陳思宇，李雅潔，趙 立

(廣西大學 電氣工程學院，廣西 南寧530004)

0 引 言

隨著工業(yè)的發(fā)展，電力系統(tǒng)中的感性負載、容性負載及非線性負載越來越多，帶來的無功和諧波污染也越來越嚴重。由于缺乏無功調節(jié)手段造成了系統(tǒng)電壓變化較大，使電能質量難以保障?？焖儆行У匮a償電網中的無功與諧波電流成為急待解決的重要問題。在供電系統(tǒng)中，當無功補償裝置運行地點的諧波比較嚴重時，電壓、電流波形會有很大畸變，電容器投切控制信號的傳輸就會受到影響，從而有可能引起裝置的誤動或拒動。另一方面，并聯電容器對電網諧波的也會有影響。若電容器容抗和系統(tǒng)感抗配合不恰當，將會造成電網諧波電壓和電流的嚴重放大，給電容器本身帶來極大損傷。可見，無功補償與諧波治理兩者關系密切，為了尋求能同時實現無功補償和諧波治理的裝置，就必須將二者結合起來進行研究。

本文通過matlab/simulink 的仿真軟件，對無功補償后的復合開關投切過程進行分析，并用并聯電抗器的方法除去諧波，最后，完成了無功補償和諧波抑制的功能。

1 補償系統(tǒng)的結構與原理

圖1 為某廠供電系統(tǒng)示意圖，T1為地面變電所主變壓器，電能經高壓電纜下井，到移動變電站T2，降壓后供給電動機M，最后在用電端用無功補償裝置C 對電網進行就地補償。

然而采用無觸點控制的無功補償裝置在投運過程中造成較大的沖擊電流，致使6 kV 線路I 母和II 母側發(fā)生補償電容器燒毀、以及供電系統(tǒng)繼電保護“誤動”、 “誤動”等事故，嚴重影響生產。而復合開關進行無功補償時則會避免系統(tǒng)的瞬間沖擊電流和電網波動［2，3］。

圖1 某廠供電系統(tǒng)示意圖Fig.1 A factory’s power supply system

1.1 復合開關

傳統(tǒng)的無觸點開關有很大的缺陷。采用控制觸發(fā)角來控制投切電容量的多少。這樣做會造成較大的沖擊電流和引入高次諧波。使晶閘管的壽命變短。

本文設計的復合開關采用可控硅和交流接觸器并聯的工作結構。這種結構可以在電容器投切時不產生沖擊電流，并且電容投切復合開關有不易產生諧波、功率損耗小、散熱小的優(yōu)點。

圖2 是復合開關拓撲圖，通過反向晶閘管與接觸器并聯的無觸點復合開關來控制電容器組的投切。具體過程如下:

圖2 復合開關Fig.2 Compound switches

當檢測到相電壓過零后，給復合開關一個觸發(fā)脈沖，由于接觸器導通時間要比晶閘管導通時間慢約30 ms，所以晶閘管先導通，此時電容器組在電壓過零的情況下接入電網系統(tǒng)，避免了電容兩端電壓不等時的瞬間沖擊電流，保護了電容器組。30 ms 以后，接觸器接入電網，晶閘管上的電流就完全轉移到接觸器上，由接觸器連接電容器組接入電網。此時，撤去晶閘管上的觸發(fā)脈沖，晶閘管在電流過零時斷開。從上述過程可以看出，相電壓過零后觸發(fā)脈沖的時刻決定了整個投切的過程，而復合開關無過渡過程是有條件的［4，7］。

1.2 電容器參數選擇

晶閘管導通的時刻也就是復合開關投切電容器的時刻，最佳的時間是電容器兩端電壓等于電源電壓的時刻。

電容器參數的確定主要依賴于系統(tǒng)所需要補償的無功功率的大小，即所投入的電容容量。而電容容量的投入則是由功率因數所決定的。

通過具體分析可得以下兩式:

式中:cosφ1是當前時刻的功率因數;而cosφ2=0.95，是系統(tǒng)需要補償到達的目標功率因數;P，Q 為補償前的有功功率和無功功率;QC為需要補償的無功功率。

電容容量:

從而電容值

本文研究的是1 140 V 的無功補償系統(tǒng)，P =1 000 kW，Q =400 kW，經計算Qc≈80 kVar，代入式 (4)得C = 65.3 μF［1，5，8］。

2 諧 波

大量的諧波使得供電電壓波形發(fā)生畸變而使供電質量下降，同時還會使供電系統(tǒng)的漏電裝置發(fā)生誤動作。由于電網中已經進行無功補償，作為無功補償用的并聯電容器與串入電感發(fā)生諧振，將造成更大的危害。所以，串入電抗的大小要與無功補償裝置中的電容器相適應。

