靜止無功補(bǔ)償?shù)奶匦苑治雠c仿真研究

楊 斌，李 宏

(西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模的不斷增大，工業(yè)電弧爐、軋鋼機(jī)、電力機(jī)車等沖擊性負(fù)荷在電網(wǎng)中的比例越來越大，這些負(fù)荷功率因素低，而且會造成電網(wǎng)電壓波動及無功功率的劇烈變化，從而惡化電能質(zhì)量和造成大量線路損耗，高次諧波污染也非常嚴(yán)重，對系統(tǒng)供電質(zhì)量造成重大影響，使用戶的正常工作受到較大的影響。如何采取有效措施，根據(jù)需要對無功進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償，減少設(shè)備損耗，提高供電質(zhì)量，在電力系統(tǒng)領(lǐng)域的研究中，有非常重要的意義［1］。因此，提高輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對提高配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平有極其重要的作用，對促進(jìn)工業(yè)進(jìn)步有著重要的貢獻(xiàn)。

無功補(bǔ)償主要有以下幾個(gè)方面的作用:(1)在三相負(fù)載不平衡的情況下，進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒o功補(bǔ)償，可以平衡有功功率及無功負(fù)荷。(2)穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，抑制系統(tǒng)震蕩，提高電能質(zhì)量。在長距離輸電線路中，采用動態(tài)無功補(bǔ)償裝置，可以改善輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高傳輸容量。(3)提高電力系統(tǒng)及負(fù)載的功率因數(shù)，降低設(shè)備功率損耗［2］。

最典型的靜止型無功補(bǔ)償裝置是使用固定電容器+晶閘管控制電抗器(FC+TCR)，使其具有吸收和發(fā)出無功電流的能力，提高系統(tǒng)功率因數(shù)。它的重要特性是通過控制TCR的觸發(fā)延遲角的變化，來改變補(bǔ)償裝置所需要的無功功率。TSC 只能分組投切電容，和TCR 配合使用時(shí)，才能連續(xù)調(diào)節(jié)補(bǔ)償裝置的無功功率。固定電容器+晶閘管控制電抗器型靜止無功補(bǔ)償裝置能連續(xù)調(diào)節(jié)補(bǔ)償裝置的無功功率，且響應(yīng)速度較快［3］。因此，可以對無功功率進(jìn)行快速動態(tài)補(bǔ)償。

1 SVC的分類及工作原理

圖1 中給出了SVC的不同配置類型單相接線圖。

圖1 單相接線圖

表1 對幾種常見的靜止無功補(bǔ)償裝置作一個(gè)簡要的對比。通過比較我們可以看出TCR 型具有反應(yīng)時(shí)間快，運(yùn)行可靠，可實(shí)現(xiàn)無級、分相調(diào)節(jié)，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，能較好地抑制不對稱負(fù)荷的能力、產(chǎn)生的高次諧波和噪音較小，與靜止無功發(fā)生器SVC 相比，控制較簡單、成本低，實(shí)用價(jià)值較好［4］。

表1 幾種無功功率動態(tài)補(bǔ)償裝置的簡要對比

圖2 SVC 原理圖

如圖2所示，圖中的降壓變壓器是為了降低SVC 造價(jià)，而引入的濾波器則用來吸收SVC 裝置所產(chǎn)生的諧波電流。

TCR的單相基本結(jié)構(gòu)就是由兩個(gè)反并聯(lián)晶閘管與一個(gè)電抗器串聯(lián)構(gòu)成。此結(jié)構(gòu)的有效移相范圍為90° ～180°，觸發(fā)角α=180°，晶閘管全部導(dǎo)通，導(dǎo)通角β=180°，電抗器吸收無功電流最大。瞬時(shí)改變TCR的觸發(fā)角可以改變補(bǔ)償器吸收的無功分量，達(dá)到調(diào)整無功功率的目的，只需要使TCR提供的無功功率的變化量和負(fù)載的變化量是等值反向就可以了，甚至通過改變β 就可以維持電網(wǎng)電壓為恒定值［5］。調(diào)整β 或α 可以平滑地調(diào)整TCR 支路并聯(lián)在系統(tǒng)的等值電抗。其從系統(tǒng)中吸收的無功功率為:

式(1)中，L為電抗器的電感值。

TSC的單項(xiàng)基本結(jié)構(gòu)就是由兩個(gè)反并聯(lián)晶閘管與一個(gè)電容串聯(lián)構(gòu)成，串聯(lián)一個(gè)電抗器是用來抑制電容器投入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)可能產(chǎn)生的沖擊電流。TSC 補(bǔ)償器可以很好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的無功功率補(bǔ)償，TSC 在三相電網(wǎng)中可以三角形連接，也可以星形連接，為了實(shí)現(xiàn)更好的補(bǔ)償，對無功功率應(yīng)盡量做到無極調(diào)節(jié)，從而能根據(jù)電網(wǎng)或負(fù)荷的無功波動，進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償［5］。當(dāng)TSC 支路投入到系統(tǒng)后，其向系統(tǒng)注入的無功功率為:

式(2)中，C為電容器的電容值。由式(1)和式(2)可得SVC 向系統(tǒng)注入的無功功率為:

可見β∈［0，π/2］時(shí)，在系統(tǒng)補(bǔ)償?shù)臒o功功率能連續(xù)平穩(wěn)調(diào)整。一般情況下，為了擴(kuò)大調(diào)節(jié)范圍，SVC 裝置中可采用多個(gè)TSC 支路，并且為了保證能連續(xù)的調(diào)整，TCR的容量略大于一組TSC的容量。若投入的TSC的總電容為C，則SVC的等值電抗為:

