SVG型無功發(fā)生器提高電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的理論研究

陳端云 謝巧云 江凡 李文成 米為民

摘要：非線性、沖擊性負(fù)荷大量接入電網(wǎng)，引起了電網(wǎng)無功功率不足。閃變，諧波分量占的比重越來越大等一系列電能質(zhì)量問題。靜止無功發(fā)生器（Static VarGeneration，簡稱SVG）是指由自換相的電力半導(dǎo)體橋式變流器來進(jìn)行動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)难b置。它適于實(shí)時(shí)補(bǔ)償沖擊性負(fù)荷的無功電流和諧波電流。研究采用跟蹤型PWM控制技術(shù)對(duì)晶閘管的開關(guān)進(jìn)行直接控制的新技術(shù)。通過供給電網(wǎng)需要的無功功率使得補(bǔ)償后的電壓電流的相位角接近于0。補(bǔ)償后的電流在很大程度上降低電力系統(tǒng)諧波能量損耗，提高電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性。仿真結(jié)果表明該控制技術(shù)具有控制精度高、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，驗(yàn)證了該控制方法的正確性和有效性。

關(guān)鍵詞：SVG;無功補(bǔ)償;實(shí)時(shí)補(bǔ)償;諧波能量損耗;電壓穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：TM714.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）32-0192-03

我國是一個(gè)人口大國，自然資源相對(duì)緊張，能源日益減少，伴隨著能源的減少和資源的緊缺，我國提出了“節(jié)約型”社會(huì)的口號(hào)。在工業(yè)和日常生活用電負(fù)荷中，阻感負(fù)載占很大比例。隨著電力電子裝置的普及，電壓不平衡對(duì)并網(wǎng)的電力電子裝置的危害問題受到了更大的重視。[1]非線性原件的大量存在，嚴(yán)重的加劇了電力系統(tǒng)中的諧波所占的比重，使得系統(tǒng)的電壓質(zhì)量大大下降，功率因數(shù)尤其低。三相電壓不平衡度是衡量電網(wǎng)電能質(zhì)量的一個(gè)重要標(biāo)志。隨著人們對(duì)電能質(zhì)量要求的提高，電壓不平衡問題受到越來越多的關(guān)注。[2]改善工業(yè)企業(yè)用電的功率因數(shù)是提高用電效率節(jié)約電能的重要手段。[3]IEEE和IEC均對(duì)電壓不平衡的定義、最大允許值等做了明確的規(guī)定。[4]

目前，在我國普遍采用的無功補(bǔ)償裝置主要是并聯(lián)電容器和晶閘管控制電抗器（TCR）及晶閘管投切電容器（TSC）。電容器在調(diào)解時(shí)不能平滑調(diào)節(jié)，且自身分相調(diào)節(jié)能力有限。目前關(guān)于電容補(bǔ)償比較創(chuàng)新的一種方法是通過晶閘管開關(guān)裝置直接調(diào)節(jié)電容兩端電壓來調(diào)節(jié)電容無功。[5]而SVC型無功補(bǔ)償器受系統(tǒng)諧波影響大，自身產(chǎn)生較大量諧波，受系統(tǒng)阻抗影響大，響應(yīng)時(shí)間長，且體積較大。SVG型無功發(fā)生器相對(duì)于上述補(bǔ)償裝置在各個(gè)方面都有所改善。為了充分利用SVG的優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)及企業(yè)開始大量研究基于SVG型無功發(fā)生器的補(bǔ)償裝置。如何在補(bǔ)償無功的基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)展SVG的功能，也是目前SVG的發(fā)展趨勢之一。[6]除此之外利用其它新型無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)睦舆€有很多，其中有基于單相STATCOM的不平衡負(fù)荷平衡化補(bǔ)償，基于有源電力濾波器控制的補(bǔ)償方式等一系列控制方式，單相STATCOM由于具有輸出無功電流諧波含量低、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)而適合于不平衡負(fù)荷的平衡化補(bǔ)償。[7]有源電力濾波器能同時(shí)補(bǔ)償大容量變電站的功率因素和電流諧波。[8]