2.1 并聯電容器和諧波的相互影響

在沒有電容設備且不考慮傳輸線路中的電容時，供電系統(tǒng)諧波阻抗Zsn不難得到:

式中:Zsn為系統(tǒng)的n 次諧波電阻;Xsn為系統(tǒng)的n次諧波電抗Xsn= nXs，Xs為系統(tǒng)的工頻短路阻抗。

在系統(tǒng)接入無功功率補償裝置后，系統(tǒng)的諧波等效電路如圖3 所示［1，8］。

圖3 供電系統(tǒng)接入無功功率補償電容器后的電路Fig.3 The circuit of the power supply system with a reactive power compensator

圖3 中，In為諧波源的n 次諧波電流;Isn為流入電網的n 次諧波電流;Icn為流入補償電容器c 的n 次諧波電流。則Isn和Icn可用下式求出［11］:

從式 (6)、(7)可以看出，當Xcn= Xsn時，補償電容器與系統(tǒng)阻抗發(fā)生并聯諧振。因為Xsn=nXs和Xcn= Xc/n，所以在諧振點上的諧波次數:

為了避免串入電抗與補償電容發(fā)生諧振，應對電抗的參數進行討論［9，10］。

2.2 諧波抑制和參數選擇

針對危害最大的五次諧波，來選取電抗容量。根據式 (8)，將n0= 5 代入，得:XL=4%XC，而系統(tǒng)對5 次諧波基本上呈感性負荷，這就存在串聯諧振、造成諧振過電壓的可能，為避免這樣嚴重的事故，選取電抗器容量為電容器容量的6%，即XL= 6%XC

從而求出電抗值:

將前文得到的電容器參數C =65.3 代入式 (9)得到電抗器參數L =9.3 mH［10］。

3 建立模型

通過MATLAB/Simulink 仿真軟件搭建好了1 140 V的無功補償裝置的諧波分析模型，如圖4所示。整個模型由主回路和補償回路兩部分組成。主回路由6 kV/50 Hz 可編程三相電壓源、二次側電壓為110 V 的三相變壓器、三相電壓電流表和三相RLC 負載組成;補償回路由三相電壓電流表、兩組復合開關和三角形接法的電容器組組成。

在進行仿真對比分析的時候，第一次沒有串聯電抗器，只是單純地投入電容器組，并通過可編程的三相電壓源模塊在系統(tǒng)中投入5 次諧波，觀察回路波形。第二次仿真的時候，在三相回路上加入三組電抗器，按照第一次同樣的參數再運行一遍，觀察新的波形，得出結論［11］。

圖4 無功補償裝置諧波分析模型Fig.4 An analytical model of reactive power compens

4 仿真結果

根據以上模型建立和參數設置的研究，通過MATLAB/Simulink 軟件對系統(tǒng)進行了對比仿真分析，具體結果如下:

整個系統(tǒng)運行時間設置為20 s，系統(tǒng)在第9 s投入五次諧波，圖5 是整個系統(tǒng)投切過程A 相流過復合開關的總電流波形，很好地展示了整個電容器組投切的運行過程，可見整個運行過程中沒有出現對電網的劇烈沖擊，滿足1 140 V供電系統(tǒng)穩(wěn)定、安全地無功補償的要求?？梢?，采用反向晶閘管與接觸器并聯的復合開關能很好地消除電容投切瞬間對電網的巨大沖擊。

圖6 為未接入電抗器前的電容側波形，根據圖6 的波形，可以很明顯看到諧波對系統(tǒng)電流造成的影響，在第9 s 投入諧波以后，電流不再是規(guī)范的正弦波。

圖7 是接入電抗器以后的電容側波形，與圖7 相比，波形基本恢復到原本的正弦波形，達到了諧波抑制的效果。

圖5 整個投切過程流過復合開關的總電流波形Fig.5 Total current curve wave of compound switches in the whole switching process

圖6 未投入電抗器之前電容側電流波形Fig.6 Current curve wave without a reactor at the capacitor’s side

圖7 投入電抗器之后電容側電流波形Fig.7 Current curve wave with a reactor at the capacitor’s side

5 結 論

無功補償是電力系統(tǒng)運行的基本需求，為了實現電力系統(tǒng)的無功平衡，需要負荷附近進行補償，在投切電容的最佳時刻觸發(fā)晶閘管，減少了無觸點開關投切電容時產生的沖擊電流。對系統(tǒng)的諧波進行了分析，通過計算，合理選取電抗。最后利用MATLAB 仿真軟件建立了該裝置的仿真模型，對不同的參數進行了對比仿真。根據仿真結果分析，串聯電抗器對諧波有較強的抑制功能，把諧波污染消除在控制范圍之內。通過綜合治理，該廠供電系統(tǒng)的諧波治理取得了較為滿意的效果，從而保證了安全供電，取得了較好的社會效益和經濟效益［6］。

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