SVC的等值U－I 特性由TCR和TSC 組合而成，其U－I特性曲線如圖3所示，Vref為SVC的參考電壓。SVC的可調(diào)整范圍在直線AB 范圍內(nèi)，當(dāng)系統(tǒng)電壓的變化超出SVC的可調(diào)整范圍時(shí)，SVC 就成為一個(gè)固定電抗，即:

圖3 SVC的U－I 曲線特性

2 控制策略

系統(tǒng)的控制目標(biāo)有:(1)當(dāng)電網(wǎng)中負(fù)載發(fā)生波動時(shí)，控制電網(wǎng)電壓為給定值。(2)當(dāng)保證電網(wǎng)電壓保持在給定值的同時(shí)，使系統(tǒng)的功率因數(shù)＞=0.95。

一個(gè)通用的TSC+TCR 型SVC 控制系統(tǒng)的框圖如圖4所示。

圖中控制器結(jié)構(gòu)主要包含電壓測量系統(tǒng)、電壓調(diào)節(jié)器、同步觸發(fā)脈沖發(fā)生器等。其中的測量系統(tǒng)用來測量一次繞組側(cè)的電壓正序分量，該系統(tǒng)利用離散FFT 技術(shù)求取一個(gè)周期內(nèi)的基頻電壓，考慮到系統(tǒng)頻率的變化，該系統(tǒng)與PLL模塊相連，電壓調(diào)節(jié)器將測量得到的控制變量與參考信號相比較，然后將誤差信號經(jīng)過控制器的變換后輸出了一個(gè)標(biāo)幺值電納Bref，這個(gè)信號的大小可以使誤差減小，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差接近于零，Bref 信號再經(jīng)過電壓同步系統(tǒng)和觸發(fā)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖信號，從而實(shí)現(xiàn)對TSC和TCR 支路的晶閘管進(jìn)行導(dǎo)通控制［5］。

圖4 SVC 控制系統(tǒng)框圖

3 仿真結(jié)果

利用Matlab 仿真軟件中Simulink 來研究SVC的補(bǔ)償特性［6］。采用三相可編程電源，電源電壓為735 kV，系統(tǒng)負(fù)荷為200 MVA。SVC 由一組TCR，三組TSC 以及SVC 控制器構(gòu)成了SVC，其中TCR 容量為110 Kvar，三組TSC 容量都為95 Kvar，SVC 通過735 kV/16 kV 變壓器接在負(fù)荷側(cè)，設(shè)置參考電壓值為1.0 p.u.。

圖5 SVC 仿真波形

有關(guān)SVC的仿真波形如圖5所示，在0.1 s 時(shí)，電壓下降，SVC 開始對系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，使得電壓開始增高，三組TSC全部導(dǎo)通，TCR 開始吸收一定的感性功率。到0.4 s 時(shí)，電壓忽然增高，SVC 開始吸收無功功率，使得電壓下降到趨近于1.0p.u.，所用的時(shí)間大概為0.3 s，在這種運(yùn)行方式下，TSC 全部關(guān)斷，TCR 基本全通［7］。當(dāng)補(bǔ)償裝置投入補(bǔ)償0.9 s 后，系統(tǒng)電壓趨近于1.0 p.u.，無功功率從波動頻繁調(diào)整到趨近于0，功率因數(shù)大于0.95，趨近于1，達(dá)到了補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

在進(jìn)行無功補(bǔ)償時(shí)，TCR的容量應(yīng)略大于TSC的容量，這樣才能有比較好的補(bǔ)償效果。把TCR的容量設(shè)置為60 Kvar 來進(jìn)行補(bǔ)償，仿真結(jié)果如圖6，可以看出，無論是在電壓下降還是上升時(shí)，到0.9 s 時(shí)，功率因數(shù)明顯低于1，電壓也低于基準(zhǔn)電壓，補(bǔ)償效果不好。

圖6 SVC 仿真波形

4 結(jié)論

本文介紹了無功補(bǔ)償?shù)闹匾砸约胺诸?，分析了動態(tài)無功補(bǔ)償SVC的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，并通過仿真分析證明了靜止無功補(bǔ)償動態(tài)響應(yīng)效果好，能夠有效抑制電網(wǎng)系統(tǒng)中電壓的突變，并使系統(tǒng)的功率因數(shù)滿足大于0.95的要求，降低了電網(wǎng)的損耗，達(dá)到了電力部門規(guī)定的允許值，為工程實(shí)際中的應(yīng)用提供了參考依據(jù)，本文的仿真結(jié)果還進(jìn)一步對研究DSP控制的靜止無功補(bǔ)償裝置提供了良好的理論指導(dǎo)。

［1］孫曉波，溫嘉斌.TCR+FC 型靜止無功補(bǔ)償裝置的研究［J］.電力電子技術(shù)，2011(5):43－45.

［2］周宇英，宋璟毓.TCR 型靜止無功補(bǔ)償系統(tǒng)［J］.航電技術(shù)，2009(2):27－30.

［3］王兆安.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償［M］.第2 版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［4］王篤亭.基于DSP的靜止無功補(bǔ)償裝置的研究［D］.東北電力大學(xué)，2006.

［5］于群，曹娜.MATLAB/Simulink 電力系統(tǒng)建模與仿真［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［6］MATLAB 軟件［LO］.http://wenku.baidu.com/view/a86166a3f524ccbff121847a.html，2012－01.

［7］王晶，翁國慶，張有兵.電力系統(tǒng)的MATLAB/SIMULINK 仿真與應(yīng)用［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2008.