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相关技术的发展概要
无功补偿装置的技术发展
传统的无功补偿装置采用接触器控制投切电容器（MSC）的方式，如图1所示，其优点是结构简单、维护方便、造价低，可以对感性无功进行就地静态补偿；缺点是有级调节，动态响应慢（秒级以上延时），接触器易故障，早已不能满足如今很多项目无功补偿快速性响应的要求。升级后采用晶闸管投切电容器的无功补偿装置（TSC），如图2所示，其优点是响应时间快，过零投切，无电流冲击和电压迭加；缺点是仍是有级调节，只能补偿感性无功，其自身功耗偏大，无法补偿容性无功及分相补偿性能差等，近年来也在逐步被淘汰。
基于电力电子技术的静止无功发生装置（SVG），采用全控型半导体器件（IGBT）组成整流和逆变电路，实现动态无功补偿。可以对负荷实现感性、容性双向快速补偿和连续调节，准确提高系统的功率因数、没有谐振，解决了电容电抗LC补偿中遇到的各种问题，能保障供电系统的稳定、安全、高效运行。
SVG基本原理：SVG是基于全控型半导体器件IGBT与先进控制芯片的并网逆变结构，由IGBT与并网电抗通过控制器实时检测负载电流，通过电流分解算法与控制算法，实现实时的双向无功、不平衡补偿，由于电压源型逆变器相较于配电系统阻抗无穷大，因此很好地规避了传统LC补偿装置的风险。SVG电气结构和接线如图3、图4所示。
滤波装置的技术发展
传统的滤波装置采用的是电容、电抗组成的LC滤波电路，在低压配电系统中，一般与电容无功补偿装置配套，设置一定电抗率的电抗器，组成无源滤波装置。由于LC滤波频率是固定的，只能针对系统中某次主要谐波源，如3、5、7次谐波滤波。其优点是结构简单、易维护、造价低；缺点是滤波能力差，如电抗配置不当，还可能引起系统谐振，对配电系统造成危害。
有源电力滤波器APF通过采样负载电流并进行各次谐波和无功分离，控制并主动输出与谐波电流的大小、频率和相位相反的电流，快速响应，抵消负载中谐波电流，实现了动态跟踪滤波。APF可以同时治理谐波和三相不平衡，具有响应速度快、滤波能力强、模块化、安装灵活、方便扩展等特点。APF的开关频率一般大于18 kHz，能够有效抑制2 ~ 50次的谐波，其谐波滤除率高达90 %，可以满足配电系统滤除谐波的需要。
APF的基本原理：将自换相桥式电路通过电抗器并联在电网上，适当调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，使该电路吸收或者发出满足要求的谐波电流。装置通过检测电网电流中整体谐波电流，发出与谐波电流相反的电流，从而达到滤除谐波的目的。APF电气结构和接线如图5、图6所示。
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机场电能质量特征的数据分析
机场负荷和电能质量特点
国内某大型机场航站楼是双跑道独立运营模式的大型机场，2016年旅客吞吐量超过4 000万，排名国内前列。航站楼设有16个配电室，44台变压器，服务区设有9个配电室，18台变压器。现以机场航站楼TA3变电所为例，对电能质量问题进行分析。
TA3变电所的配电装置设置情况：两台10 / 0. 4 kV，1 600 kVA干式变压器，单母线分段运行。负载主要为航站楼候机厅的照明、电梯、空调、登机桥等负载；每台变压器配备2台250 kvar的电容补偿装置，测试时没有投入运行。TA3变电所系统示意如图7所示。
电能质量数据实测
航站楼TA3变电所1#变压器测试数据 —— 电压、电流波形，如图8所示。
航站楼TA3变电所1#变压器测试数据 —— 电流值（单位kA），如图9所示。
航站楼TA3变电所1#变压器测试数据 —— 有功功率（单位：MW），如图10所示。
航站楼TA3变电所1#变压器测试数据 —— 无功功率（Mvar），如图11所示。
航站楼TA3变电所1#变压器测试数据 —— 功率因数，如图12所示。
航站楼TA3变电所1#变压器测试数据 —— 电流总谐波畸变率THDi，如图13所示。
电能质量数据分析
航站楼TA3变电所1#变压器运行时的系统情况如表1所示。
表1 TA3变电所1#变压器运行时的系统情况
▌ 无功特征：容性无功，系统功率因数完全呈现出容性特征
这是因为机场大量使用架空电缆和长距离埋地电缆（含10 kV和0. 4 kV电缆），电缆的分布电容特性占比较大，在变压器轻载情况下（大型机场变压器设计时负载率考虑到互为备用，一般按60 % ~ 65 % 设计，实际运行负载率一般在30 % ~ 40 % 左右），会出现无功呈容性的状况。在此状态下，投入电容器反而雪上加霜，使电压进一步升高，增加了烧毁设备和线路的风险，在夜间负荷更低、电网电压较高的情况下，影响会更大。因此航站楼建成后电容柜基本不投入，实际运行情况也是直接切除、没有投入电容补偿柜。
▌ 谐波特征：越是新建的机场谐波越大
从上述的电压、电流波形图中，可以明显看到电流波形发生严重畸变，存在大量多次和高次谐波。下面对其中主要谐波源进行分析。
