基于RTDS的某110kV变电站谐波治理措施的研究与仿真分析

电力讯息45

基于RTDS的某110kV变电站谐波治理措施的研究与仿真分析

黄

【摘

萍，晏远进，李翠珍，章勇（广西大学，广西南宁530004）

要】本文拟对谐波情况严重的广西某110kV变电站35kV侧进行谐波治理措施分析，利用实时数字仿真器（RTDS）分别对静止无功补偿

装置（SVC）、静止无功发生器（STATCOM）和混合型有源滤波器（HAPF）三种治理方案进行仿真分析，最终根据变电站的实际情况、谐波治理效果以及技术经济条件选出最佳的治理方案。【关键词】变电站；谐波治理；仿真分析【中图分类号】TM63

【文献标识码】B

【文章编号】（2014）1006-422208-0045-03

1工程概况

广西某110kV变电站谐波电流长期严重超标，造成了母线电压的严重畸变，降低了电网供电质量，干扰了电力系统的安全稳定运行，给电力用户造成了很大影响，给生产带来了很大隐患。因此，谐波治理刻不容缓。

在电力系统中，谐波的产生是由非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不是线性关系，就会形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。哪里有谐波源哪里就会有谐波产生。而电网的谐波主要来自：①发电源质量不高产生谐波；②输配电系统产生谐波；③用电设备产生的谐波。

3变电站谐波治理方案的研究与仿真

3.1静止无功补偿装置

3.1.1拓扑结构

2谐波治理的方法

目前解决谐波污染问题的主要措施有三种：

（1）受端治理，即从受到谐波影响的设备或系统出发，提高它们的抗干扰能力。治理的措施主要有如下几种：选择合理的供电方式，将谐波源由较大的容量的供电点或由高一级电压的电网供电，可以减小谐波对系统和其他用电设备的影响；避免电容器对谐波的放大。改变电容器的串联电抗器，或将电容器组的某些支路改为滤波器。或限定电容器组的投入容量，可以有效地减小电容器对谐波的放大并保证电容器组的安全运行；提高设备的抗干扰能力；改善谐波保护性能。

（2）主动治理，即从谐波源本身出发，是谐波源产生谐波或降低谐波源产生的谐波。治理的方式有：增加变流装置的相数或脉冲数；改变谐波源的配置或工作方式；采用多重化技术，将多个变流器联合起来使用，将多个方波叠加，以消除频率较低的谐波，得到接近正弦波的阶梯波，但装置复杂，成本较高；谐波叠加技术和PWM技术也是很好的主动治理方法。

（3）被动治理，既外加滤波器，阻碍谐波源产生的谐波注入电网，或者阻碍电力系统的谐波流入负载端。如：采用无功滤波器PF，在谐波附近或公用电网节点装设单调谐及高通滤波器，可以吸收谐波电流，同时还可以进行无功补偿，价格较低，运行维护也简单，但是无源滤波器只能滤除电网中的特定次谐波电流，且它的工作性能受电网阻抗影响较大；在谐波源附近和公用电网节点装设并联型和串联型电力有源滤波器

根据变电站的实际情况，为了能够更有效的滤除谐波和进行动态无功补偿，本文采用无源滤波器+晶闸管控制电抗器（PF+TCR）方式的组合SVC拓扑结构。3.1.2元件参数值的计算

SVC的参数设计有两个原则：①无功分配原则，即要综合变电站不同工况下的无功需求情况确定各组PF的无功容量，保证SVC投运后，站内各种工况下110kV和35kV侧的功率因数满足要求；②谐波频率确定原则，即综合变电站不同工况下的主要次特征谐波来确定各组单调谐滤波器的谐振频率，若某种工况下含量最大和超标最严重的若干次的值相差不大，原则上选取低次谐波频率作为PF的谐振频率。

而变电站的实际情况是这样的：当#1～#4电容器全切时所需的无功补偿容量为-3.57MVar，而只投#3电容器的情况下，无功需求为-2.71MVar，两种工况下差距并不大；当#1~#4电容器全都投入的时候所需的无功补偿容量为-12.98MVar，是所有工况下最大的；此外，不同工况下基本上都是5次谐波和11次谐波污染最严重。因此，根据以上两个原则确定两组PF总共所需的无功补偿容量为-13MVar（35kV母线Ⅰ）和-11MVar（35kV母线Ⅱ）和谐振频率次数分别在5次和11次。具体分配方案是35kV母线Ⅰ第一组PF的无功容量为-4MVar，第二组的则为-9MVar；35kV母线Ⅱ第一组PF的无功容量为-9MVar，第二组的则为-2MVar。

单调谐滤波器有可能与电网阻抗发生谐振，为了避免这种情况发生，设置偏调谐为6%，则新的电感值变为1.06Ln，而电阻和电容的值保持不变。

系统所补偿无功功率的范围可以由SVC中的TCR调整，并且TCR能够延伸到感性无功区域，TCR电抗器的容量一定要大于电容器的容量。而必须要满足上述要求的基础上才能通过计算得到TCR电抗器的参数。

