水电站高耗能企业无源滤波装置的设计与仿真

谭宇翔，任海燕

(广西大学电气工程学院，广西 南宁 530004)

1 绪论

随着电力工业的不断发展，社会生产各部门电气化水平的不断提高，各种换流装置，电力电子设备，电弧炉、感应炉等得到广泛的应用，这些装置的应用一方面提高了国民经济各部门的电气化水平和经济效益，另一方面也给整个电力系统带来了新的问题——谐波污染。水电站谐波污染是电力系统谐波污染的一种特殊情况。造成水电站谐波污染的谐波源主要是水电站所兴办的高耗能企业的非线性设备，它们对谐波电流均有较大的影响。根据调查研究，发现水电站谐波污染有以下特点:(1)谐波电流较大，而电压波形畸变并不严重。(2)谐波电流主要注入发电机，而对系统影响不大。(3)谐波频率丰富。针对中小型水电站谐波污染的这些特点，初步从以下两个方面提出解决方案:(1)主动型抑制措施:即对谐波源本身进行改造，以此减少谐波源的谐波含量或抑制谐波的产生。例如，对以整流设备为主要负荷的企业，在选择整流装置时尽量选取脉动数大的设备，减少谐波电流的产生。(2)被动型抑制措施:即在谐波源处加装各种补偿装置来滤除谐波。滤波装置主要包括无源滤波装置和有源滤波装置两大类。

无源滤波装置中应用最广泛的是单调谐滤波器和高通滤波器。对于含量较大的某次谐波，如:3次、5次、7次等，可以采用单调谐滤波器，逐次滤除。对于在一个较宽频带内含量丰富的谐波，可以考虑安装高通滤波器。实际应用中经常将二者相结合。尽管有源滤波器有着无源滤波器所不具备的巨大技术优势，但目前要想在电力系统中完全取代无源滤波器还不太现实。这是因为与无源滤波器相比，APF的成本较高，装置容量的不足以及可靠性等限制了APF的推广使用。因此，在国内外工程应用中主要还是采用结构简单、运行可靠、维护方便的无源滤波装置。本文主要研究水电站高耗能企业无源滤波装置的设计和仿真，这种“无源型”电力滤波装置除起滤波作用外还兼顾无功补偿和调压的需要。

2 滤波装置的设计

2.1 设计依据

以某水电站及35kV变电所主要供电设备运行参数为例，要求滤波装置投入运行后，35kV系统功率因数应提高到0.92以上。

2.1.1 谐波电流和谐波电压

(1)轧钢厂和冶炼厂10kV母线电压总谐波畸变率达到8.76%，是标准限值的2.2倍，严重超标。轧钢厂轧机为典型的六相整流负荷，产生的谐波电流主要为 5、7、11 次，分别为5.52A、6.99A、3.5A。

(2)35kV变电所35kV母线电压总谐波畸变率达到4.81%，是标准限值的1.6倍，严重超标。氯酸钾厂负荷为六相整流负荷，谐波电流主要是5、7、11次，分别为11.71A、8.88A、1.99A。

(3)1#发电机出口10kV母线电压总谐波畸变率为3.39%，满足国标要求。注入发电机的谐波电流主要是 3、5、7 次，分别为7.77A、13.60A、2.91A。

(4)3#发电机出口10kV母线电压总谐波畸变率为3.38%，满足国标要求。但由于工业小区的谐波负荷由2#主变直接供电，故谐波电压明显高于1#发电机10kV母线。注入3#发电机的谐波电流主要是3、5、7次，分别为9.71A、8.74A、11.65A。

(5)库区负荷谐波电流较小，以5次为主(0.54A)。

(6)水电站110kV母线电压总谐波畸变率为1.71%，满足国标要求。注入110kV系统的谐波电流主要为3、5 次，为0.93A、2.59A。

2.1.2 35kV变电所主要负荷谐波电流

根据电能质量测试报告，水电站及35kV变电所主要负荷，包括轧钢厂、冶炼厂、氯酸钾厂以及库区负荷的谐波电流如表1所示。

实测35kV变电所35kV母线电压总谐波畸变率为4.81%，轧钢厂和冶炼厂10kV母线电压总谐波畸变率为8.76%。

2.2 确定滤波装置的构成

根据实测考核点35kV侧谐波电压的超标情况和负荷的特征谐波次数，设置3个滤波器支路。针对冶炼厂电弧炉负荷由于产生连续次数的特征谐波的特点，采用一组二阶减幅型3次高通滤波器，又称为二阶阻尼滤波器，如图1所示。

表1 负荷谐波电流

图1 高通滤波器原理结构图

图2 高通滤波器阻抗频率特性

|Zn|:高通滤波器谐波阻抗ZN的幅值。

针对轧钢厂轧机、氯酸钾厂电解槽的六相整流负荷特征谐波次数，采用5次、7次两组单调谐滤波装置，如图3和图4所示。单调谐滤波器用于滤除某一特定频率处的谐波电流，其所滤除的谐波电流的频率fn由其参数决定。

