柔性輸電系統(tǒng)中電力無功補(bǔ)償技術(shù)的運(yùn)用分析

海特爾機(jī)電工程技術(shù)（馬鞍山）有限公司 安徽馬鞍山 243000

摘要：隨著電力電子技術(shù)的深入開展，VSC電壓源換流器，PWM整流器以及SVG無功補(bǔ)償技術(shù)等新型科技成果被日漸廣泛的應(yīng)用到了電力輸送系統(tǒng)中。本文從柔性輸電系統(tǒng)中無功補(bǔ)償技術(shù)分析的角度出發(fā)，針對(duì)IGBT，SVG補(bǔ)償技術(shù)以及PWM整流等技術(shù)進(jìn)行了綜合分析，為柔性輸電系統(tǒng)的有源無功補(bǔ)償技術(shù)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：無功補(bǔ)償；電力電子；柔性送電；SVG；PWM

1.無功補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀概述

1.1有源無功補(bǔ)償技術(shù)內(nèi)涵闡述

在電力供電系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)中，感性負(fù)載和容性負(fù)載的共同作用會(huì)造成電力資源在未做功的狀態(tài)下發(fā)生損耗，即無功損耗，這會(huì)直接造成變壓器損耗增大，電力輸送效率降低等問題，因此，為了有效的提高電力供給過程中的功率因數(shù)，就要對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償。有源無功補(bǔ)償技術(shù)的實(shí)現(xiàn)是以三相電路瞬時(shí)無功功率為基礎(chǔ)得以實(shí)現(xiàn)的，在有源無功補(bǔ)償?shù)倪^程中，三相電路中的各電壓e及電流i首先會(huì)在α-β正交坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)化為兩相瞬時(shí)電壓和電流，兩相瞬時(shí)電壓e和電流i再經(jīng)過合成形成電壓矢量和電流矢量。兩個(gè)電參數(shù)矢量在法線上的投影即為瞬時(shí)有功電流和無功電流。最后做無功電流iαq在α和β軸上的投影，得出這一瞬時(shí)的電壓和無功電流，取電壓與電流乘積便得出了有源無功功率值。

1.2無功補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

無功補(bǔ)償技術(shù)在設(shè)備應(yīng)用中，最廣泛的是靜止無功補(bǔ)償裝置（SVC），這一裝置無功補(bǔ)償?shù)淖饔没A(chǔ)是各類型的電抗器與電容器，通過線路中感性和容性部件的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電系統(tǒng)電壓的調(diào)節(jié)與功率因數(shù)的控制。隨著電力電子技術(shù)的逐漸深化，靜止無功發(fā)生器（SVG）也得以研發(fā)與應(yīng)用，這一發(fā)生器的作用機(jī)理是利用自換相變流電路進(jìn)行靜止無功補(bǔ)償，通過絕緣柵雙極晶閘管（IGBT）構(gòu)成自換相交流器，并在其中構(gòu)建一小容量的儲(chǔ)能單元，從而使其實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)的無功功率補(bǔ)償。

2.柔性輸電系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)分析

柔性輸電系統(tǒng)是指在電力供給的過程中，利用IGBT等電力電子元件對(duì)系統(tǒng)傳輸功率進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電系統(tǒng)的控制與優(yōu)化。柔性輸電系統(tǒng)中電力電子元件的運(yùn)用，主要包括靜止無功補(bǔ)償器（SVC），靜止無功發(fā)生器（SVG），電壓源換流器（VSC）以及PWM整流器等元件，其中SVG等無功補(bǔ)償裝置能夠通過控制線路中有功電流和無功電流的幅值和相位，使線路中的功率因數(shù)達(dá)到輸電系統(tǒng)所需的標(biāo)準(zhǔn)，以此保障輸電系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性。IGBT則主要用于開關(guān)控制中，由于其飽和壓降較低并且對(duì)驅(qū)動(dòng)功率要求不高，因此能夠非常有效的適用于輸電系統(tǒng)的開關(guān)控制中。PWM整流器的工作原理是對(duì)三相電壓的脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，通過脈沖調(diào)制實(shí)現(xiàn)輸電系統(tǒng)功率的雙向流動(dòng)，從而使輸電線路中的功率控制能夠在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中得以實(shí)現(xiàn)，這也是促進(jìn)電力無功補(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)的有力保障。除此之外，柔性輸電系統(tǒng)中還包括相位調(diào)制器，多類型的阻尼器與振蕩器等部件，通過多個(gè)部件對(duì)電力系統(tǒng)的相位差，阻抗及電壓的調(diào)節(jié)，提高輸電系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性與靈活性。