本文借鑒上述一系列的研究理論，研究利用跟蹤型PWM控制技術(shù)，對(duì)晶閘管的開關(guān)進(jìn)行直接控制，進(jìn)而控制輸入電網(wǎng)的無功功率的新技術(shù)。該研究在實(shí)現(xiàn) 電網(wǎng)無功就地補(bǔ)償?shù)脑瓌t下，使得電網(wǎng)電壓、電流相同步，相位角接近于0。補(bǔ)償后的電流在很大程度上降低線路損耗，降低電力系統(tǒng)諧波能量損耗，提高電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性。為企業(yè)研究新產(chǎn)品提供理論依據(jù)。

一、SVG的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

1.SVG的結(jié)構(gòu)及原理

SVG并聯(lián)于電網(wǎng)中，相當(dāng)于一個(gè)可變的無功電流源，通過調(diào)節(jié)逆變器交流側(cè)輸出電壓的幅或者直接控制其交流側(cè)電流的幅值和相位，迅速吸收或者發(fā)出所需要的無功功率，實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)無功的目的。SVG分為電壓型橋式電路和電流型橋式電路兩種類型，其電壓源型逆變電路的電路結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

電網(wǎng)電壓為US，SVG側(cè)的電壓為USVG，它們之間通過一個(gè)電感相連，兩者之間的電壓差就是電電感上消耗的電壓，兩端輸出電壓的幅值和相位的關(guān)系確定了輸出功率的性質(zhì)與容量，當(dāng)USVG幅值大于US電壓幅值時(shí)吸收容性無功，當(dāng)USVG小于US電壓幅值時(shí)消耗感性無功。

2.SVG的電壓-電流工作特性

SVG的電壓-電流特性如圖2所示。

在電壓電流特性曲線中可以看出SVG無功發(fā)生器兩端的電壓與電流相量是成直線關(guān)系的，當(dāng)電壓電流發(fā)生變化時(shí)，其端電壓與電流的關(guān)系是水平移動(dòng)的，故可保證其能輸出最大感性和容性電流，進(jìn)而可以提高整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

二、PWM控制原理

1.PWM跟蹤控制技術(shù)

在PWM跟蹤控制技術(shù)中，把希望輸出的電流或電壓波形作為指令信號(hào)，把實(shí)際電流或電壓波形作為反饋信號(hào)，通過兩者的瞬時(shí)值比較來決定逆變電路各功率開關(guān)器件的通斷，使實(shí)際的輸出跟蹤指令信號(hào)變化。

三角波比較控制方式，是跟蹤控制法中常用的一種控制方式。這種控制方式輸出電流所含的諧波較少，因此常用于對(duì)諧波和噪聲要求嚴(yán)格的場合。

在以往的研究中，主要運(yùn)用的方法是電壓控制法和電流控制法，電壓控制法就是將STATCOM視為交流電壓源，通過控制STATCOM交流器所產(chǎn)生交流電壓基波分量的相位以及幅值，也即單δ控制和δ與θ逆變器導(dǎo)通角的配合問題，來間接控制STATCOM的交流側(cè)所需產(chǎn)生的無功電流，電壓控制多用于較大容量的場合。本文研究利用跟蹤型PWM控制技術(shù)結(jié)合電流控制法的理論來直接控制晶閘管的開關(guān)，以實(shí)現(xiàn)直接控制電流的目的，該研究的理論可在通用場合下使用。

2.電流控制法

電流控制是指采用跟蹤型PWM控制技術(shù)對(duì)晶閘管的開關(guān)進(jìn)行直接控制，以調(diào)整電流波形的瞬時(shí)值。由計(jì)算得出交流側(cè)輸入電流的指令值直接對(duì)電流值進(jìn)行反饋控制，以使得其跟蹤指令電流值。