图3 单调谐滤波器原理结构图

图4 单调谐滤波器阻抗频率特性

|Zn|为单调谐滤波器的n次谐波阻抗的幅值;n=fn/f1为谐波次数。

2.3 滤波装置的容量和参数

2.3.1 滤波装置容量的计算选择

滤波装置的基波无功功率应包括两部分:

(1)将负荷功率因数提高到目标值所需补偿基波无功功率:根据对负荷有功功率、无功功率、功率因数的测试结果，将功率因数提高到0.92时所需的最大无功功率为

(2)补偿水电站2#主变的无功损耗所需的基波无功功率:这部分又包括变压器的空载无功损耗和变电站中压绕组(35kV侧)的负载无功损耗。

2.3.2 滤波装置参数的计算选择

各滤波器支路的基波容量的分配要综合考虑谐波滤波效果、安装容量大小和安全性指标，采取最优化配置。

(1)电容器额定电压UCN

在各滤波器支路基波容量和谐波源谐波电流确定的前提下，要计算滤波装置其他参数，首先必须确定滤波电容器的额定电压。滤波电容器的额定电压受以下几方面的影响:①系统电压水平;②谐波电流加在电容器两端的谐波电压;③串联电抗器后电容器两端电压的升高;④电压波动使电容器两端电压的升高。考虑以上四个因素并假定:①谐波源电流不放大且全部通过相应滤波器;②滤波器呈纯电阻状态;③电容器中仅通过基波电流和本次谐波电流，计算出各滤波器支路电容器额定电压。由于有串联电抗器，电容器承受的基波电压UC1要比母线运行电压U1(相电压)高，设运行电压上限为U1M，则

首先以3次高通滤波器计算

电容器的额定电压需要等于基电压与调谐频率谐波电压Uch两者的代数Uch=Uc3

(2)基波无功容量

滤波装置总的基波无功容量还取决于补偿的要求。在单调谐滤波电容器参数初选确定后，可以很容易求出基波无功输出，即

再根据Q1(5)、Q1(7)求出总基波无功Q1Σ=Q1(3)+Q1(5)+Q1(7)

(3)基波容抗XC

电容器的额定容量QCN，单位为Mvar。

(4)滤除hn次谐波所需电抗器的大小

串联调谐滤波器的电抗器电阻为:

二阶阻尼滤波器的电阻为:

式中特征电抗Xn为:

由以上计算公式可计算出3次、5次跟7次滤波支路各自的基波容抗，电抗器电抗，以及电容，电感，电阻的大小。

(4)电容器连接方式

单相电容器有串联、并联和串并联三种连接方式。工程实际中应该选择先并后串的方式，即先将电容器进行并联，然后再将各段串联起来。这种方式的优点是任何一段上的一台电容器损坏被切除后，不会影响其他电容器正常工作，只是该段的其他电容器需要承受稍大电荷。通过上述各式及说明，从而确定出各滤波支路的安装容量及电容器连接方式见表2所示。

表2 各滤波支路电容器额定电压及安装容量及连接方式

由计算出的支路滤波电抗器的电感，从而选择合适滤波电抗器，其参数见表3。

表3 各滤波支路电抗器参数

根据计算所得的电阻值确定滤波电阻器额定电阻，从而选定滤波电阻器，其参数如表4所示。

表4 滤波电阻器参数

滤波装置总安装容量 9600kvar，总基波无功6191.5kvar，大于 5590kvar，所以滤波装置投入后，35kV系统功率因数能达到0.92以上，满足功率因数补偿要求。

2.4 滤波装置安全性能校核计算

滤波电容器在运行中除供给所需的基波电流外，还将吸收谐波源产生的谐波电流。这样，通过滤波电容器的电流就有基波和谐波电流(以滤波支路相对应的谐波电流为主，也有部分非同次谐波电流)。这些电流通过电容器时，将在其两端产生基波电压和谢波电压。由于滤波装置长期处于这种特殊的运行状态，为保证其长期、安全运行，对设计的各滤波电容器必须按照标准进行校验，其校验公式如下:

式中:ICN、UCN为滤波电容器的额定电流、额定电压;Ic1、Uc1为滤波电容器的基波电流、基波电压;Ich、Uch为滤波电容器的谐波电流、谐波电压。

表5 各次谐波过电流过电压倍数计算结果

由表5可知:电容器过电流倍数均小于电容器额定电流的1.3倍，由电容器过电压倍数倍数均小于电容器额定电压的1.1倍，故各滤波支路都能安全运行。

2.5 滤波装置的保护

对滤波装置组采用以下保护方式:

(1)单台电容器均采用跌落式外熔丝保护，额定电流按电容器额定电流的1.5～2.0倍选取;

