廣東省輸變電工程公司 沈志偉

智能電網(wǎng)環(huán)境下典型行業(yè)的動態(tài)無功補(bǔ)償與諧波治理綜述

廣東省輸變電工程公司 沈志偉

電壓和諧波是電能質(zhì)量的重要指標(biāo)。隨著智能電網(wǎng)的逐步深入，電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償和諧波問題面臨更大挑戰(zhàn)。本文選取了智能電網(wǎng)最具代表性的風(fēng)力發(fā)電、電動汽車、軌道交通3個行業(yè)領(lǐng)域，著重對負(fù)荷特征、需求分析、經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析3個內(nèi)容進(jìn)行了綜述和 討論。分析結(jié)果表明，SVG型無功補(bǔ)償裝置和APF型諧波治理裝置在綜合性能和經(jīng)濟(jì)性上的平衡優(yōu)勢，是建設(shè)智能電網(wǎng)的關(guān)鍵組件。

智能電網(wǎng)；動態(tài)無功補(bǔ)償；諧波治理

1.引言

電壓和諧波是電能質(zhì)量的重要指標(biāo)。電壓水平直接反映為無功的平衡程度。機(jī)械式投切電容器和電抗器為代表的第一代靜態(tài)無功補(bǔ)償裝置以及同步調(diào)相機(jī)為代表的第一代動態(tài)無功補(bǔ)償裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)方便的優(yōu)點，在國內(nèi)外獲得廣泛應(yīng)用。由于機(jī)械開關(guān)響應(yīng)速度（10-30s）無法跟蹤負(fù)荷無功電流的快速變化，且易引起沖擊涌流和操作過電壓，70年代晶閘管等電力電子器件取代機(jī)械開關(guān)，誕生了第二代無功補(bǔ)償裝置，代表設(shè)備有晶閘管投切電容器TSC、晶閘管控制電抗器TCR和磁控電抗器MCR。第二代裝置在調(diào)節(jié)響應(yīng)速度上大大提升，但仍屬于阻抗型裝置，補(bǔ)償性能受制于系統(tǒng)參數(shù)，且TCR/MCR本身就是諧波源，易產(chǎn)生諧波振蕩放大等嚴(yán)重問題。70年代末，通過大功率電力電子器件高頻開關(guān)實現(xiàn)無功能量變換的第三代無功補(bǔ)償裝置—自換相技術(shù)靜止無功補(bǔ)償裝置(Static Var Generator，SVG)誕生，實現(xiàn)了無功補(bǔ)償功能的飛躍。

智能電網(wǎng)(Smart Grids)是應(yīng)用智能傳感和測量技術(shù)、設(shè)備技術(shù)、控制方法及決策支持系統(tǒng)技術(shù)，以實現(xiàn)電網(wǎng)可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)境友好和使用安全為目標(biāo)的電網(wǎng)智能化，其主要特征包括自愈、激勵用戶、抵御災(zāi)害、滿足用戶高電能質(zhì)量需求、容許各種不同發(fā)電形式的接入、資產(chǎn)的優(yōu)化高效運行等。無功補(bǔ)償和諧波問題在智能電網(wǎng)環(huán)境下面臨了新挑戰(zhàn)：1)電力電子器件和智能組件大量應(yīng)用，使得無功補(bǔ)償和諧波問題更加復(fù)雜；2)電力負(fù)荷對電壓和諧波指標(biāo)提出了更高要求；3)智能電網(wǎng)特性要求無功補(bǔ)償和諧波治理設(shè)備更智能、更快速響應(yīng)、更高效。因此，研究智能電網(wǎng)環(huán)境下典型行業(yè)的動態(tài)無功補(bǔ)償與諧波治理具有重要現(xiàn)實意義。

本文選取了智能電網(wǎng)最具代表性的風(fēng)力發(fā)電、電動汽車和軌道交通3個行業(yè)領(lǐng)域，對其發(fā)電或負(fù)荷特征、需求分析、經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析3個內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)討論。分析結(jié)果表明，SVG型無功補(bǔ)償裝置和APF型諧波裝置在綜合性能和經(jīng)濟(jì)性上的平衡優(yōu)勢，是建設(shè)智能電網(wǎng)的關(guān)鍵組件。

表1 可供風(fēng)電場選擇的無功補(bǔ)償方式經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析

