后村变电站谐波治理及仿真验证

程云祥，牟善仲，季金豹，孙娅菲，李文锋

（1. 国网日照供电公司，山东 日照 276800；2. 中国电力科学研究院，北京 100192）

国家建设大力发展，不断投入的冶金类工业负载，给电网注入了大量的谐波干扰，严重影响了电网的稳定性。SVG是目前国际上最先进的无功补偿技术，抛开传统大容量的电容、电感器件，通过大功率电力电子器件的高频开关实现无功能量的变换[1-5]。此优势使其在无功补偿、谐波治理、提高系统稳定性等方面得到了广泛的应用[6-10]，尤其在枢纽变电站、新能源发电、工矿企业、电气铁路、港口等领域，更是备受亲睐[11-13]。

山东省日照后村110 kV变电站主要为当地的冶金工业供电，大量工业负荷引起的谐波干扰，已经致使该变电站的电能质量严重超出国家标准。为了有效解决谐波干扰问题，利用PSCAD仿真软件结合变电站实际参数，对系统进行等效工况模拟[14-16]。针对系统的谐波工况，采用“无源+有源”的滤波方案，在变电站35 kV和10 kV侧加装滤波装置。仿真对比系统在加装补偿装置前后的电流、电压和谐波含量，分析得出，山东日照后村110 kV变电站“无源+有源”的滤波方案可有效抑制电网的谐波，提高电网供电的电能质量[17-21]。

1 现有滤波技术对比

伴随电力电子技术的日益更新，电力系统谐波治理领域从第一代的机械式投切滤波电容器FC发展到第二代晶闸管投切TCR型SVC，直至第三代基于IGBT/IEGT电压源逆变技术的SVG。3个时代产品的技术经济性对比如表1所示。

目前，在电网中，基于成本考虑，FC仍广泛应用于功能要求单一的谐波治理领域。伴随电铁、冶金行业迅猛发展，风电等不稳定新能源的并网，电网更倾向于使用SVC、SVG提供多功能无功补偿。近几年，由于电力电子器件成本下调致使SVG价格下降幅度较大。小容量无功补偿（<20 MV·A）领域，SVG由于技术先进，响应速度快，占地面积小等优势正逐步替代SVC。大容量无功补偿领域（>100 MV·A），将综合场地工况、电网情况、工程预算等多方面考虑选择SVC或SVG。

2 项目概况

日照供电局110 kV后村变电站是该地区冶金工业负荷供电的主要变电站，该站通过降压至35 kV和10 kV后向用户供电。其主要负荷接线如图1所示。

图1 110 kV后村变电站接线简图Fig. 1 Single-line diagram of the 110 kV Houcun Substation

该变电站现有2台主变并列运行，容量均为40 000/40 000/40 000 kV·A，且10 kV母线各连接1组电容器，其中，1号电容器组为“1串13并”型式，单只电容器容量为100 kV·A；2号电容器组为“1串3并”型式，单只电容器容量为434 kV·A。

3 方案设计

3.1 变电站电能质量分析

玉溪供电局110 kV后村变电站供电负荷主要是小冶炼厂和轧钢厂。从往年山东电网电能质量在线监测系统监测数据分析结果来看，110 kV日照变电站中、低压侧有大量的谐波电流注入电网，引起该站电能质量各项指标严重超标。为了确定供电负荷对该站电能质量的影响，尤其是谐波电流和电压的影响程度，测试组对该站1号、2号主变10 kV侧、35 kV侧、110 kV侧及部分主要负荷线进行了测试。测试数据汇总如表2所示。

表2 电能质量测试数据汇总Tab. 2 Summary of power quality test data

1）110 kV后村变电站10 kV和35 kV供电负荷为冶炼和轧钢等为主的非线性用户，该类负荷产生大量的谐波电流，谐波电流向系统渗透引起10 kV、35 kV和110 kV母线谐波电压总畸变率超标。

2）110 kV后村变电站存在的谐波源主要是35 kV四纳线、35 kV狮山线和10 kV I厂区线等。其产生的谐波电流均以特征谐波电流5、7、11、13、17、19次为主。

3.2 方案设计

通过表1可以看出，35 kV侧主要会产生5次、7次、11次及以上的谐波电流。因此，考虑采用无源滤波装置（FC）的方案进行谐波治理。根据实际系统用户的要求，滤波器设计为5次单调谐滤波通道，主要对5次谐波进行滤波治理，滤波器的安装容量为14.4 MV·A，其基波补偿容量为8.249 MV·A，安装地点为35 kV 1号母线，如图1所示。图2显示35 kV滤波器安装后对系统5次、7次和11次谐波都不会放大。10 kV侧采用“有源+无源”的谐波治理方案，选取SVG滤除部分5次、7次谐波，FC滤波支路抑制11次以上谐波电流，滤波器的安装容量为4.2 MV·A，其基波补偿容量为3.242 MV·A，安装于10 kV 1号母线。滤波装置对谐波的放大情况如图3所示。