(2)电流速断保护:按滤波器支路5倍额定电流选取，0s时延;

(3)过电流保护:按滤波器支路1.5倍额定电流选取，0.5s时延;

(4)过电压保护:按滤波装置母线电压的1.1倍额定电压选取，当滤波装置母线电压达到其额定电压的1.1倍时，控制器依次切除7次和5次、3次滤波器支路，其间各有20s时延;

(5)失电压保护:当滤波装置母线电压降至65%额定电压时，无时限切除各滤波装置开关;

(6)低周波保护:当滤波装置母线电压品率低于49.5Hz时，发出警报信号;

(7)不平衡保护:采用开口三角电压保护。放电线圈一次电压取电容器额定电压，二次保护线圈电压均取100V，0.5s时延。

3 滤波装置对谐波的改善

根据所选择的技术方案，针对测试期间水电站的运行方式(即1#发电机运行，经过1#主变升压向外送电，3#发电机运行，经2#主变升压向外送电，1#、2#主变110kV并列运行、35kV分列运行，工业小区负荷由2#主变35kV侧供电)，进行谐波潮流计算。

3.1 谐波阻抗

(1)系统阻抗

近似认为系统各元件都是电感性的，并忽略其电阻，因而系统谐波阻抗Xsys(h)等于其基波电抗Xs1与谐波次数h的乘积。基波电抗的求解方法如下所示，

由Xsys(h)=hXs1，得

(2)滤波器阻抗

针对不同频率的谐波，各滤波支路呈现出不同的阻抗。计算同一频率下调谐支路和高通支路的阻抗，分别取阻抗的倒数得到各支路导纳，将所有支路的导纳相加，再取其倒数就得到滤波器阻抗，如图5所示。

图5 滤波器简化等值电路图

3次高通滤波器

5，7次低通滤波器:

滤波器等效阻抗为:

从谐波源看出去，等效阻抗为:

其中L3，L5，L7分别为滤波装置各滤波支路的电感;C3，C5，C7分别为各滤波支路的电容。

3.2 谐波电流与谐波电压

滤波装置投入运行后注入系统的3次、5次、7次以及11次谐波电流、电压分别为:

表6 谐波装置投入运行的各次电压和电流

谐波电压是谐波源注入电网的谐波电流在电网阻抗上产生的。因此，要控制电网中的谐波电压，就必须限制谐波源注入电网的谐波电流。经过对各次主要的谐波电流计算结果的整理分析，下面将滤波装置投入运行前后注入系统的谐波电流和谐波电压以表格的形式列出，如表7所示。

表7 滤波装置投入运行前后谐波参数

由结果可看出滤波装置投入运行后，水电站高耗能企业注入系统的各次谐波电流均未超出国标规定的注入公共连接点的谐波电流允许值，因此是满足要求的。同时，35kV变电所35kV母线谐波电压含有率能满足要求，达到了治理的目的。

4 仿真系统及仿真结果分析

利用MATLAB的Simulink工具箱首先根据电路原型搭建电路模型，然后设定仿真并运行，即可得到所需的电流波形。电源由基波与3次，5次还有7次谐波电流并联而成，设置各自相应的频率与峰值。

图6是以单相无源滤波装置为例来说明该无源滤波装置的滤波性能，图7，图8分别是滤波装置投入前后流入系统的谐波电流波形。

图6 单相无源滤波装置的电路仿真图

图7 无源滤波装置投入前流入系统的谐波电流波形(B相)

图8 无源滤波装置投入后流入系统的谐波电流波形(B相)

从仿真结果可以看出，在用无源滤波装置滤波前，电源电流畸变非常严重;用无源滤波装置滤波后，谐波电流得到有效的抑制，电源电流波形得到明显的改善，基本上为正弦波。

35kV母线电压总谐波畸变率由以前的4.81%降至1.64%，满足国标要求。负荷功率因数将提高到0.92以上，达到了用户的要求，最重要的是滤波装置能抑制谐波对发电机的危害，其潜在的效益和意义是巨大的。仿真结果表明，基于本文所给模型及方法设计的无源滤波装置能够很好的抑制谐波电流进入电网，并有效补偿无功。

5 结论

谐波污染对水电厂的影响主要是谐波电流引起的附加发热对发电机和变压器的影响以及负序性谐波电流对反应负序分量的继电保护和自动装置的影响。适当选择用电设备的形式(主要指整流装置的脉动数)和根据水电站的实际情况(水电站与系统的联系和谐波源的特点等)，选择适当的滤波装置和设备参数可有效解决中小型水电站谐波污染问题。本课题就南津渡水电站的谐波污染问题，提出采用谐波治理和功率因数补偿相结合的“无源型”滤波装置方案。通过校验及仿真结果分析，证实该滤波装置是可行的，达到了滤除谐波及补偿无功的目的。

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