表2 電動汽車諧波防治方式經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析

2.風(fēng)力發(fā)電

2.1 發(fā)電特征

風(fēng)速、風(fēng)向的不確定性以及風(fēng)電機(jī)組的運行特性(風(fēng)電機(jī)組類型復(fù)雜多樣，其中感應(yīng)異步電機(jī)型風(fēng)電機(jī)組數(shù)量眾多)，使得風(fēng)電機(jī)組輸出功率是隨機(jī)波動的，導(dǎo)致并網(wǎng)功率因數(shù)不合格、電壓波動和穩(wěn)定性差等問題，嚴(yán)重時可導(dǎo)致節(jié)點電壓暫降。輔助組件大量采用電力電子器件，產(chǎn)生大量諧波電流。

2.2 智能電網(wǎng)環(huán)境下的需求分析

風(fēng)力發(fā)電是世界各國智能電網(wǎng)戰(zhàn)略的重要內(nèi)容之一。智能電網(wǎng)環(huán)境將極大促進(jìn)各類型、各規(guī)模風(fēng)電場快速發(fā)展(發(fā)電容量比重超過10%)，因此目前風(fēng)力發(fā)電的低效、脆弱和低可靠性問題必須得以解決，使得：

1)滿足風(fēng)電場接入系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求，補(bǔ)償傳輸線路、升壓變壓器和風(fēng)電機(jī)組無功損耗，保持功率因數(shù)在0.95以上；

2)減少系統(tǒng)電壓的波動對風(fēng)機(jī)的影響，減少切機(jī)次數(shù)；

3)使風(fēng)電場具有較好的低電壓穿越能力；

4)配套裝置成熟高效、維護(hù)簡單、 成本適中。

2.3 經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析

可供風(fēng)電場選擇的無功補(bǔ)償裝置主要有以下幾類：①分組電容器；②串聯(lián)電抗器；③TCR型或MCR型可調(diào)式電容器組(SVC)；④SVG；⑤SVG+FC(補(bǔ)償電容器組)5種類型。此5種類型無功補(bǔ)償裝置的經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析 對比如表1所示。在目前工程實際中，通常取方案②或取經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)折中的方案⑤，進(jìn)而根據(jù)需要合理設(shè)計補(bǔ)償裝置容量：

1)對于接入節(jié)點為電網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點的風(fēng)電場或大型風(fēng)電場，須以潮流計算為依據(jù)，并充分考慮系統(tǒng)現(xiàn)有補(bǔ)償能力和風(fēng)機(jī)無功調(diào)節(jié)能力，以確定無功補(bǔ)償容量，目前我國西北風(fēng)電基地常用的補(bǔ)償方案為SVC+FC，SVC單獨運行。

2)對于中小型風(fēng)電場，考慮到其對電網(wǎng)影響相對較小，可按以下原則設(shè)計：對于恒速恒頻風(fēng)電機(jī)，補(bǔ)償容量可按風(fēng)電場裝機(jī)容量的50%-60%設(shè)計；對于變速恒頻風(fēng)電機(jī)，補(bǔ)償容量可按風(fēng)電場裝機(jī)容量的30%-40%設(shè)計；對于直驅(qū)同步風(fēng)電機(jī)，補(bǔ)償容量可按風(fēng)電場裝機(jī)容量的20%-30%設(shè)計；補(bǔ)償方案通常選較經(jīng)濟(jì)的MCR型SVC。

3.電動汽車

3.1 負(fù)荷特征

主要負(fù)荷為電動汽車充電機(jī)和充電站系統(tǒng)。其負(fù)荷特征主要有：

1)電動汽車充電機(jī)和充電站系統(tǒng)為非線性負(fù)載，充電過程中將給電網(wǎng)注入較大諧波電流，諧波次數(shù)主要為6 1k±次，k=1，2，3，…，即5次、7次、11次、13次等奇次諧波，次數(shù)越高，諧波幅值越小。

2)諧波與基波關(guān)系不固定，負(fù)載越輕，則諧波越大，基波越??；濾波電感越大，則諧波越小，基波越大。

3)大規(guī)模保有量的電動汽車實際充電行為是隨機(jī)的，導(dǎo)致電力系統(tǒng)多個變電站負(fù)載率隨機(jī)波動，常規(guī)無功補(bǔ)償難以應(yīng)對。

