p l i c a t i o no fp o w e re l e c t r o n i ce q u i p m e n tt on o n l i n e a r e q u i p m e n tc a p a c i t yi sg r a d u a l l yi n c r e a s i n g ，l e a d i n gt os e r i o u sp o w e rq u a l i t yp r o b l e m so f t h ep o w e rs y s t e m T oi m p r o v ep o w e rq u a l i t
3、y ，t r a d i t i o n a lp a s s i v ef i l t e r i n gc o m p e n s a t i o n d e v i c e sh a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l yu n a b l et om e e td e m a n d T h i sp a p e rp r e s e n t san e w t y p eo fa c t i v ef i l t e r “A c t i v er e s t o r ep o w e rq u a l i t ys y s t e m ”( M
4、A R S ) w h i c hi Sa p p l i e di n h i g h v o l t a g es y s t e mo fl a r g e s c a l ec h e m i c a lf a c t o r y T h ea c t i v ef i l t e rc o m p e n s a t i o n s y s t e m c a n d y n a m i c a l l y c o m p e n s a t e a n y t y p e o f t h r e e p h a s e e q u i p m e n t a n d c a n a
5、 c h i e v e h a r m o n i cf i l t e r i n ga n dd y n a m i cr e a c t i v ec o m p e n s a t i o no fh i g hv o l t a g es y s t e m P o w e r q u a l i t yp a r a m e t e r sw i l lb ec o n t r o l l e di nt h es t a n d a r d se f f e c t i v e l yt oe n h a n c ep o w e rq u a l i t y K e yw o
6、 r d sa c t i v ef i l t e r i n g h a r m o n i cr e a c t i v ec o m p e n s a t i o n 1 前言 某大型化工企业3 5 k V 主变压器下主要为整流变压器和动力变压器。变压器下的非线性用电负荷， 导致了系统中谐波含量很高，功率因数低。 我们分析其大量的整流负荷是主要的谐波污染源，因为整流装置为大功率晶闸管整流机组调压，为 直接相位控制系统，交流电源回路内的电流谐波引起电网波形发生畸变，产生电网“污染”。为减小整 流装置对系统产生的谐波污染，此套整流机组增加直流输出电压脉动数，采用1 2 脉波整流，( 特征
7、谐波 为1 2 K + _ l ，K 为正整数1 ，2 ，3 ，) 。但在实际运行时，由于电网、整流装置、负载回路的参数不均衡， 并未达到理想状态，因而系统仍存在较高的偶次谐波和低次谐波。 在本企业的化工生产中，由于生产的连续性，要求电源常年不间断运行。为了防止因谐波问题产生 跳闸现象并危害用电设备安全，必须治理谐波。 另外，在本企业的大功率直流整流供电装置中，当电压波形的导通角度减小时，即谐波量增大时， 其无功也随之增大。在可控硅整流系统中，其无功量很大，且随导通角的减小呈非线形增大。因此系统 功率因数低，必须进行无功补偿。 传统的解决方法是无源滤波补偿方案，即S V C + T C R 方
8、式。但是由于系统谐波复杂，谐波含量过高。 安装无源滤波装置后又会存在新的安全隐患。为了避免系统谐振，安全补偿，有效治理谐波，需要一种 既能有效滤除3 5 k V 系统的谐波又能满足系统的功率因数要求的大功率的高压有源滤波补偿设备。 2 整体设计思路 目前交流电网高压滤波补偿装置，国内外各制造厂家普遍采用的是由电力电容器和滤波电抗器等无 至z 垒I 第四届电能质量( 国际) 研讨会论文集 源器件构成无源滤波器。电容器用作整流装置的固定无功补偿，各次L C 谐振电路可提供相应的高次谐 波补偿电流，根据系统的谐波情况分别采用相应的几个L C 串联谐振支路，通过谐波电流旁路来滤除特 定次数的谐波。此种
9、方式即可提高功率因数和设备出力，降低功率损耗和电能损失，也可改善电压质量。 但电容器的无功出力与运行电压成正比，当电力系统运行电压较低时，补偿效果降低，而运行电压升高 时，易造成过补偿，且因谐波影响，当线路电压波动较大且谐波成分较多，容量选取不合适时，极易造 成无源装置的谐波放大，损坏设备绝缘，导致设备事故，严重时会造成设备停运。故无源装置受系统影 响较大，本企业未采取此种无源方式。 目前较先进的滤波补偿方式为有源方式，有源滤波器是由大功率电力电子元件制作而成的变流设 备，检测负载谐波并主动提供对应的与负载谐波电流大小相等、相位相反的补偿电流。与无源滤波器相 比，有源滤波器具有高度可控制和快速
