一種新型SVC裝置的設(shè)計應(yīng)用

張 樂

（安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南232001）

0 引言

雖然無功功率不直接向系統(tǒng)提供可以被負(fù)荷利用的能量，但在系統(tǒng)中卻有著至關(guān)重要的作用，如果無功分布不合理、無功補(bǔ)償設(shè)備不足、無功補(bǔ)償設(shè)備投運(yùn)率較低等等，都會對系統(tǒng)電壓的運(yùn)行造成了極大的破壞；當(dāng)有功和無功在電力系統(tǒng)中不平衡時，系統(tǒng)電壓將會下降。而電壓的質(zhì)量是否穩(wěn)定，是判斷電力系統(tǒng)能否經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行的一個重要指標(biāo)。

1 設(shè)計原理

1.1 傳統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置

同步調(diào)相機(jī)[1]，等效于空載運(yùn)行的同步電動機(jī)，它是通過調(diào)節(jié)勵磁來進(jìn)行無功功率的補(bǔ)償：過勵磁運(yùn)行時，它提供感性無功，欠勵磁時，它吸收感性無功；但是由于同步調(diào)相機(jī)是機(jī)械旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，存在很多機(jī)構(gòu)上的缺點(diǎn)，如噪聲大、損耗高、維護(hù)復(fù)雜和響應(yīng)慢等等，在無功補(bǔ)償領(lǐng)域已不被經(jīng)常使用。并聯(lián)電容器，可以分散安裝，從而實現(xiàn)無功能夠就地補(bǔ)償，它的優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡單、造價便宜，以及后期的運(yùn)行維護(hù)非常方便，然而，其致命缺點(diǎn)在于其供給的無功與所在節(jié)點(diǎn)電壓的平方成正比，若出現(xiàn)電壓跌落的情況，它所輸出的無功功率反而會減少，導(dǎo)致惡性循環(huán)，使得電壓持續(xù)跌落，因此其無功功率調(diào)節(jié)能力是比較差的。

上述提到的無功補(bǔ)償裝置器都存在各自存在缺點(diǎn)，對整個電網(wǎng)的技術(shù)運(yùn)行以及所帶來的經(jīng)濟(jì)效益都偏低，所以最后導(dǎo)致了它們應(yīng)用的局限性，必須被更為先進(jìn)和更具實用性的補(bǔ)償裝置所替代。由此引出本文的研究對象：基于電力電子開關(guān)器件的新型無功補(bǔ)償裝置中的靜止無功補(bǔ)償器（SVC）。

1.2 新型無功補(bǔ)償器

調(diào)相機(jī)和電容器是傳統(tǒng)的變電站主要的無功補(bǔ)償裝置。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，將GTO、IGBT等交流無觸點(diǎn)開關(guān)作為投切開關(guān)，不僅能進(jìn)行單相調(diào)節(jié)，并且還可以在一個周期的時間內(nèi)完成無功補(bǔ)償。SVC就是使用GTO、IGBT等全控開關(guān)器件構(gòu)成自換向變流器，它在電壓下降時接入節(jié)點(diǎn)端，通過控制向系統(tǒng)提供無功補(bǔ)償支撐，使得系統(tǒng)滿足無功需求，從而維持電壓的穩(wěn)定，對于一些單相的大容量負(fù)荷投入到電網(wǎng)，引起電網(wǎng)三相電出現(xiàn)了各相電壓不平衡的情況，SVC可以通過分相控制策略，使得負(fù)序所引起的不平衡功率流入SVC，最后達(dá)到系統(tǒng)的平衡與穩(wěn)定。特別對于有諧波污染的電網(wǎng)，可以通過加裝帶濾波器的SVC（TCR+FC、TCR+PF）等，使電網(wǎng)的諧波功率流入SVC中的濾波支路來完成諧波的濾除。對于存在大型電動機(jī)沖擊性負(fù)荷的電網(wǎng)，功率因數(shù)都比較低，SVC的投入可以使得電網(wǎng)的功率因數(shù)得到提高，以彌補(bǔ)經(jīng)濟(jì)利益的損失。

SVC裝置是通過控制晶閘管的導(dǎo)通角來達(dá)到無功補(bǔ)償?shù)哪康?，即控制電抗器的投入與切出時間差，來完成補(bǔ)償電流值的控制，采用的是快速，直接簡易的控制方式。而且與其他無功補(bǔ)償裝置相比較，電容器裝置具有對安裝環(huán)境要求不高，不需要除電氣專業(yè)方面以外的附加設(shè)備，易于擴(kuò)建，運(yùn)行、維護(hù)檢修最簡單等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)無功負(fù)荷變化頻率不是很大，分組投切固定電容器便可滿足要求時，SVC將是現(xiàn)在和今后很長時間變電站無功補(bǔ)償?shù)闹饕b置。