采用PWM控制的電流控制方法如圖3所示。

如圖所示是采用的dqo控制方法，在外界參考電壓和輸出電壓的相對(duì)量作比較后，形成相應(yīng)的PWM控制波形，用此波形來控制晶閘管的開關(guān)，進(jìn)而來實(shí)現(xiàn)對(duì)波形的直接控制，來控制SVG的運(yùn)行方式。

傳統(tǒng)的比例—積分—微分控制方法對(duì)系統(tǒng)的檢測精度、計(jì)算延時(shí)和被控對(duì)象狀態(tài)變化具有較強(qiáng)的依賴性，[9]因此現(xiàn)在用的越來越少。

基于PWM技術(shù)的新型靜止無功補(bǔ)償器可以更快速、精確地補(bǔ)償無功功率，而且自身幾乎不產(chǎn)生諧波，從而有效地穩(wěn)定系統(tǒng)電壓。[10]

三、SVG穩(wěn)定電壓的原理

1.穩(wěn)壓原理詳解

發(fā)電機(jī)作為電源，也能起到一部分穩(wěn)定電壓的目的，當(dāng)發(fā)電機(jī)滑差接近于零時(shí)，控制器以阻尼功率振蕩為目標(biāo)，以使系統(tǒng)迅速恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)。[11]系統(tǒng)、負(fù)載和補(bǔ)償器的單相等效電路如圖4所示。系統(tǒng)的無功備用容量越大，其電壓穩(wěn)定裕度越大。[12]其中U0為系統(tǒng)線電壓，R和X分別為系統(tǒng)電阻和電抗。反映系統(tǒng)電壓與無功功率關(guān)系的特性曲線如圖5所示，由于系統(tǒng)電壓變化不大，其橫坐標(biāo)也可換為無功電流?？梢钥闯觯匦郧€是向下傾斜的，即隨著系統(tǒng)供給的無功功率Q的增加，供電電壓下降。

可見，無功功率的變化將引起系統(tǒng)電壓成比例地變化。投入補(bǔ)償器之后，系統(tǒng)供給的無功功率為負(fù)載和補(bǔ)償器無功功率之和，即：

（1）

如果補(bǔ)償器的無功功率QR總能彌補(bǔ)QL的反方向變化，以使得Q維持不變，即=0，則也將為零，從而供電電壓保持恒定。這就是SVG穩(wěn)定電壓的基本原理。補(bǔ)償前后網(wǎng)絡(luò)由于時(shí)段不同、負(fù)荷不同所致網(wǎng)絡(luò)不一致，[13]因此本研究的重點(diǎn)是如何在提供所需的無功功率的基礎(chǔ)上，保持補(bǔ)償前后網(wǎng)絡(luò)的一致性。

2.穩(wěn)壓模塊分析

在matlab仿真時(shí)，對(duì)本次研究進(jìn)行詳細(xì)分析，主要包括以下幾個(gè)小塊：

（1）電網(wǎng)系統(tǒng)的變量都是模擬量，然而在數(shù)據(jù)的處理上，數(shù)字量的處理，相對(duì)于模擬量較簡單，因此，本文采用處理數(shù)字量的技術(shù)，因此在模塊的分配中，要用到將模擬信號(hào)離散化的過程。

（2）本次論文中涉及到三角比較法，研究中用到PI模塊，通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。

（3）由于用到離散模擬量的技術(shù)，研究中使用與之配套的延時(shí)模塊。

（4）研究中，最終要使得電流的波形吻合電壓的波形，這里采用以電流為變量的控制原則。

（5）在處理時(shí)，由于abc三相電流總是處在不斷的變化當(dāng)中，因此通過派克變換，將其轉(zhuǎn)換成dqo變量控制，更易實(shí)現(xiàn)信號(hào)的控制，在實(shí)現(xiàn)控制的基礎(chǔ)上，再將其轉(zhuǎn)換成abc三相電流控制的形式。