3.無功補(bǔ)償技術(shù)在柔性輸電系統(tǒng)中的運(yùn)用

3.1 IGBT技術(shù)特性及輸電系統(tǒng)運(yùn)用

IGBT是一種電壓驅(qū)動(dòng)式的功率半導(dǎo)體器件，器件輸入端的主要構(gòu)成是MOSFET模塊，輸出端則為PNP型晶體管。在IGBT器件的導(dǎo)通過程中，MOSFET模塊驅(qū)動(dòng)中的雙極器件會(huì)在PN結(jié)之間形成一層偏壓結(jié)構(gòu)，當(dāng)正柵偏壓出現(xiàn)時(shí)，電子流的移動(dòng)會(huì)使偏壓結(jié)構(gòu)發(fā)生正向偏壓，此時(shí)更多的空穴進(jìn)入N-區(qū)，這便使得IGBT中陰陽極間的電阻率得到了有效調(diào)整，不僅降低了功率損耗，也實(shí)現(xiàn)了器件的導(dǎo)通。在IGBT的阻斷工作中，當(dāng)柵極電壓低于門限值，MOSFET模塊中的集電極電流便會(huì)呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，由于受到器件中電荷密度與拓?fù)涞纫蛩氐挠绊懀尸F(xiàn)降低趨勢(shì)的電流又會(huì)與少數(shù)載流子相結(jié)合，從而使器件中的耗盡層向N-區(qū)擴(kuò)散，有效的實(shí)現(xiàn)線路的阻斷。在輸電系統(tǒng)中，IGBT主要用于線路的開通與關(guān)斷控制，利用集電極與發(fā)射極間的電壓差控制實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路中過流，缺電及過壓保護(hù)。在輸電線路的調(diào)制過程中，為了有效實(shí)現(xiàn)輸電線路的信號(hào)延遲，控制信號(hào)分配以及邏輯判斷保護(hù)等工作，可以將IGBT器件進(jìn)行串聯(lián)形成串聯(lián)單元，使驅(qū)動(dòng)信號(hào)內(nèi)容得以豐富，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制的多樣化，促進(jìn)IGBT導(dǎo)通與關(guān)斷邏輯性控制效率的提升。

3.2 SVG補(bǔ)償技術(shù)的內(nèi)涵及應(yīng)用

SVG補(bǔ)償技術(shù)的原理不同于容性器件，其對(duì)功率的無功補(bǔ)償是通過自換相橋式電路電抗器的工作得以實(shí)現(xiàn)的。在自換相橋式電路中，電抗器通過連接輸電網(wǎng)絡(luò)，能夠使橋式電路的交流側(cè)輸出電壓對(duì)線路進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)無功功率的有效補(bǔ)償。在輸電系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，SVG補(bǔ)償技術(shù)也分為電流型和電壓型兩種。就電壓型SVG補(bǔ)償技術(shù)而言，在無功功率補(bǔ)償過程中，補(bǔ)償器件首先借助整流橋從電力交流系統(tǒng)中吸取電能，實(shí)現(xiàn)器件中直流側(cè)電容的充電。待充電完成后，補(bǔ)償器件中的電壓值趨于穩(wěn)定，控制器通過控制開關(guān)裝置，使三相逆變器將容性器件中的容性電壓輸送到輸電系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)無功功率的補(bǔ)償。電流型SVG技術(shù)的無功補(bǔ)償則要首先對(duì)電網(wǎng)控制系統(tǒng)的補(bǔ)償前電流和電壓進(jìn)行測(cè)定，通過對(duì)比控制前后的功率因數(shù)，計(jì)算出對(duì)應(yīng)補(bǔ)償電流的幅值和相位，從而根據(jù)電流的特性注入對(duì)應(yīng)的無功電流，實(shí)現(xiàn)無功功率補(bǔ)償?shù)碾娏骺刂?。SVG補(bǔ)償技術(shù)主要應(yīng)用于輸電網(wǎng)絡(luò)的低壓配電系統(tǒng)中，利用SVG靈活的調(diào)控待輸送的電能，能夠促進(jìn)功率因數(shù)的有效提高，這對(duì)于維持輸電系統(tǒng)穩(wěn)定性有著重要意義。

3.3 PWM整流器在柔性輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用控制

PWM整流器是實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)控制，調(diào)節(jié)輸出電壓的重要裝置。在這一整流器器件中，主要包含八個(gè)功率開關(guān)器件，其中每四個(gè)構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的橋壁，在負(fù)載變化的影響下，開關(guān)管會(huì)在不同狀態(tài)間轉(zhuǎn)化，這便會(huì)造成直流母線電壓的穩(wěn)定性受到影響，但PWM整流器中的結(jié)構(gòu)構(gòu)成使其具有良好的系統(tǒng)抗負(fù)載擾動(dòng)性，因此整流器便能夠有效的實(shí)現(xiàn)功率雙向流動(dòng)，即負(fù)載在吸收額定功率的同時(shí)，也會(huì)對(duì)功率進(jìn)行反饋，從而實(shí)現(xiàn)無功功率的補(bǔ)償。在當(dāng)前柔性輸電系統(tǒng)的應(yīng)用中，PWM整流器主要用于主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和線路的電流控制領(lǐng)域中。在小功率的電路結(jié)構(gòu)中，PWM整流器的應(yīng)用能夠促進(jìn)直流輸出性能的進(jìn)一步改善，通過對(duì)無功功率的有效控制，也可以減少開關(guān)器件的使用，實(shí)現(xiàn)控制線路結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化。PWM整流器對(duì)控制系統(tǒng)的電流控制，可以通過幅值與相位的調(diào)控得以實(shí)現(xiàn)，也能夠利用三角波對(duì)瞬態(tài)電流進(jìn)行調(diào)控，通過提高電流響應(yīng)效率實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償。

4.結(jié)語

隨著我國(guó)工業(yè)化領(lǐng)域發(fā)展對(duì)電能質(zhì)量要求的不斷提高，如何科學(xué)合理的運(yùn)用電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的優(yōu)化日漸成為了供電企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。有源無功補(bǔ)償技術(shù)的日趨成熟，為柔性輸電系統(tǒng)的構(gòu)建與完善提供了切實(shí)有效的途徑，IGBT模塊對(duì)飽和壓降及驅(qū)動(dòng)功率的全面調(diào)控，SVG技術(shù)對(duì)輸電系統(tǒng)的時(shí)效性補(bǔ)償以及PWM對(duì)模擬輸電系統(tǒng)因數(shù)的有效控制等，都為我國(guó)供電企業(yè)的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模效益提升提供了切實(shí)有力的保障。

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