SVG技術(shù)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用

王光政，平 增，盧 偉，侯建峰，張 娟

(1.華北水利水電學(xué)院，河南 鄭州450045;2.洛陽(yáng)電力公司，河南 洛陽(yáng)471000;

3.武漢光谷環(huán)?？萍脊煞萦邢薰韭槌谴髣e山分公司，湖北武漢438300)

在我國(guó)電網(wǎng)的總損耗中，220 kV及其以上電網(wǎng)的損耗所占比例約為31%，110 kV電網(wǎng)約占26%，10 kV及其以下配電網(wǎng)約占43%［1－3］.配電網(wǎng)中一個(gè)重要的問題就是無功補(bǔ)償問題.

配電網(wǎng)中存在著大量的感性負(fù)荷，這些感性負(fù)荷在配電網(wǎng)中將吸收大量的無功功率，導(dǎo)致配電網(wǎng)的功率因數(shù)下降，使電壓損失和電能損耗增加.

當(dāng)前，伴隨著電力電子開關(guān)器件的不斷發(fā)展［4］，為SVG應(yīng)用提供了條件.利用SVG可以實(shí)時(shí)地跟蹤補(bǔ)償無功，并可以實(shí)現(xiàn)感性到容性的無級(jí)補(bǔ)償，以此來減少無功功率在線路上的傳輸，降低輸配電設(shè)備上的電壓降和有功功率損耗，提高配電網(wǎng)的輸配電能力.所以研究SVG在配電網(wǎng)中的應(yīng)用是十分必要的，具有很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)意義.

1 SVG的工作原理

SVG的基本原理就是將自換相橋電路通過電抗器或者直接并聯(lián)在電網(wǎng)上，通過控制開關(guān)器件的通斷，來調(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側(cè)電流，使該電路吸收或發(fā)出所需無功電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康模?］.SVG的主電路可以分為電壓型橋式電路和電流型橋式電路.由于電壓型橋式電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，且容易控制，運(yùn)行效率也比較高，所以現(xiàn)實(shí)中采用電壓型結(jié)構(gòu)的比較多.電壓型SVG的原理如圖1所示.

圖1 電壓型SVG原理圖

理想情況下，將連接電抗視為純電感，不考慮其損耗及其變流器的損耗.使電網(wǎng)電壓和逆變器輸出電壓同相，僅改變逆變器輸出電壓幅值大小，就可以控制SVG從電網(wǎng)發(fā)出的電流是超前系統(tǒng)電壓90°還是滯后系統(tǒng)電壓90°，并且可以控制該電流的大小.理想情況下的電路如圖2所示.

圖2 SVG等效電路

2 SVG的直接電流控制

基于瞬時(shí)無功功率理論的dq坐標(biāo)系下的直接電流控制結(jié)構(gòu)，是利用dq變換把SVG發(fā)出的電流瞬時(shí)值變換為Id和Iq，然后與有功和無功電流參考值進(jìn)行比較后，再進(jìn)行dq變換，得到三相交流電流值，作為調(diào)制信號(hào)與三角波進(jìn)行比較來進(jìn)行PWM控制.如圖2所示，設(shè)配電網(wǎng)側(cè)電壓分別為usa，usb，usc;R，L分別表示電抗器的等效電阻和電感，SVG逆變器輸出電壓分別用uia，uib，uic來表示，i的方向?yàn)閺呐潆娋W(wǎng)側(cè)流向SVG逆變側(cè).假設(shè)三相電網(wǎng)電壓是平衡的，沒有諧波的成分存在，則可以得到SVG的動(dòng)態(tài)方程為

對(duì)式(1)進(jìn)行Park變換，可得SVG在dq坐標(biāo)下的暫態(tài)模型為

由式(2)可以看出，有功電流和無功電流存在耦合，這就給SVG的控制帶來了難度.所以要實(shí)現(xiàn)dq軸電流的獨(dú)立控制，就要對(duì)其進(jìn)行解耦.一般采取前饋解耦的控制策略，令x1=uid，x2=uiq，采用式(3)和式(4)所示的控制方程，

式中kp，ki分別為電流內(nèi)環(huán)比例調(diào)節(jié)參數(shù)和積分調(diào)節(jié)參數(shù).

把式(3)和式(4)代入到式(2)可以得到解耦控制方程，化成矩陣形式為

因此可以得到系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 dq軸直接電流控制

在該系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)中，直流側(cè)電容電壓udc需要恒定，如果不恒定容易對(duì)裝置的正常運(yùn)行產(chǎn)生不利影響，使輸出電壓波形產(chǎn)生畸變，不能準(zhǔn)確地確定主電路功率器件的容量.利用常規(guī)PI控制器可以對(duì)udc進(jìn)行有效控制，但是其缺點(diǎn)是容易使被控系統(tǒng)呈現(xiàn)嚴(yán)重的非線性，具有較大的超調(diào)量和靜差，響應(yīng)速度也比較慢.針對(duì)常規(guī)PI控制器的特點(diǎn)，提出能量PI控制的方法，即利用SVG直流側(cè)電容的能量偏差作為電壓控制的輸入量如式(6)所示，

式中:C為SVG直流側(cè)電容值;t為直流側(cè)電容器的充電時(shí)間.

