基于逆變調(diào)壓型雙向動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置研究

李勇剛，王曉梅，李鵬，宋祺鵬，李文鋒

（1. 國(guó)網(wǎng)日照供電公司，山東 日照 276800；2. 中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100192）

在電能傳輸過(guò)程中，無(wú)功功率是必不可少的，并且直接影響電能傳輸效率和系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定。無(wú)功功率的傳輸加大了電網(wǎng)總電流，使得功率因數(shù)降低、設(shè)備容量和有功損耗增大[1-3]。為了減少無(wú)功功率在電網(wǎng)中的傳輸，就要盡可能地實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率就地補(bǔ)償；無(wú)功補(bǔ)償，就是借助于無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備提供必要的無(wú)功功率，以減少無(wú)功傳輸，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)、降低能耗，改善電網(wǎng)電壓質(zhì)量。另外由于風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電功率的不可預(yù)知性和隨機(jī)性，其大量接入電網(wǎng)勢(shì)必對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性帶來(lái)挑戰(zhàn)[4-5]，這就要求補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率要?jiǎng)討B(tài)的調(diào)整，以便能夠適應(yīng)電網(wǎng)狀態(tài)的變化，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

目前，常用的無(wú)功補(bǔ)償裝置有同步調(diào)相機(jī)（Synchronous Condenser，SC）、固定電容器（Fixed Capacitor，F(xiàn)C）、機(jī)械開(kāi)關(guān)投切電容器（Mechanically Switched Capacitor，MSC）、晶閘管投切電容器（Thyristor Switched Capacitor，TSC）、晶閘管控制電抗器（Thyristor Controlled Reactor，TCR）等[6-10]，但存在無(wú)功功率動(dòng)態(tài)性能不好、控制目標(biāo)單一、性價(jià)比較低等缺點(diǎn)，難以適應(yīng)系統(tǒng)功率平衡波動(dòng)頻繁的現(xiàn)狀。隨著電力電子技術(shù)、控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一些先進(jìn)的無(wú)功補(bǔ)償方法和設(shè)備，其主要的優(yōu)勢(shì)是能夠提供動(dòng)態(tài)的無(wú)功補(bǔ)償，最大化地減小了系統(tǒng)的無(wú)功消耗[11-13]。

本文提出了一種新型的快速動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償裝置，其采用調(diào)節(jié)補(bǔ)償設(shè)備兩端電壓來(lái)調(diào)節(jié)無(wú)功的控制策略，與傳統(tǒng)的TCR相比，其動(dòng)態(tài)性能更好，且其諧波含量更低；與靜態(tài)同步無(wú)功補(bǔ)償器（STATCOM）相比，該裝置的逆變?nèi)萘扛?，逆變器承受電壓更低。另外，通過(guò)調(diào)節(jié)逆變器輸出反向電壓，可保證在系統(tǒng)電壓較低時(shí)的無(wú)功輸出容量，提高電壓支撐能力。

1 新型無(wú)功補(bǔ)償裝置的原理

目前，系統(tǒng)中常用的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備為固定電容器或電感器，以固定的電容器為例，假設(shè)三相電容器組為星型聯(lián)結(jié)時(shí)，其每相電容器的補(bǔ)償容量為：

式中，U為裝設(shè)點(diǎn)電網(wǎng)線電壓，V；IC為電容器組的線電流，A；C為電容器組的電容量，F(xiàn)。

從式（1）可以看出，裝置的補(bǔ)償容量與自身的電容值C和加在其兩端的電壓有關(guān)，而固定補(bǔ)償電容器的電容值一般是不能動(dòng)態(tài)改變的，TSC或MSC就是通過(guò)改變其電容值來(lái)調(diào)節(jié)無(wú)功補(bǔ)償容量，但其缺點(diǎn)是諧波較大，壽命和可靠性也不高。本文轉(zhuǎn)換了一個(gè)角度，通過(guò)用逆變器動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電容器（或電抗器）下端的電壓基準(zhǔn)值調(diào)節(jié)其兩端電壓，從而動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)其發(fā)出（或吸收）的無(wú)功功率。