机场航站楼内大量的电梯、空调、登机桥，还有大量由UPS开关电源供电的IT系统等负载，这类负载的主要电路结构为整流和变频电路，其负载性质一般分为感性和容性两种，感性负载的单相整流电路为含奇次谐波的电流型谐波源。而容性负载的单相整流电路，由于电容电压会通过整流管向电源反馈，属于电压型谐波源，其谐波含量与电容值的大小有关，电容值越大，谐波含量越大。变频电路谐波源由于采用的是相位控制，其谐波成分不仅含有整数倍数的谐波，还含有非整数倍数的间谐波。
机场的气体电光源主要包括荧光灯、霓虹灯、卤素灯等。根据这类气体放电光源的伏安特性，其非线性特性十分严重，同时含有负的伏安特性（负阻效应）。而气体灯具工作时要与电感性镇流器相串联，使其综合伏安特性不为负才能正常工作，由于镇流器的非线性相当严重，其3次谐波含量在20 % 以上，其特性为对称函数，只含有奇次谐波，因此气体电光源设备属于电流源型谐波源。
LED灯和LED显示屏造成的谐波问题就更加突出。LED灯采用低压直流驱动，为了降低低压直流电流在各种输送环节损耗，LED一般采用开关恒流电源模块，配置成分布式局部低压直流供电模式。这种模式在解决低压传输损耗的同时，也带来了谐波污染和中性线电流过大等问题。大量LED的使用就意味着大量的开关电源同时工作，带来大量谐波。目前质量较好的LED灯，谐波畸变率在30 % 左右，质量差的可能达到80 %。
由于谐波对电力系统及用户的诸多影响与危害，必须采取有效措施来抑制电力系统中的谐波。
机场无功补偿和滤波
无功补偿：由于传统的电容无功补偿方法（MSC / TSC）只能对感性无功进行静态补偿，由于其响应速度慢、无法补偿容性无功、分相补偿性能差、占空间大等缺陷，会造成诸如功率因数罚款及系统谐振、电容器烧毁等补偿装置安全事故等，不适合在机场项目上使用。
SVG装置突破了传统的无功补偿理念，采用全控型半导体器件IGBT搭建整流和逆变电路，组成有源静态无功发生器，可对负荷实现双向补偿和连续调节，能够快速连续地输出容性或者感性无功功率，准确提供系统需要的功率因数、消除谐振、解决电容无功补偿中遇到的问题，保障供电系统安全、可靠地运行，适合在机场项目上使用。
滤波：以往滤波主要采用的是无源滤波器，即在补偿电容器上串联针对主要次谐波的一定电抗率的电抗器，存在很大的局限性，一方面是无法对动态变化的谐波有针对性进行滤波；另一方面是滤除效果一般，只能达到50 % ~ 60 %。
有源电力滤波器是一种新型谐波抑制装置，实质上是一种大功率波形发生器，它把谐波源发出的谐波经过采样、180° 移相后，再完整地复制出来，并送到谐波源的入网点，复制的谐波与谐波源产生的谐波幅值相等、方向相反，并跟随谐波的变化而变化，谐波源产生的谐波就完全被抵消了。APF的开关频率一般大于18 kHz，能够有效地抑制2 ~ 50次的谐波，其谐波滤除率高达90 %。
由于该机场原设置的电容补偿及无源滤波装置没能投入运行，该机场已通过对电能质量评估报告，招标重新设计电能质量治理系统，准备采用SVG + APF全面更新低压配电系统补偿及滤波装置。
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两种有源应用方案比较
方案1：SVG + APF补偿方案
集中补偿设计，设计方式可完全参考电容补偿柜，适用于数量众多、布置分散的无功波动负载群及系统谐波含量较高、功率因数较低的应用场合，SVG + APF补偿电流采样信号取自系统进线CT。
SVG + APF相当于动态的无功发电机及谐波控制源，能够连续、动态地补偿无功功率和谐波电流。从各项数据来看，SVG + APF具备谐波滤除能力，起到清洁电力能源、治理电力污染的作用。并能补偿三相负荷不平衡，避免因三相电压不平衡而可能引起的事故。
方案2：TSC（90 %）+ SVG（10 %）+ APF混合型补偿方案
基于SVG有源补偿原理，从经济性角度考虑，将有源补偿与无源补偿结合，形成SVG + TSC混合型补偿加APF方案。通过协调控制，可解决传统无功补偿装置固有的断续补偿问题，避免补偿不连续、容量存在级差的问题，实现对无功的完全实时补偿。SVG + TSC混补示意和接线图如图14、图15所示。
该方案看似合理，性价比较高，但在实际运行中发现，由于小容量SVG单kvar造价较高，同时SVG与TSC联控需要增加一套控制系统，而TSC柜体较大，再加之SVG的制造成本大幅降低，使得SVG + TSC混补方案的成本优势并不明显。另外，电容投切的不可靠性，以及电容不可避免的降容、使用寿命等问题，控制系统的复杂性提高（既高于纯SVG，也高于TSC），有谐振风险，反而使可靠性有所下降，另外针对机场负载的容性无功问题，此方案不能补偿大容量容性无功。
相比较两种方案，方案1相对更为可靠，能全额实时准确补偿容性和感性无功，滤除谐波，无谐振风险，体积更小，节约场地成本，维护简单，寿命长，并且没有明显的高成本差别。更加适合于机场的容性无功补偿及高可靠性的特殊需求。
本文有删减，全文载于《建筑电气》2018年第10期，详文请见杂志。
版权归《建筑电气》所有。
更多精彩内容，还请关注《建筑电气》杂志2018年第10期。
作者：杜毅威，男，中国建筑西南设计研究院有限公司，教授级高级工程师，院副总工程师。
侯剑，男，中国建筑西南设计研究院有限公司，教授级高级工程师，设计九院总工程师。
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