3.2 智能電網(wǎng)環(huán)境下的需求分析

目前常用電動汽車充電設(shè)備主要有以下兩類：

1)不控整流設(shè)備+DC/DC變換器。優(yōu)點是體積小、直流側(cè)電壓紋波小、動態(tài)響應(yīng)快、高頻隔離，缺點是變換效率低、電網(wǎng)側(cè)電流總畸變率大(在30%左右)，5次、7次、11次和13次等奇次諧波超出國標(biāo)要求。

2)PWM整流設(shè)備+DC/DC變換器。優(yōu)點是體積小、輸出紋波低、動態(tài)性能好、功率因數(shù)高、變換效率高、電網(wǎng)側(cè)電流總畸變率低，不需要配置的諧波治理裝置，但由于目前價格昂貴，應(yīng)用較少。

電動汽車是世界各國智能電網(wǎng)戰(zhàn)略的重要內(nèi)容之一。電動汽車與智能電網(wǎng)相互影響、共同推動。智能電網(wǎng)環(huán)境極大促進(jìn)電動汽車以及各規(guī)模充電機(jī)(站)快速發(fā)展(我國規(guī)劃目標(biāo)是2020年電動汽車保有量達(dá)到500萬輛以上)；電動汽車充放電特性可有效平抑電網(wǎng)負(fù)荷峰谷波動、接納間歇性能源以及提高電網(wǎng)利用效率。因此目前電動汽車充電的低效、低可靠性、對電網(wǎng)電能質(zhì)量影響大、造價昂貴等問題必須得以解決。

3.3 經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析

可供電動汽車充電機(jī)(站)選擇的諧波防治裝置主要有以下幾類：①無源濾波器；②有源濾波器(APF)；③無源+有源混合性濾波器3種類型。此3種類型諧波防治裝置的經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析對比如表2所示。

在目前工程實際中，基于經(jīng)濟(jì)技術(shù)性能的綜合考慮，通常取方案②或取經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)折中的方案③，進(jìn)而根據(jù)需要合理設(shè)計補(bǔ)償裝置容量，其容量設(shè)計公式為：

式中：K為可靠系數(shù)，取1.05-1.20；η為充電機(jī)充電效率；ξ為充電機(jī)在交流電源輸入端產(chǎn)生的諧波電流含有率；S充為單臺充電機(jī)功率。

對于充電容量較大的充電站，還需考慮電力系統(tǒng)周邊電容性補(bǔ)償容量引發(fā)5次、7次諧振的可能，在規(guī)劃工作中需做進(jìn)一步做測試分析，必要時需考慮對電容性補(bǔ)償容量進(jìn)行改造(改為4.5%或6%電抗率)。

4.軌道交通

4.1 負(fù)荷特征

主要負(fù)荷為軌道交通的牽引和輔助供電系統(tǒng)。其負(fù)荷特征主要有：

1)行車頻率的不連續(xù)性引起牽引負(fù)載率變化大，主變無功損耗和負(fù)荷電流變化大，因此，主變所需補(bǔ)償容量變化范圍大，需采用可靠的動態(tài)無功補(bǔ)償裝置。

2)在負(fù)載率較輕時(行車間隙)，無功功率過剩，功率因數(shù)低；在負(fù)載率較重時(行車期)，無功功率不足，功率因數(shù)同樣低。

3)列車在行車過程中加速、制動、乘客人數(shù)、坡度、操作等因素亦使得牽引負(fù)荷隨機(jī)波動。

4)軌道交通普遍存在多條線路由同一變電站供電的現(xiàn)象，受各條線路規(guī)劃先后影響，供電網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和供電線路長度逐年增長，供電網(wǎng)絡(luò)充電功率變化導(dǎo)致無功補(bǔ)償需求變化。

5)城市軌道交通供電系統(tǒng)通常采用環(huán)網(wǎng)方式，且運行方式復(fù)雜，對無功補(bǔ)償要求高。

4.2 智能電網(wǎng)環(huán)境下的需求分析

軌道交通是電動汽車在有軌公共交通領(lǐng)域的延伸，在歐洲、美國和我國有著重要戰(zhàn)略地位。近年來，我國城市軌道交通迅猛發(fā)展，截止2012年，城市軌道線路五十余條，運營里程約1600公里，預(yù)計到2015年全國22個城市擁有79條城市軌道線路，運營里程2259.84公里。因此軌道交通的高速發(fā)展、高速大牽引力機(jī)車對電網(wǎng)的影響、合理控制造價等問題必須得以解決，使得：