SVC裝置補(bǔ)償無功的原理是根據(jù)功率流動的規(guī)律，將由IGBT構(gòu)成的自換相的三相橋式逆變電路（包括電壓型逆變電路和電流型逆變電路）通過電抗器或是濾波器裝置連接到電網(wǎng)系統(tǒng)中，作為SVC無功補(bǔ)償裝置的核心硬件部分。然后，由電流、電壓檢測電路在線檢測電網(wǎng)參數(shù)，并實時反饋到控制中心，控制中心根據(jù)一定的算法規(guī)律計算需要補(bǔ)償?shù)臒o功功率，控制交流側(cè)的輸出電流或控制交流側(cè)注入電網(wǎng)的電壓相位和幅值，從而實現(xiàn)吸取或發(fā)出所需無功量，達(dá)到補(bǔ)償目的。整個過程響應(yīng)速度快，控制準(zhǔn)確度高，因此能夠有效維持電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

根據(jù)無功功率理論可知：在SVC裝置與電網(wǎng)之間只是交換彼此功率，不存在消耗，因此電網(wǎng)中的總的瞬時功率值是固定的，無論是感性還是容性的負(fù)載，均不在SVC中產(chǎn)生能量的消耗。SVC裝置的電路包含兩大要素，即由電力電子器件構(gòu)成的逆變橋式電路以及直流側(cè)儲能元件（可以是電容元件也可以是電感元件，本文研究電容元件）[2]。SVC裝置三橋臂電壓主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 SVC三橋臂電壓型電路

本課題主要以電壓型逆變電路為主要研究對象，具體的電路連接包含IGBT電壓型逆變電路（六組IGBT，六組反相并聯(lián)二極管，并接電容或電抗），其中電容是儲能元件提供電壓支撐，三相橋臂中的兩個晶體管各反并一個二極管，且選擇頻率高功耗小驅(qū)動簡單的晶體管，各個橋臂的導(dǎo)電角為120°,兩個橋臂交替導(dǎo)電從而防止直流側(cè)短路（即總有三個橋臂保持導(dǎo)通），導(dǎo)通角差為120°，因此，能保證給開關(guān)管可靠的關(guān)斷信號從而保障逆變電路的穩(wěn)定工作。

SVC可以采用電壓型橋式電路或電流型橋式電路，這兩者的工作原理基本相同。目前，由于電壓型逆變電路的SVC運(yùn)行效率較高等原因，到現(xiàn)在為止投入運(yùn)行的SVG大多都采用了電壓型橋式電路。下面以自換相的電壓型橋式電路SVC為例的工作原理。

設(shè)電網(wǎng)電壓為US，VSC輸出的交流電壓為USVC,連接電抗小上的電壓UL（即US和USVC的向量差）。電抗X上的電流I就是SVC從電網(wǎng)吸收的電流，它是能夠由SVC電壓來控制的。改變USVC的幅值和相位，就可以改變UL，進(jìn)而調(diào)節(jié)SVC從電網(wǎng)吸收電流的大小和方向，也就可以控制了SVC是從電網(wǎng)吸收容性無功還是吸收感性無功，以及無功的大小[3]。

2 系統(tǒng)仿真

選用相位以此滯后120°的三相對稱的正弦波的理想電壓波形來搭建SVC的仿真模型系統(tǒng)。SVC裝置主電路由六個IGBT管構(gòu)成。在系統(tǒng)平臺中接入電阻為6Ω，電感為0.02H來驗證感性無功的補(bǔ)償。仿真結(jié)果如下：

圖2 補(bǔ)償前a相電壓、電流波形

由圖2可以看出a相電流為感性電流，大約滯后電壓45°，此時負(fù)載從電網(wǎng)吸收的無功為感性無功。

圖3 補(bǔ)償前a相電壓、電流波形

由圖3可以看出當(dāng)系統(tǒng)接入靜止無功發(fā)生器后，系統(tǒng)電壓相位和電流相位幾乎完全相同，由此證明此時的功率因數(shù)為1。

通過對整個SVC系統(tǒng)的仿真，得到了進(jìn)行感性無功補(bǔ)償時的曲線，說明了本系統(tǒng)能夠很好的實現(xiàn)預(yù)期補(bǔ)償效果。為SVC裝置的可行性提供了理論支撐。

3 結(jié)論

無功補(bǔ)償是提高電能質(zhì)量，保障電網(wǎng)高效運(yùn)行的主要手段之一。SVC是基于IGBT的新型無功補(bǔ)償裝置。本文介紹了SVC的發(fā)展、原理以及已有的無功電流檢測方法和控制策略。并對感性補(bǔ)償進(jìn)行了仿真研究，在Simulink仿真環(huán)境下對SVC的系統(tǒng)模型進(jìn)行了仿真，得到了擬合曲線。結(jié)果表明，本論文所搭建的系統(tǒng)能夠滿足無功補(bǔ)償?shù)哪康?，有很好的實時性、準(zhǔn)確性。

［1］余貽鑫.電壓穩(wěn)定研究評述[J].電力系統(tǒng)自動化,1999,23(21)：1,8.

［2］Chen CL,Lin CE,Huang CL.Reactive and harmonic current compensation forum balanced three-phase systems using the synchronous detection method[J].Electric Power Systems Research,2009,26：163-170.

［3］Akagi H,Satoshi Ogasawara,Hyosung Kim.The theory of instantaneous power in three.phase four.Wires stems：a comprehensive approach[J].IEEE Trans on Industry Applications,2012,1：431-439.