基于SVG改造项目对电能质量谐波治理的探索

基于SVG改造项目对电能质量谐波治理的探索

吴明轩

辽宁荣信电力电子技术有限公司  辽宁省鞍山市  114000

摘要：为探寻城市轨道交通110kV主变电站电能质量谐波治理的有效方案，以某地铁1号线110kV主变电站静止无功发生器（SVG）设备改造方案为例，在满足无功补偿功能的基础之上，增加滤波功能，探寻110kV侧谐波治理的可能性。经过理论计算及设备运行测试，城市轨道交通运营高峰期电能质量谐波电流均能满足国标限值要求。

关键词：SVG改造项目；电能质量；谐波治理；措施

1概况

车辆牵引供电的整流、逆变装置一直是公认的地铁供电系统中波形畸变的主要来源，电网三相电压的不对称和做牵引直流电源的交流转直流变压器三相阻抗不对称等各种因素，在交流侧将产生5～13次的奇次谐波，这是非特征次谐波的必然结果。由于轨道交通供电系统大量采用等效12脉波或24脉波牵引整流装置、不间断电源（UPS）、整流逆变装置、变频器及大量推广使用照明节能等装置，这会使大量的谐波电流注入电网，增加谐波损耗，影响公用电网的电能质量和供电安全，同时，产生的电力谐波对轨道交通相关机电设备造成影响。如电力谐波对牵引机车的驱动电动机产生干扰，影响机车的安全可靠；电力谐波产生过电压，使运行中的电容器产生漏油、鼓肚及烧毁等故障。目前地铁谐波治理多考虑在低压侧（400V）安装有源滤波装置（APF），但对由于整流机组产生的谐波流入主变电站而导致的主变电站谐波超标问题，并没有较好的解决方案。

2SVG无功补偿装置的构成与作用

2.1SVG无功补偿装置的构成

SVG无功补偿装置由控制装置、功率装置、启动装置组成，由于接线形式各有差别，SVG无功补偿装置可分成直挂式、降压式两种。其中，直挂式设备容量大，但运作效果不佳，降压式的运作效果好，但设备容量低。SVG运作时，系统会将电流、电压信号传递至控制装置，再由内置DSP芯片进行运算，得到IGBT模块的信号。若SVG内部出现故障，可通过控制装置来跳开断路器，对现有故障做出及时隔离。在市面上，无功补偿装置有很多类型，除了SVG，还有SR、SC、TCR、TSC等多个类型。SVG能够实现并网中无功和有功的匹配，提高系统的功率因数。

2.2SVG无功补偿装置的作用

SVG的运作原理类似于IGBT等类型的桥式变流器电路，在电力配网中加装适当的SVG装置，既可以发出无功功率也可以吸收无功功率，以此作出动态调节，优化配网节点电压。SVG可以控制桥式变流器的关断开关元件，使其能够发出电压相位，并以此进行合理的无功补偿。

对比市面上的电容器、调相机，SVG有以下五大优势：（1）一次补偿的速度快，5～20ms便能够响应；（2）功率因数最佳，达到了0.98以上；（3)SVG不会放大谐波，还会过滤谐波；（4)SVG能够做到精确补偿；（5)SVG装置运行寿命长、损耗小、维护成本低，且能够提高电能质量。

3基于SVG改造项目对电能质量谐波治理的措施

3.1 SVG滤波原理及关键技术

3.1.1有源滤波原理

SVG在谐波检测和补偿能力方面具有高精度。通过使用滑动窗口离散傅立叶变换和旋转坐标变换等方法，可以实现2-25次谐波的提取，检测精度超过97%；在谐波补偿过程中，采用pi控制和公关控制的复合控制方法，实现对2-25个指定谐波的开环或闭环补偿，综合补偿精度达到80%。