1)經(jīng)濟(jì)且合理地補(bǔ)償軌道交通的牽引和輔助供電系統(tǒng)的無功需求；

2)不對接入的城市電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染；

3)運行損耗小，節(jié)能降耗效果顯著；

4)占地、電磁干擾等滿足城市設(shè)施建設(shè)指標(biāo)。

4.3 經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析

可供軌道交通選擇的無功補(bǔ)償裝置主要有以下幾類：①分組電容器；②TCR型或MCR型SVC；③SVG；④SVG+FC；⑤有源電力濾波器（APF）5種類型，類型①-④的經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析詳見表1-1，類型⑤是一種特殊的SVG，經(jīng)濟(jì)技術(shù)性能可參考③。

在目前城市軌道交通工程實際中，由于SVG占地面積小、布置和擴(kuò)展靈活、無需配套加裝濾波設(shè)備的優(yōu)點，使得采用SVG設(shè)備的方案在施工建設(shè)總投資費用上要優(yōu)于采用SVC設(shè)備方案。

此外，SVG具有不產(chǎn)生諧波；運行損耗小；運行噪聲低；電磁干擾小；具有快速電壓支撐能力，可以充分提高牽引供電能力、提高牽引變壓器等設(shè)備的利用率等突出優(yōu)點，因此，不同于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域補(bǔ)償方案選擇的多樣化，采用SVG設(shè)備的方案是城市軌道交通領(lǐng)域的最優(yōu)選擇。

5.結(jié)論

本文選取了智能電網(wǎng)最具代表性的風(fēng)力發(fā)電、電動汽車、軌道交通3個行業(yè)領(lǐng)域，對其發(fā)電或負(fù)荷特征、需求分析、經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析3個內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)討論。分析結(jié)果表明，非線性、隨機(jī)型負(fù)荷大量涌現(xiàn)是智能電網(wǎng)重要特征，現(xiàn)有傳統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置和諧波治理裝置難以應(yīng)對，SVG型無功補(bǔ)償裝置和APF型諧波治理裝置在響應(yīng)速度、可靠性等綜合性能以及土地和空間占用、損耗、運行維護(hù)費用等經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)上的具有更好的平衡優(yōu)勢，可作為智能電網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵組件。

本文目前僅就典型行業(yè)動態(tài)無功補(bǔ)償和諧波治理中的負(fù)荷特征、需求分析、經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析等問題進(jìn)行了綜述。事實上，在行業(yè)規(guī)模(如不同規(guī)模風(fēng)電場的差異、電動汽車充電站規(guī)模差異)、設(shè)計差異(如周邊電容性補(bǔ)償容量對電動汽車充電站諧波治理裝置容量設(shè)計的影響、城市空間對軌道交通補(bǔ)償設(shè)備土地和空間的限制)、需求差異(如電動汽車分散式充電樁和集中式充電站)等問題上，動態(tài)無功補(bǔ)償和諧波治理的規(guī)劃設(shè)計工作存在差別，其研究對于工程實際具有重大價值，本文因篇幅問題留作后續(xù)詳細(xì)討論分析。

[1]鄢家財.靜止無功發(fā)生器(SVG)的研究及應(yīng)用[D].蘭州:蘭州理工大學(xué),2011.

[2]百度百科.有源電力濾波 器[EB/OL].http://baike.baidu.com/view/605245.htm.

[3]百度百科.智能電網(wǎng)[EB/OL].http://baike.baidu.com/view/2222513.htm.

[4]石新春,楊京燕,王毅.電力電子技術(shù)[M].北京:中國電力出版社,2006.

[5]羅斌,綦光澤.大型風(fēng)機(jī)并網(wǎng)的電能質(zhì)量問題及解決方案[J].電力設(shè)備,2008,9(10):19-23.

[6]石巍,張彥昌,張超.風(fēng)電場無功補(bǔ)償容量設(shè)計與補(bǔ)償方式研究[J].電力勘測設(shè)計,2011(3):76-80.

沈志偉（1983—），男，廣東興寧人，電氣工程碩士，工程師，現(xiàn)供職于廣東省輸變電工程公司，主要從事電力設(shè)計方面工作。