（6）本次研究的重點(diǎn)任務(wù)在于電流控制模塊的設(shè)計(jì)，因?yàn)樵谑褂秒娏﹄娮釉O(shè)備時(shí)，其本身也是非線性裝置，也會(huì)引進(jìn)諧波，帶來多余能量損耗。電流控制模塊在設(shè)計(jì)時(shí)，既要能夠產(chǎn)生負(fù)載所需要的電流控制變量，又要消除其自身產(chǎn)生的諧波給電力系統(tǒng)帶來的影響。

四、Simulink動(dòng)態(tài)仿真功能

Simulink是基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，能夠仿真并分析該系統(tǒng)?？梢杂脕韺?duì)各種系統(tǒng)進(jìn)行建模、分析和仿真。

在復(fù)雜系統(tǒng)仿真時(shí)，如果被研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、多層次，則模型中信號(hào)的流向就不明確，如果把整個(gè)模型按實(shí)現(xiàn)的功能劃分為子系統(tǒng)模塊，就會(huì)使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和層次簡潔而清楚。

研究中負(fù)荷無功電流計(jì)算模塊如圖6所示。仿真圖如圖7所示。

將系統(tǒng)的各個(gè)模塊連接起來，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，可得補(bǔ)償前的電壓電流波形如圖8所示，補(bǔ)償后的電壓電流波形如圖9所示。

五、仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)果表明：系統(tǒng)在0.01s后振蕩停止，開始穩(wěn)定運(yùn)行。從系統(tǒng)開始振蕩到穩(wěn)定運(yùn)行所需時(shí)間與SVG響應(yīng)時(shí)間相吻合，說明該控制系統(tǒng)具有控制精度高、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，補(bǔ)償后的電流與電壓相位相差不大，接近于0，可以較少電力系統(tǒng)諧波分量帶來的損耗。

從波形圖中也可以看到補(bǔ)償后的電流波形有毛刺，即補(bǔ)償后的電流含次諧波分量。這主要是因?yàn)橹麟娐分械碾娏﹄娮悠骷诟哳l通斷過程中產(chǎn)生了其工作頻率附近的一些頻率很高的諧波。

六、結(jié)論

新型自動(dòng)無功補(bǔ)償方式可穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，提高功率因數(shù)，降低線損，而且在不增加電源建設(shè)的前提下增加供電能力[14]，因此得到了廣泛應(yīng)用。靜止無功發(fā)生器（SVG）的發(fā)展是電力電子技術(shù)與電力系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物，也和現(xiàn)代控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)所取得的巨大進(jìn)展密切相關(guān)。電力系統(tǒng)的快速發(fā)展對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定和電能質(zhì)量都提出了更高的要求，及時(shí)合理地對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無功功率補(bǔ)償和調(diào)節(jié)是解決以上矛盾的切實(shí)可行的辦法。SVG作為有代表性的無功補(bǔ)償裝置，對(duì)它的深入研究將促進(jìn)各種控制理論和算法在電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償方面取得進(jìn)步。

電力系統(tǒng)無功功率補(bǔ)償不足會(huì)引起功率因數(shù)下降，而三相功率不平衡則會(huì)影響到用電設(shè)備的安全。[15]

本文從無功補(bǔ)償和諧波抑制的角度，研究了利用跟蹤型PWM控制技術(shù)，對(duì)晶閘管的開關(guān)進(jìn)行直接控制，進(jìn)而控制輸入電網(wǎng)的無功功率的新技術(shù)。該研究的結(jié)果表明SVG無功功率發(fā)生器能夠很好地補(bǔ)償無功功率，使得補(bǔ)償后的功率因數(shù)接近于1，電網(wǎng)電壓、電流相同步，達(dá)到了穩(wěn)定電壓的目的。同時(shí)還能夠看到無功發(fā)生器很好的跟蹤無功功率的變化，并且進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，使得補(bǔ)償后的電流在很大程度上降低了電力系統(tǒng)諧波能量損耗，提高了電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性。該研究的成果可以為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供理論依據(jù)。

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（責(zé)任編輯：劉翠枝）