10、响应特性，并且能跟踪补偿各次谐波，自动产生所需的变化的无 功功率，其特性不受系统影响，无谐波放大危险，相对体积重量较小等突出优点，已成为电力谐波抑制 和无功补偿的重要手段。但目前市场上的有源滤波器单台容量均较小，一般在2 0 0 A 左右，一般应用在 l k V 以下的系统，不适合在高压应用。 本厂3 5 k V 网侧的谐波含量较大，功率因数较低，如使用市场上通用的2 0 0 A 一台的有源滤波器， 必将会造成多机并联而产生的安装与同步性以及动态响应时间受影响等问题，这样将无法保证系统控制 的精度以及稳定性。故针对此情况，选用了产自欧洲的最新型的高压有源滤波补偿装置“电能质量有源 恢复系统(
11、M a i n sA c t i v eR e s t o r i n gS y s t e m ，M A R S ) ”，其单台容量较大，单机最大容量可达1 4 5 0 k V A 。 这样有源装置的单机并联数量减少，节省了占地空间的同时也保证了系统的最大运行稳定性，并减少系 统的维护工作，是针对此系统的最佳的谐波滤波及无功补偿方式。 3 系统解决方案 3 1 一次系统简图 表1 负载统计 负载容量 负载名称形式脉冲数备注 l 【V A 7 样整变S C R69 4 2 5 9 群整变S C R69 0 4 9 总计整变容 1 0 # 整变S C R69 0 4 9 量4 4 8 2 3 k
12、 V A ， l l # 整变S C R68 6 5 0动变容量 1 2 # 整变D 68 6 5 0 2 0 0 0 0 k V A 8 # 动变 2 0 0 0 0 整变整变整变整变整变动变发电机 9 4 2 5 k V A9 0 4 9 k V A9 0 4 9 k V A 8 6 5 0 k 、，A8 6 5 0 k V A2 0 0 0 0 k 、，A1 5 0 0 0 k W 图1 次系统简图 表23 5 k V 线路负载侧所联接的自备电站机组 I 发电机名称发电机总容量备注 I 钳发电机 1 5 0 0 0 k W 3 2 有源滤波补偿装置容量计算 根据G B T1 4 5 4
13、9 - - - 1 9 9 3 的计算公式以及谐波的实测数据可以得到：3 5 k V 进线总的谐波电流 I n = x 0 4 2 + 2 2 + 2 2 + 1 7 6 2 + 0 4 2 + 1 2 2 2 + - + 6 2 + 0 2 2 + 4 8 2 = 2 6 7 6 2 A 消除谐波需要提供的容量鼯4 3x 3 5 k V x 2 6 7 6 2 A = 1 6 2 2 M v a r 当功率因数为O 8 5 时，电流总有效值的实测值I r m s = 1 5 7 A ，此时无功功率Q l = 4 9 9 4 M v a r 而在保证3 5 k V 侧功率因数在0 9 5 时，
14、系统实测有功功率为7 6 0 0 k w ，故此时的无功功率为 0 2 = 7 6 0 0 k W 0 9 5 x 打丽= 2 4 9 8 M v 盯 需要提供的无功功率的容量 Q c = 4 9 9 4 - 2 4 9 8 = 2 4 9 6 M v a r 新型高压有源滤波补偿装置的应用I 冒曼 根据基波无功与谐波的正交原理可以知道，有源滤波器的容量 S a - ( 用于消除谐波的容量) 2 + ( 可提供的基波无功容量) 2 因此，如果保证此3 5 k V 线路谐波含量满足G B T1 4 5 4 9 - - - 1 9 9 3 的标准，功率因数0 9 5 以上，至少 需要的有源装置总的
15、容量为 S a = 五瓦再i 孬：2 9 7 6 M v a r 为了保证系统在任何情况下都能安全运行，需要保证用于消除谐波的容量有2 0 的余量，即为 1 6 2 2 x 1 2 0 = 1 9 4 6 4 M v a r 因此需要的有源装置总的容量S a = 4 1 9 4 6 4 2 + 2 4 9 6 2 = 3 1 6 5 M v a r 根据上面的计算，考虑M A R S 的标准型号，需要3 台1 2 0 0 k V A 5 0 0 V 的有源装置并联，总的容量为 3 6 M v a r ，为了发挥其最大的能力，可以设定有源滤波补偿装置提供的无功容量和消除谐波容量的比例 各5 0
16、，这样系统提供的无功补偿的容量为3 6 x 0 7 0 7 = 2 5 4 6 M v a r ，是实际需求的1 5 7 ；用于补偿无 功的容量也为2 5 4 6 M v a r ，是实际需求的1 0 2 。更进一步的保证了无功补偿和消除谐波的效果。 3 3 变压器的选择 3 3 1 变压器形式的选择 3 台有源装置产生的补偿电流就可以通过并联由l 台变压器传递到3 5 k V 母线上，也可以每台装置 配1 台变压器传递到3 5 k V 母线上。 考虑到系统的灵活性和可靠性，以及变压器的实际生产和将来的安装的方便，采用每台M A R S 配1 台变压器传递到3 5 k V 母线上的方式。 3 3 2 容量的选择 有源装置产生的补偿波形通过变压器传递到3 5 k V 母线上，由于高次谐波的频率高( 1 9 次谐波高达 9 5 0 H z ) ，变压器发热量会增加，因此变压器的容量要比有源装置的容量要大一些