如圖1所示，為該新型補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)框圖，整流模塊為逆變模塊提供所需的直流電壓。PWM逆變控制模塊通過(guò)檢測(cè)母線的無(wú)功電流和電壓的相位，控制逆變器提供與母線電壓相位一致的可調(diào)電壓，這樣就改變了圖1中電容或電感兩端的電壓，從而改變了其提供的無(wú)功容量。控制器可根據(jù)系統(tǒng)的無(wú)功電流的性質(zhì)改變開(kāi)關(guān)K的狀態(tài)，如假設(shè)開(kāi)始時(shí)電容器在投入狀態(tài)，隨著系統(tǒng)無(wú)功缺額的減小，逆變器輸出最大電壓不提高，最后和母線電壓相同時(shí)，電容器發(fā)出無(wú)功為零，如果系統(tǒng)無(wú)功變繼續(xù)減小為負(fù)值時(shí)，開(kāi)關(guān)K就動(dòng)作，將電感投入，從而吸收系統(tǒng)無(wú)功；由于轉(zhuǎn)換是在逆變器電壓最大時(shí)發(fā)生的，故補(bǔ)償裝置的轉(zhuǎn)換很平穩(wěn)，也即補(bǔ)償裝置能平穩(wěn)的發(fā)出和吸收無(wú)功。

圖1 無(wú)功補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)框圖Fig. 1 Block diagram of the SVC structure

2 補(bǔ)償裝置的控制算法的分析和研究

本無(wú)功補(bǔ)償裝置采用的控制算法是以系統(tǒng)無(wú)功最小為控制目標(biāo)，控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 補(bǔ)償裝置電壓指令產(chǎn)生控制框圖Fig. 2 Control block diagram of the voltage instruction generation for the compensation device

系統(tǒng)、SVC裝置及負(fù)荷間的無(wú)功功率平衡關(guān)系為：

式中，QSYS為系統(tǒng)提供的無(wú)功；QSVC為新型SVC補(bǔ)償裝置提供的無(wú)功；QFC為固定電容器補(bǔ)償無(wú)功；QLoad為負(fù)荷需要的無(wú)功，我們的控制目標(biāo)是使系統(tǒng)向負(fù)荷提供的無(wú)功為0，負(fù)荷所需無(wú)功全部由SVC裝置來(lái)補(bǔ)償。以QSYS為控制量，給定值設(shè)為0，形成閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，最終使QSYS穩(wěn)定為0，此時(shí)：

假設(shè)此時(shí)系統(tǒng)需要容性無(wú)功，裝置投入運(yùn)行后，逆變器輸出電壓Ea、Eb、Ec與母線電壓UBUSA、UBUSB、UBUSC相位相同，裝置向負(fù)荷補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功主要由電容產(chǎn)生。其大小為：

根據(jù)式（4）就可以得到逆變器輸出電壓信號(hào)幅值大小Ea。具體控制過(guò)程如下。

1）首先采集母線三相電壓信號(hào)和電流信號(hào)，用瞬時(shí)無(wú)功功率理論計(jì)算出。

2）與給定值0的差送入PI調(diào)節(jié)器中進(jìn)行運(yùn)算，得到需要補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功量。

3）由ΔQ計(jì)算補(bǔ)償電容上需要的電壓。

4）母線電壓UBUSA減去ΔU得到逆變器輸出電壓Ea，再根據(jù)鎖相環(huán)得到的逆變器輸出電壓相位信息，通過(guò)SPWM控制得到IGBT的觸發(fā)脈沖信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無(wú)功閉環(huán)控制。

3 補(bǔ)償裝置的特點(diǎn)與安裝容量

由式（1）可知該補(bǔ)償裝置的最大補(bǔ)償容量，由圖1中逆變器與母線間的電容或電感值決定，而逆變器只需能維持電容或電感下端的電壓即可，所以該裝置所需逆變?nèi)萘啃?，無(wú)需耦合變壓器件。又由于該補(bǔ)償器能夠在吸收和發(fā)出無(wú)功之間動(dòng)態(tài)的平穩(wěn)過(guò)渡，故它可以在實(shí)際的使用中只補(bǔ)償系統(tǒng)中無(wú)功的變化部分，而無(wú)功的恒定部分由固定電容器或電感器來(lái)補(bǔ)償，具體的固定補(bǔ)償裝置需要由系統(tǒng)中缺少的無(wú)功性質(zhì)決定。下面來(lái)舉例說(shuō)明。圖3為某市電業(yè)局辦公大樓的配電系統(tǒng)圖。

圖3 某市電業(yè)局辦公大樓的配電系統(tǒng)圖Fig.3 The distribution system diagram of an office building

從圖3中可以看出，該系統(tǒng)總的固定補(bǔ)償容量為300 kV·A，通過(guò)用TOPAS2000電能質(zhì)量分析儀對(duì)圖中測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行了24 h的測(cè)量，對(duì)象分別為三相無(wú)功Q、三相有功P和功率因數(shù)PF。由測(cè)得數(shù)據(jù)可以得到無(wú)功如圖4所示的波動(dòng)曲線。