能量PI控制器的輸入采用電容電壓與設(shè)定電容電壓的平方差值，當(dāng)電容電壓偏離設(shè)定值越多，則控制器的反饋量就越大，能量PI控制器就類似一個(gè)隨著電容電壓偏差增加可以自動(dòng)提高比例系數(shù)的常規(guī)PI控制器.為了讓接入到配電網(wǎng)側(cè)的接入電壓穩(wěn)定，需要引入電壓負(fù)反饋，即讓接入點(diǎn)電壓的參考信號(hào)和采樣值的差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器，構(gòu)成交流電壓外環(huán)，來達(dá)到穩(wěn)定接入點(diǎn)電壓的目的，交流電壓外環(huán)的輸出iqref為電流內(nèi)環(huán)的無功參考信號(hào).

3 SVG的仿真試驗(yàn)

運(yùn)用MATLAB建立了SVG的仿真模型，仿真電路中各參數(shù)分別為:電網(wǎng)電壓380 V，頻率50 Hz，直流側(cè)電容1 200 μF，直流側(cè)電壓500 V，連接電抗為3 MH，連接電阻0.4 Ω，公共連接點(diǎn)電壓控制器kP=2，kI=100，直流側(cè)電容電壓控制器 kP=0.8，kI=100.建立仿真模型的主要目的是驗(yàn)證能量PI控制器的優(yōu)點(diǎn)和SVG對(duì)電網(wǎng)功率因數(shù)的改善作用.

如圖4所示，能量PI控制超調(diào)量小，在很短的時(shí)間內(nèi)就能達(dá)到穩(wěn)定，常規(guī)的PI控制調(diào)整時(shí)間和超調(diào)量都很大.仿真結(jié)果表明，能量PI控制具有更好的動(dòng)態(tài)性.

圖4 不同PI控制下的直流側(cè)電容電壓波形

如圖5和圖6所示，投入SVG前系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，投入SVG之后系統(tǒng)的功率因數(shù)提高，無功得到了很好的補(bǔ)償，補(bǔ)償后配電網(wǎng)的電壓和電流幾乎是同相的，功率因數(shù)提高了.所以SVG在系統(tǒng)中可以實(shí)時(shí)跟蹤調(diào)節(jié)系統(tǒng)的無功，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性.

4 SVG在配電網(wǎng)中的應(yīng)用

4.1 調(diào)節(jié)配電網(wǎng)中的電壓

在電力系統(tǒng)中電壓是衡量電能質(zhì)量的主要指標(biāo)之一，電壓損耗過大，易造成負(fù)荷端電壓過低，對(duì)電力系統(tǒng)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)可能造成重大的損失.假定SVG投入運(yùn)行前電壓損耗為

SVG投入補(bǔ)償后電壓損耗為

由式(7)和式(8)知，只要適當(dāng)控制無功補(bǔ)償Qc，就能調(diào)節(jié)配電網(wǎng)中的電壓水平.

4.2 提高系統(tǒng)的功率因數(shù)

當(dāng)SVG沒有無功功率Qc補(bǔ)償前投入運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷電流中的無功分量由系統(tǒng)來承擔(dān).如果無功分量很大，則系統(tǒng)的功率因數(shù)就會(huì)很低，同時(shí)線路損耗也會(huì)增加.當(dāng)SVG接入后，SVG就會(huì)產(chǎn)生容性無功電流，補(bǔ)償負(fù)荷中需要的無功電流，進(jìn)而使系統(tǒng)的功率因數(shù)提高.

4.3 降低配電網(wǎng)的網(wǎng)損

在配電網(wǎng)運(yùn)行中，負(fù)荷電流在線路、變壓器上產(chǎn)生的功率損耗為

如式(9)所示，當(dāng)線路或變壓器上的有功功率和電壓一定時(shí)，功率損耗與負(fù)荷功率因數(shù)的平方成反比，所以提高了有功負(fù)荷率因數(shù)，可使線損率降低.因此在用戶側(cè)安裝無功補(bǔ)償裝置，實(shí)行無功功率就地補(bǔ)償，可以提高功率因數(shù)，降低線路、變壓器的有功功率損耗，在提高供電企業(yè)效益的同時(shí)也降低了用戶的用電費(fèi)用.

4.4 降低變壓器的容量

投入SVG可以減少變壓器的初次投資費(fèi)用.設(shè)變壓器的容量為s，當(dāng)SVG投入后，可以節(jié)省變壓器的容量為

如式(10)所示，投入SVG后可以充分挖掘出設(shè)備的潛力，節(jié)約成本.

5 結(jié)語(yǔ)

SVG代表著現(xiàn)階段電力系統(tǒng)中無功補(bǔ)償技術(shù)新的發(fā)展方向，能夠快速連續(xù)地吸收和發(fā)出感性無功，從而保證系統(tǒng)高效、穩(wěn)定運(yùn)行，所以SVG應(yīng)用于配電網(wǎng)中具有很大的優(yōu)勢(shì).文中采用能量PI控制器來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PI控制器，并運(yùn)用MATLAB對(duì)其進(jìn)行了仿真，檢驗(yàn)了其優(yōu)越性.隨著可再生能源、分布式電源以及智能電網(wǎng)和微電網(wǎng)的興起，SVG將具有廣闊的應(yīng)用前景.

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