靜止無功發(fā)生器的設(shè)計與運(yùn)行問題

戴憲濱

（沈陽工程學(xué)院電氣工程系，沈陽 110136）

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，特別是相控技術(shù)、脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）、四象限變流技術(shù)的提出，以及大功率全控型晶閘管 GTO、IGBT及 IEGT新一代大功率器件的研制成功，使得柔性交流輸電技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)。在提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、加大輸電能力、降低網(wǎng)損及改善電能質(zhì)量等方面發(fā)揮越來越重要的作用。作為柔性交流輸電設(shè)備之一的靜止無功發(fā)生器（SVG）一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[1]。它能實(shí)現(xiàn)無功功率動態(tài)調(diào)節(jié)，同時穩(wěn)定電網(wǎng)電壓。與同步調(diào)相機(jī)、投切電容器等其他無功補(bǔ)償設(shè)備相比，SVG具有補(bǔ)償性能好、響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)連續(xù)及裝置體積小等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 SVG三相主電路

1 SVG基本組成原理

SVG由主電路和控制系統(tǒng)兩大部分組成。主電路如圖1所示，它主要包括自換相橋式電路（全控型開關(guān)器件T1－T6）、二極管V1－V6橋式整流器、直流側(cè)電容C及電抗器L等器件。自換相橋式電路相當(dāng)于一個逆變器，經(jīng)電抗器與電網(wǎng)連接。二極管橋式整流器從交流系統(tǒng)吸取少量有功功率，對電容充電，并保持電容電壓穩(wěn)定。電抗器用來抑制SVG產(chǎn)生的諧波分量，使SVG裝置滿足與電網(wǎng)并聯(lián)的電壓要求。

自換相橋式電路把電容電壓逆變成交流電壓，SVG的控制系統(tǒng)通過控制此交流電壓的幅值或相角（交流電壓與電網(wǎng)電壓的夾角）的大小，使主電路吸收或輸出無功電流，實(shí)現(xiàn)SVG對電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)墓δ堋?/p>

2 SVG的設(shè)計與運(yùn)行問題

2.1 SVG裝置的控制方案選擇不當(dāng)?shù)膯栴}

按SVG的控制器設(shè)計時對電力系統(tǒng)信息提取和綜合方法不同，其控制方案一般分為：基于系統(tǒng)外部特征的控制、基于系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的控制和綜合智能控制方案。上述控制方案（常規(guī)控制方案）均難以滿足提高電力系統(tǒng)功角穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定的要求[2]。因為電力系統(tǒng)是一個運(yùn)行方式變化、系統(tǒng)參數(shù)變化的高電壓系統(tǒng)。有時為了達(dá)到某個目標(biāo)，對電力系統(tǒng)進(jìn)行單一的控制調(diào)整，往往不能實(shí)現(xiàn)。因此，對電力系統(tǒng)的控制是多目標(biāo)的，有時這些目標(biāo)相互沖突。例如：要想提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性能，與維持發(fā)電機(jī)處電壓不變相矛盾。若采用基于系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的控制方案，同時維持發(fā)電機(jī)處電壓不變，勢必增大SVG控制器的放大倍數(shù)，會使電力系統(tǒng)阻尼性能下降，將導(dǎo)致電力系統(tǒng)振蕩。

因此，SVG裝置必須采用多目標(biāo)的控制方案。多目標(biāo)（提高暫態(tài)穩(wěn)性能、穩(wěn)定電壓、防止阻尼振蕩等）的控制是指為了適應(yīng)不同電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)對控制器的要求，對上述幾種相互矛盾的多目標(biāo)分別設(shè)計控制方案。在電力系統(tǒng)不同的運(yùn)行狀態(tài)下，采用目標(biāo)辨識器識別當(dāng)前系統(tǒng)對控制的目標(biāo)要求，再根據(jù)該目標(biāo)去選擇對應(yīng)的控制方案（如大增益開關(guān)控制、迭代學(xué)習(xí)控制等）。以電力系統(tǒng)短路故障狀態(tài)下，多目標(biāo)控制為例進(jìn)行說明。當(dāng)電力系統(tǒng)故障切除瞬間，控制目標(biāo)是保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定而不失步，此時只要控制系統(tǒng)電壓不超過1.2p·u即可；而當(dāng)電力系統(tǒng)短路故障切除以后的暫態(tài)過渡過程中，卻要求系統(tǒng)具有良好的暫態(tài)穩(wěn)定性能，采取降低振蕩幅度等措施，快速恢復(fù)新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，此時嚴(yán)格控制系統(tǒng)電壓在1.0p·u。