图2 35 kV滤波器对谐波的放大曲线Fig. 2 Harmonic amplification curve by 35 kV filter

图3 10 kV滤波器对谐波的放大曲线Fig. 3 Harmonic amplification curve by 10 kV filter

可见，该滤波器的安装对5次、7次谐波都有所放大，7次谐波放大9倍，滤波电流远超出限制，无法有效滤波。因此，考虑采用SVG有源滤波方式抑制5次和7次谐波。考虑到无源滤波器的无功到送问题，且FC额定状态下3 MV·A输出，设计SVG容量±6 MV·A。

4 PSCAD仿真验证

4.1 日照110 kV后村变电站系统等效模型

对110 kV母线以上系统等效为单机无穷大模型，根据实际系统参数进行等值简化，具体模型参数如表3所示。

表3 变电站等效模型参数Tab. 3 Equivalent model parameters of the substation

根据表3参数，搭建系统仿真模型，如图4所示。

4.2 SVG模型

±6 MV·A SVG主电路部分采用链式拓扑结构，以IGBT大功率全控器件构成的电压源逆变器为核心，每一相都是由6组结构完全相同的链节串联而成，每个链节是一个可输出三电平的单相逆变器，6个链节串联就能得到包括（2×6+1=13）级的阶梯电压波形[19-21]。

4.3 仿真实验

4.3.1 10 kV侧滤波装置及SVG安装前后的系统仿真

根据表1电能质量测试报告中的谐波电流进行PSCAD仿真，可以得到接入装置前系统10 kV侧电流和FFT仿真曲线，如图5所示。

从图5（b）可以很清晰地看到，接入SVG后系统电压和电流的曲线近似平滑，虽然还存在少量谐波电流，但是各次谐波的值远远低于允许限制。

4.3.2 35 kV侧滤波装置接入前后的系统仿真

针对35 kV侧系统母联分的工况，根据表1中的谐波电流参数进行PSCAD仿真等效模拟，对比35 kV侧接入滤波装置、10 kV侧加装滤波装置和SVG装置前后，观察系统35 kV侧母线电流，并对其进行FFT以分析滤波治理后对35 kV侧的影响，如图6所示。

从图6可以看出，35 kV侧接入滤波装置之后电流谐波仍然以5次为主，大小约为19.96 A（见图6（b））。表明10 kV侧未加入滤波装置的情况下，10 kV侧谐波电流渗透到系统35 kV侧。而当10 kV侧加装滤波器和SVG后5次谐波被抑制，系统电流曲线趋于平滑（见图6（c））。

图4 系统主接线仿真示意图Fig. 4 PSCAD model for power grid

图5 10 kV侧单相电流波形及FFT分析Fig. 5 Single phase current waveform and FFT analysis at the 10 kV side

针对35 kV侧系统母联合的工况，系统35 kV接入滤波器后谐波电流仍然以5次为主，大小约为20.16 A，与母联分时的谐波大小相近，也就是说35 kV侧的谐波电流已经基本滤除，所测谐波电流均为从未安装滤波装置的10 kV侧渗透。但是10 kV侧加装滤波装置和SVG后，5次谐波也得到了有效治理。见图7。

4.3.3 负荷侧在系统接入滤波装置及SVG前后的仿真

负荷侧电流仿真曲线如图8所示。通过在同一坐标系下对系统电流、负载侧谐波电流和SVG补偿电流的对比，可以看出SVG发出的滤波电流很好地补偿了负载侧的谐波电流，使系统侧电流接近于正弦波形。

5 结论

1）采用无源+有源的滤波方案后，系统各侧输出电流波形质量好，谐波治理效果明显，提高了系统的运行可靠性和电能质量。

图6 35 kV侧单相电流波形及FFT分析（母联分）Fig. 6 Single phase current waveform and FFT analysis at the 35 kV side（with busbar connection broken）

图7 35 kV侧单相电流波形及FFT分析（母联合）Fig. 7 Single phase current waveform and FFT analysis at the 35 kV side（with busbar connection closed）

2）基于PSCAD仿真软件平台的链式结构SVG模型准确有效，能够较为清晰的模拟实际SVG在各种工况下的运行特性。

图8 负载电流/滤波电流/系统电流图Fig. 8 Load current/filter current/system current curve

3）SVG装置的换流链采用模块化结构，由N个结构完全相同的功率单元模块组成；基于冗余考虑，采用N+1结构，一旦某个功率模块发生故障，通过更换故障模块即可修复装置。

4）该项目现已完成现场试验并于2013年6月底顺利投运。PSCAD仿真实验为装置的顺利并网提供了可靠的技术验证，也为未来输电领域大功率大容量SVG装置的滤波功能设计提供了可靠的经验积累。

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