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Abstract :As for the reactive power compensation and harmonic control of new terminal T3in an airport ,the power quality characteristic data are measured and analyzed ,and SVG +APF compensation scheme and TSC (90%)+SVG (10%)+APF mixed compensation scheme are compared.The SVG +APF compensation scheme which is more suitable for the airport ’s capacitive reactive compensation and special requirement of high reliability is selected.The calculation of compensation and filter capacity of airport project and the operation effect of SVG +APF compensation in airport are introduced.
Key words :capacitive reactive power ;harmonic source ;static var generator (SVG );active power filter (APF );SVG +APF ;total harmonic distortion of electric current THD i ;power factor
摘
要：针对某机场新建T3航站楼的无功功率
补偿和谐波治理问题，实测、分析其电能质量特征数据，比较SVG +APF 补偿方案和TSC (90%)+SVG (10%)+APF 混合型补偿方案，优选出更加适合机场容性无功补偿及高可靠性特殊需求的SVG +APF 补偿方案；介绍机场项目补偿及滤波容量的计算，以及SVG +APF 补偿在机场的运行效果。
关键词：容性无功；谐波源；静止无功发生装置(SVG )；有源电力滤波器(APF );SVG+APF ；电流总谐波畸变率；功率因数
中图分类号:TU852
文献标识码:A
doi :10.3969/j.issn.1003-8493.2018.10.001
0引言
随着技术进步和节能需要，建筑物的用电负载类型已发生很大变化，变频设备(如变频空调、风机、水泵、电梯等),LED 灯,LED 显示器，计算机负载，调光设备等非线性负载的大量使用，造成负荷的功率因数、谐波等电能质量问题越来越突出。新建大型机场更不例外，运行后的电流总谐波畸变率可能达到30%~45%，对机场安全运行造成不良影响。电力电子技术的发展，为解决电能质量问题提供了方案。
下面对机场项目中无功功率补偿和谐波治理等技术进行分析探讨，提出SVG +APF 作为机场低压配电系统无功补偿和滤波解决方案，并介绍SVG 和APF 补偿容量估值计算，供设计人员和建设方在设计和决策时参考。不当之处，欢迎批评指正。
1相关技术的发展概要
1.1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
Analysis and Solution of Reactive Power Compensation and Harmonic in Airport
DU Yiwei
HOU Jian (China Southwest Architectural Design and Research Institute
Corp.Ltd ,Chengdu 610042,China )
杜毅威
侯剑(中国建筑西南设计研究院有限公司，成都市
610042)
机场无功补偿和谐波问题分析及解决方案
作者信息
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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ELECTRICITY
图2TSC 电气结构图Fig.2Electrical structure
of TSC
图3SVG 电气结构图
Fig.3Electrical structure of SVG
图4SVG 电气接线图Fig.4Electrical wiring of SVG
图1MSC 电气结构图Fig.1Electrical structure
of MSC 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。1.2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18kHz ，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。
2机场电能质量特征的数据分析
2.1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4000万，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10/0.4kV ,
1600kVA 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250kvar 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。
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图9
TA3变电所1#变压器测试电流
Fig.9
Test current of transformer 1#of TA3substation
图8TA3变电所1#变压器电压尧电流波形Fig.8Voltage and current waveforms of transformer
1#in TA3substation
图6APF 电气接线图
Fig.6Electrical wiring of APF
图7TA3变电所系统示意图
Fig.7Schematic diagram of TA3substation system
图5APF 电气结构图
Fig.5Electrical structure of APF
2.2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THD i ，如图13所示。2.3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。2.3.1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10kV 和0.4kV 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
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图10TA3变电所1#变压器测试有功功率
Fig.10
Active power for test of transformer 1#of TA3substation
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。2.3.2
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
图11
TA3变电所1#
变压器测试无功功率
Fig.11
Reactive power for test of transformer 1#of TA3substation
图12
TA3变电所1#变压器测试功率因数
Fig.12
Power factor for test of transformer 1#of TA3substation
www.jzdq 表1TA3变电所1#变压器运行时的系统情况
reactivepower
Tab.1System conditions during operation of
#
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。
2.4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18kHz，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。
3两种有源应用方案比较
3.1方案1院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，起到清洁图13TA3变电所1#变压器测试电流总谐波畸变率THD i
Fig.13THD i for test of transformer1#of TA3substation

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