3.2静止无功发生器

3.2.1STATCOM的拓扑结构

APF，可以有效起到补偿或隔离谐波的作用，并联型还可以进

行无功功率补偿，它的可控性高、动态性好，可对配电网中的各次谐波进行动态的治理，且工作性能与电网的等效阻抗无关，但装置造价较高，补偿容量较小，电压等级偏低。而采用混合型有源电力滤波器，可以很好的兼顾PF成本低廉、电压等级高、补偿容量大和APF性能优越的优点，属于APF的分支和发展。

STATCOM分为电压型与电流型两种电路结构，所以本设

计方案选用电压型桥式电路作为主电路结构。其中直流侧是一个储能电容，主要用于为STATCOM提供直流侧的电压支撑；逆变器则是反并联二极管式IGBT三相逆变桥结构，它用于将直流电压变换为交流电压，并通过控制IGBT的驱动脉冲控制交流电压的频率、幅值以及相位；STATCOM的交流输出

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侧通过连接电抗器并联到电网中。3.2.2STATCOM容量的确定

根据变电站的数据资料分析可得：当#1～#4四台电容器全切的情况下，110kV母线Ⅰ和35kV母线Ⅰ的功率因数同时达到0.95以上（含0.95）35kV母线Ⅰ所需的无功补偿容量为-1.97MVar，110kV母线Ⅱ和35kV母线Ⅱ的功率因数同时达到0.95以上（含0.95）35kV母线Ⅱ所需的无功补偿容量为-4.59MVar；当只投入#3电容器的时候，如果35kV母线Ⅰ的功率因数达到0.95，则110kV母线Ⅰ已经处于过补偿状态，所以必须切除#3电容器，因此35kV母线Ⅰ所需的无功补偿容量为-2.02MVar，而110kV母线Ⅱ和35kV母线Ⅱ的功率因数同时达到0.95以上（含0.95）35kV母线Ⅱ所需的无功补偿容量为-3.62MVar；当#1~#4四台电容器全投的情况下，35kV母线Ⅰ的功率因数为0.88，110kV母线Ⅰ的功率因数却达到了0.97，为保证110kV侧功率因数不低于0.95和110kV母线Ⅰ不处于过补偿状态，根据《国家电网公司电力无功补偿配置技术原则》的相关规定，使35kV母线Ⅰ的功率因数达到0.95所需的无功补偿容量为-2.92MVar，同理可得35kV母线Ⅱ所需的无功补偿容量为-1.82MVar。

设计STATCOM容量的时候，一般要按照工程经验将所需的无功补偿的最大值乘以1.3倍，以便留有一定的裕量，然后取整数作为STATCOM的容量。根据以上分析可得35kV母线Ⅰ的STATCOM容量确定为±4MVar，35kV母线Ⅱ的STATCOM容量确定为±6MVar。

首先对35kV负载侧电流IL进行无功电流和谐波电流检测得到一个参考电流ILn，然后检测STATCOM注入电网的补偿电流IC，两者的差值是误差信号，再对这个误差信号进行PI控制，得到一个控制指令控制脉宽调制PWM波形发生器中调制波的相位，输出PWM波用于触发STATCOM中三相逆变桥各个桥臂的全控型器件GTO的通断，产生所需要的注入电流，从而抵消系统中的无功和谐波电流，达到谐波抑制和无功补偿的治理效果。

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#1～#4电容器全切时，35kV母线Ⅰ治理后功率因数达到0.95和0.98的无功需求分别为-2.13MVar和-2.68MVar，35kV母线Ⅱ治理后功率因数达到0.95和0.98的无功需求分别为-4.62MVar和-6.04MVar；只投#3电容器的情况下，35kV母线Ⅰ治理后功率因数达到0.95和0.98的无功需求分别为-1.27MVar和-1.82MVar，而35kV母线Ⅱ的为-3.72MVar和-5.17MVar；当#1~#4电容器全都投入的时候，35kV母线Ⅰ治理后功率因数达到0.95和0.98的无功需求分别为-5.18MVar和-8.16MVar，35kV母线Ⅱ的为-9.30MVar和-12.54MVar。根据

无功分配和谐振频率确定两个原则，以及变电站的实际情况，确定两组PF总共所需的无功补偿容量为-7.91MVar（35kV母线Ⅰ）和-10.23MVar（35kV母线Ⅱ）和谐振频率次数分别在5次和7次。具体分配方案是35kV母线Ⅰ第一组PF的无功容量为-2.33MVar，第二组的则为-5.58MVar；35kV母线Ⅱ第一组

PF的无功容量为-5.58MVar，第二组的则为-4.65MVar。

4三种设计方案的仿真分析

为验证三种设计方案的治理效果，分别将以上三种设计方案应用于此变电站电能质量问题最严重的35kV的301开关处，利用RTDS进行仿真，得到如图1的电流波形图和电流频谱图以及总谐波畸变率，谐波治理前后301开关处主要次电流谐波含量对比如表2。