采用多目標(biāo)控制方案與常規(guī)控制方案的 SVG控制器進(jìn)行了系統(tǒng)對比驗證。表明采用多目標(biāo)控制方案的SVG控制器在電力系統(tǒng)的不同運(yùn)行狀態(tài)下，有更好的電壓輸出質(zhì)量和更快的電壓響應(yīng)速度。

圖2 采用常規(guī)控制方案的SVG輸出電壓波形

圖3 采用多目標(biāo)控制方案的SVG輸出電壓波形

2.2 逆變器的直流側(cè)電容選擇不當(dāng)?shù)膯栴}

電容選擇不當(dāng)，直接造成電容電壓的不穩(wěn)定性，使得控制和補(bǔ)償效果達(dá)不到要求，甚至?xí)绊戨娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

逆變器直流電容的選擇，與逆變器結(jié)構(gòu)、控制策略、線路參數(shù)等有很大的聯(lián)系。對于特定電路結(jié)構(gòu)下的直流電容，在穩(wěn)態(tài)情況下，根據(jù)負(fù)序電流為零或保證線路瞬態(tài)波動電流幅值最小原則選取電容。另外，電容參數(shù)的選擇應(yīng)充分考慮SVG裝置每個周期的控制頻率。為了保證電容上直流電壓的穩(wěn)定性，對于控制頻率較低的SVG進(jìn)行電路拓?fù)湓黾臃€(wěn)壓電路方法，穩(wěn)定直流電容電壓，保證SVG控制功能的實(shí)現(xiàn)。而對于控制頻率較高的SVG，電容相對選得小一些。

2.3 直流側(cè)電容電壓不平衡的問題

H橋級聯(lián)型SVG裝置每相H橋逆變器導(dǎo)通寬度不一致，使直流側(cè)電容充放電速度不一致，必然導(dǎo)致三相H橋型逆變器各個電容電壓不均衡。電壓不均衡，會在SVG交流側(cè)產(chǎn)生高次諧波，同時也會增加系統(tǒng)損耗[3]，導(dǎo)致SVG過流而無法正常工作。影響電容電壓的主要因素是其功耗。電容吸收或釋放的有功功率為

式中，I為橋輸出電流；Uc為直流側(cè)電容電壓；θ為橋的導(dǎo)通角；Φ為Uc與I的相角差。

由式（1）可知，導(dǎo)通角越大，電容吸收或釋放的功率越多。在吸收有功功率時，將電壓最低橋的導(dǎo)通角開到最大；釋放有功功率時，則相反。經(jīng)過一定時間，電容電壓必然會相等。此種方法利用了串聯(lián)電路的特點(diǎn)，無須改變SVG裝置的控制策略，也不影響其控制性能。

2.4 SVG裝置啟動與并網(wǎng)存在的問題

一般 SVG裝置起動與并網(wǎng)前要檢查其交流側(cè)輸出的電壓幅值、相位及頻率是否與電網(wǎng)相同，即同步問題。若有一項不滿足要求，SVG裝置直接并網(wǎng)，會產(chǎn)生很大沖擊電流，引起系統(tǒng)振蕩，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，或?qū)е耂VG裝置引過流而燒毀。

因此，在SVG裝置啟動與并網(wǎng)前，采用他勵起動方式，對SVG裝置的直流電容進(jìn)行充電，空載調(diào)整SVG的交流側(cè)輸出電壓大小、相角和頻率，使其與待并系統(tǒng)電網(wǎng)的電壓參數(shù)相一致。在滿足同步條件后，再將SVG裝置投入到電力系統(tǒng)中，防止產(chǎn)生上述問題。

3 結(jié)論

雖然SVG裝置具有調(diào)節(jié)速度快，調(diào)節(jié)范圍廣，欠電壓條件下的無功調(diào)節(jié)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，但也存在一些影響SVG裝置工作性能的問題。只有在SVG的設(shè)計和運(yùn)行方面找出問題產(chǎn)生的原因，才能充分發(fā)揮 SVG裝置的無功功率補(bǔ)償、穩(wěn)定電力系統(tǒng)電壓的作用。

[1]段大鵬,孫玉坤,潘春偉. 基于三相 VSI的 SVG動態(tài)建模與仿真研究[J]. 高電壓技術(shù),2006(6):84-85.

[2]孫曉娟,靳紅梅,基于 Matlab的靜止無功發(fā)生器系統(tǒng)仿真[J],設(shè)備制造,2005(4):61-62.

[3]李曠,劉進(jìn)軍,王兆安,魏標(biāo). 靜止無功發(fā)生器在電壓不平衡下的工作特性及其對不平衡電壓的補(bǔ)償[J].電工技術(shù)學(xué)報, 2006(8):69-70.