圖4 三相無(wú)功日變化曲線Fig. 4 Three phase reactive power curve in one day

從實(shí)測(cè)的波形曲線可以看出，該系統(tǒng)每相的無(wú)功容量在40～140 kV·A之間波動(dòng)，利用本文提出的思路，其固定電容器的容量?jī)H需90 kV·A，動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的容量為50 kV·A就可滿足系統(tǒng)無(wú)功的完全動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

4 補(bǔ)償裝置的仿真與分析

基于EMTDC/PSCAD仿真軟件對(duì)該新型無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行了仿真（仿真模型主電路見(jiàn)圖5），仿真參數(shù)見(jiàn)表1。

圖5 仿真模型主電路圖Fig. 5 Main circuit diagram of simulation model

表1 仿真參數(shù)表Tab. 1 Simulation parameters

下面給出系統(tǒng)仿真時(shí)域波形圖以及頻域波形圖。圖6中的波形依次分別為QLoad負(fù)荷需要的無(wú)功、QFC固定電容器輸出的無(wú)功、Qsvc新型無(wú)功補(bǔ)償裝置輸出的無(wú)功和Qsys系統(tǒng)提供的無(wú)功，由圖6可知，裝置投入運(yùn)行之后，系統(tǒng)提供的無(wú)功基本等于零，負(fù)荷需要的無(wú)功完全由固定補(bǔ)償電容器和新型無(wú)功補(bǔ)償裝置提供，實(shí)現(xiàn)了無(wú)功就地補(bǔ)償?shù)墓δ堋?/p>

圖6 系統(tǒng)中各部分無(wú)功大小波形圖Fig. 6 Waveform of reactive power in eachpart of the system

圖7為補(bǔ)償裝置和系統(tǒng)提供無(wú)功局部放大圖。由圖7可知，新型無(wú)功補(bǔ)償裝置提供的無(wú)功功率穩(wěn)定在52.7 kV·A左右。無(wú)功波動(dòng)的范圍在±0.2 kV·A以內(nèi)，可以認(rèn)為系統(tǒng)提供的無(wú)功基本為零，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)提供最小無(wú)功的控制目的。

圖7 補(bǔ)償裝置和系統(tǒng)提供無(wú)功局部放大圖Fig. 7 Reactive power provided by SVC and systems

從圖8可以看出，逆變器的輸出電壓波形完全跟蹤了系統(tǒng)母線電壓波形，相位一致，保證了控制算法中無(wú)功補(bǔ)償?shù)木_性。圖9給出的是逆變器的輸出電壓頻譜圖，由頻譜分析可以得到該逆變器裝置輸出的電壓波形正弦度非常好，諧波含量很低。

圖10給出的是負(fù)荷電流、系統(tǒng)電流裝置和補(bǔ)償電流的波形，由仿真波形知，補(bǔ)償電流正弦度很好，由圖11的裝置輸出電流頻譜可以看出，電流失真度ηTHD<5%，補(bǔ)償之后的系統(tǒng)電流有較大的減小。

圖8 母線電壓波形和逆變器的輸出電壓波形Fig. 8 Voltage waveform of the bus and the inverter

圖9 逆變器輸出電壓頻譜圖Fig. 9 Spectrum of the inverter output voltage

圖10 負(fù)荷、系統(tǒng)和裝置輸出電流波形Fig. 10 Current waveform of the load，the system and the SVC

圖11 新型SVC裝置輸出電流頻譜Fig. 11 The current spectrum of the SVC

由理論分析和仿真分析可以看出，本文所研究的新型SVC裝置能夠很好的實(shí)現(xiàn)負(fù)荷無(wú)功補(bǔ)償，同樣，如果系統(tǒng)無(wú)功缺額為負(fù)值時(shí)，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置自動(dòng)將電感投入，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的吸收無(wú)功和系統(tǒng)無(wú)功的最優(yōu)控制。大大降低系統(tǒng)能耗，提高設(shè)備的利用率和傳輸效率，在補(bǔ)償負(fù)荷無(wú)功的同時(shí)，并沒(méi)有給系統(tǒng)注入諧波電流，因而該SVC裝置無(wú)需外加濾波器就能很好的滿足各項(xiàng)指標(biāo)的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出的新型無(wú)功補(bǔ)償裝置基于改變補(bǔ)償電容（電抗）兩端電壓的思路，其能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)無(wú)功大小，動(dòng)態(tài)的發(fā)出和吸收無(wú)功，擴(kuò)大了動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆秶?；具有逆變?nèi)萘啃。a(bǔ)償范圍大，注入諧波小等優(yōu)點(diǎn)。是配電系統(tǒng)提高功率因數(shù)，減小設(shè)備容量理想的無(wú)功補(bǔ)償裝置。

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