（a）治理前的电网电流波形

3.3混合型有源滤波器

3.3.1混合型有源滤波器的拓扑结构

混合型有源滤波器（HAPF）是目前电能质量综合治理领

域的一种功能全面、技术性能优越的新方法，其优点是能同时满足大功率无功补偿和谐波抑制两个方面的要求，性价比高。其中，由无源滤波器PF进行无功功率的静态补偿，由有源和无源部分共同抑制谐波。L1和C1调谐在基波频率，利用L1与C1对基波谐振的特性，使有源滤波器（APF）基本上不承受基波电压和基波电流，从而有效地减小了APF的基波容量。谐波抑制方面，HAPF通过向电网注入一定的补偿电流来抵消谐波源负荷产生的谐波电流，能自动适应电网阻抗和频率的快速变化，具有高可控性和快速响应特性。HAPF特别适用于该课题研究的变电站的谐波含量大、多次谐波超标的情况，并可以有效减少无源支路的数量，降低系统发生谐振的机率。3.3.2元件参数值的计算

由拓扑结构可知，将电感与电容串联形成基波串联谐振支路，使得有源滤波器基本上不承受基波电压和基波电流，减少了有源滤波器的容量，其参数值如表1所示。

表1基波串联谐振支路参数

（b）治理前的电网电流频谱图以及总谐波畸变率

35kV母线

ⅠⅡ

L1（mH）14.5714.57

C1（μF）690690

（c）SVC投入后的电网电流波形

此外，对变电站各种工况的数据资料计算分析表明：当通过图1和表2对比分析了治理前后的数据，可以得知

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（h）HAPF投入后的电网电流频谱图以及总谐波畸变率

（d）SVC投入后的电网电流频谱图以及总谐波畸变率

图１谐波治理前后电网电流波形和电网电流频谱图以及总谐波畸变率

表2谐波治理前后301开关处主要次电流谐波含量对比

主要次电流谐波含量（A）

5

治理前

717.0912.81.91.707.29

1182.263.203.613.104.64

1334.014.602.93.153.89

175.231.300.950.732.98

THD（%）19.933.031.171.113.00

24.252.42.12.09.94

SVC投入后STATCOM投入后HAPF投入后

国际限值

都低于国际限值，且HAPF方案优于STATCOM方案。

在响应时间上，三种装置都比较快，其中STATCOM的响

（e）STATCOM投入后的电网电流波形

应时间是最快的，但是由于变电站的动态变化频度较低，谐波输出比较稳定，这三种装置的响应时间都能够满足谐波治理的要求。SVC装置技术成熟，易于实现，但是需要大容量的电抗器和电容器，占地面积大，晶闸管的冷却系统必须带电运行，水冷运行维护成本高，风冷效率低；STATCOM的装置调节能力强，克服了SVC许多优点，但是其一般需要采用多重化、多电平技术或者链式结构，工程实现较为复杂，并且STAT-COM装置大多采用门极可关断晶闸管或其他可关断器件，而可关断器件的价格都比较昂贵；HAPF装置在节省资源、工程实现难易程度以及成本上都要优于另外两种装置。

综上所述，HAPF的设计方案更加适合变电站的实际情况，更适合作为变电站的谐波治理方案。

（f）STATCOM投入后的电网电流频谱图以及总谐波畸变率

基金项目：广西大学大学生实验技能和科技创新能力训练基金

资助项目。

参考文献

——结构·原理·控制[M].[1]姜齐荣，赵东元，陈建业.有源电力滤波器—北京：科学出版社，2005.

[2]赵金宝.非线性电力负荷的谐波与抑制技术的研究[D].广西：广西大学，2006.

[3]《电能质量-公用电网谐波》（GB/T14549-1993）[S].[4]《电能质量公用电网间谐波》（GB/T24337-2009）[S].

（g）HAPF投入后的电网电流波形

以下结论：

（1）变电站治理前电流波形畸变严重，其中5次、7次、11次、13次、17次谐波和总谐波含有率严重超标。

（2）经过治理后，三种设计方案都取得了很明显的治理效果，很大程度地改善了电流波形畸变和谐波超标问题。

（3）虽然三种方案都取得了不错的治理效果，但是采用SVC方案治理仿真后电流波形还不够平滑，并且7次、13次以及总谐波含有率仍然超标，治理效果不是很理想，而采用STATCOM和HAPF方案治理仿真后效果较为明显，各项指标

收稿日期：2014-3-21作者简介：黄萍（1977-），女，广西人，讲师，主要从事高电压

技术、高压直流输电等领域的教学和研究工作。

晏远进（1991-），男，广西人，本科生。李翠珍（1991-），女，广西人，本科生。章勇（1990-），男，湖北人，本科生。