SVG具有同时补偿谐波、无功功率和负序的功能。通过精确计算基波和谐波分量的有效值和峰值，可以在设备的补偿能力范围内精确补偿目标二次电流。

2）主动过滤装置。SVG采用模块化多电平转换器（MMC）结构的电压源功率电子转换器，功率单元部分由级联的两级功率单元组成。

在控制框图的正向通道中，接受指令的数模转换器对应于SVG公司的脉宽调制器（PWM）执行器，受控对象为SVG公司的并网电抗器和电网阻抗；在控制框图的反馈通道中，反馈测量组件对应于与TV/TV/音频/音频模数转换器对应的SVG的反馈采样电路。在SVG中控制命令通常通过远程控制或本地触摸屏/上位机发送，因此输入信号是一个数字量，输入信号不需要日常的模数转换器。

同步对于数字控制系统极其重要，并且数字控制系统的反馈、控制和输出需要基于相同的时钟同步信号。在大功率电子设备中，采样、控制和调制功能可能位于不同的机柜或板卡中，这些机柜或板卡使用自己的晶体振荡器，需要精心设计的方法来确保同步。

为了实现对SVG公司的有效数字控制，首先需要确定SVG公司系统的采样、控制和调制节奏。作为一种典型的电力电子转换设备。SVG公司的控制系统在时间k对每个反馈量的瞬时值进行采样，并通过k和k+1的运算，在时间k+1和k+2之间执行所获得的调制比。根据脉冲等效原理，在每个采样周期内，积分后的PWM电压平均值与采样周期内平均值连续作用产生的最终结果一致。

3.1.2关键技术

1）链式有源滤波器谐波检测算法。链式有源电力滤波器（AP）装置采用载波移相过程虚拟机（脉宽调制）控制策略，每相输出电压具有较高的等效开关频率，可实现2-25次谐波电流的滤波功能。只要检测到需要滤波的谐波电流的幅度和相位，就可以获得瞬时电流值。通过将该瞬时电流与需要补偿的基本瞬时电流相加，可以获得总的瞬时补偿电流值。

与基波无功电流的检测类似，谐波电流也可以通过坐标变换进行检测。根据以上结论，磁悬浮牵引系统的特征谐波电流为（12k±1）倍，因此该装置可以设置为补偿5次、7次、11次、13次、23次和25次谐波。首先，从系统电压中获得同步信号，然后将n次谐波电流投影到旋转频率为基频n倍的旋转坐标系上。在通过低通滤波器之后，可以获得第n次谐波的幅度。最后，将瞬时谐波电流与同步旋转角进行合成。

通常，它被认为容易受到噪声的影响。对于有源滤波器电流控制，为了有效地去除噪声的影响，在计算过程中需要滤波器对输入的参考电流信号进行处理。负载补偿中的参考电流计算过程通常使用低通滤波器，这通常会在过渡过程中造成大约10毫秒的延迟，但在稳态条件下没有延迟。

3.2改造措施

3.2.1一次部分

为了实现滤波，需要采用优化的直流电压控制策略和双DQ变换锁相环模型策略，以提高相位和负载波形的检测速度和精度，并确保相位之间和相位内部的快速直流电压平衡控制能力；与谐波补偿相关的控制器设备需要升级，以具有更强的实时计算性能；更准确地采集系统的实时电压和电流信号，从而快速检测谐波含量，并提供所需输出电压差的反馈。

3.2.2次要部分

在35kV侧增加一个输入电流采样点，并在原始安装上增加一根TA采集电缆。

3.2.3软件升级

在升级控制器设备的基础上，升级谐波补偿相关软件，增强设备的谐波滤波能力，设置固定频率的谐波滤波内容，分配设备的谐波过滤能力，调整设备的整体运行策略，实现基波和谐波的同时补偿。

3.2.4变压器设计参数的优化

为了使变压器适应输入的谐波电流，有必要同时优化变压器的参数，提高其处理谐波的能力。

结论

改造后的SVG在投入运行后，选择几个工况对谐波治理效果进行测试，具体情况如下。若背景谐波较高，谐波治理仍具有一定的消除谐波效果，但因谐波叠加作用，出现谐波接近或达到国标限值的概率依然较高。在低负荷时间段，在主变电站主变压器低压侧35kV母线侧负荷电流长期较低的情况下，存在SVG谐波补偿准确度有误差的情况，需要在后续技术攻关中予以解决。

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