PWM型動態(tài)無功補償技術(shù)的研究

杜榮權(quán)，陳樂柱，穆 瑜

（安徽工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，馬鞍山243002）

引言

大量的感性負(fù)荷比如電動機、大功率整流裝置以及變頻裝置在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用給電網(wǎng)造成了嚴(yán)重的諧波污染，產(chǎn)生大量的無功需求，導(dǎo)致電網(wǎng)功率因數(shù)低。隨著工業(yè)智能化和精密設(shè)備對電能質(zhì)量的要求越來越高，風(fēng)能、太陽能等可再生能源的發(fā)電功率并網(wǎng)后產(chǎn)生不可預(yù)知性和隨機性［1］，因此要求無功補償能動態(tài)的適應(yīng)電網(wǎng)狀態(tài)的變化，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性［2］。

目前，常用的無功補償方法主要有固定電容器補償、靜止無功補償器SVC（Static var compensater）和靜止無功發(fā)生器SVG（Static var generater）。固定電容器的補償容量無法調(diào)節(jié)；靜止無功發(fā)生器SVG可連續(xù)調(diào)節(jié)容性或感性無功，但是控制復(fù)雜、成本高；靜止無功補償器SVC是解決動態(tài)無功補償問題的重要途徑［3-5］，而傳統(tǒng)SVC系統(tǒng)缺點是TCR本身就是一個諧波源，不可避免地向電網(wǎng)引入諧波電流。SVC裝置特點是阻抗型補償，系統(tǒng)電壓的降低使其無功輸出以電壓平方關(guān)系降低。因此，如何克服傳統(tǒng)SVC系統(tǒng)的不足，并充分發(fā)揮電力電子裝置快速、靈活的優(yōu)勢，實現(xiàn)快速、有效的動態(tài)無功補償是目前國內(nèi)外的重要研究課題［2］。

本文提出了一種可連續(xù)調(diào)節(jié)的PWM型動態(tài)無功補償技術(shù)，采用調(diào)節(jié)補償電感的兩端電壓來產(chǎn)生動態(tài)無功的控制策略，不僅實現(xiàn)無功補償?shù)膭討B(tài)調(diào)節(jié)，而且具有響應(yīng)速度快，控制簡單，諧波含量低，逆變?nèi)萘啃〉葍?yōu)點。

1 工作原理

式中：U為裝設(shè)點電網(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)；ω為電網(wǎng)角頻率，rad/s。

從式（1）可以得到，電容器的補償容量與自身的電容值和加在其兩端的電壓有關(guān)，而補償電容器組的電容值一般是固定不變的，只能分級補償，TSC就是通過改變其電容值來調(diào)節(jié)無功補償容量，但其缺點是會產(chǎn)生諧波。本文通過用逆變器動態(tài)調(diào)節(jié)電抗器［6-7］下端的電壓基準(zhǔn)值調(diào)節(jié)其兩端電壓，從而動態(tài)地調(diào)節(jié)其發(fā)出（或吸收）的無功功率。

PWM型動態(tài)無功補償系統(tǒng)由PWM調(diào)壓電路和電容器組兩部分共同完成無功補償，無功補償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中電容器組完成大容量的分級補償，而PWM調(diào)壓電路則對電容器組的補償級差進(jìn)行連續(xù)的補償，其組合補償原理示意如圖2所

目前，電容器組以其結(jié)構(gòu)簡單、成本低的特點，廣泛應(yīng)用在無功補償裝置中。假設(shè)三相電容器組為星型聯(lián)結(jié)時，其每相電容器的補償容量QC為示。動態(tài)補償系統(tǒng)的容性無功補償曲線與負(fù)載感性無功功率曲線大小相等、方向相反，從而實現(xiàn)完全動態(tài)補償。

圖1 動態(tài)無功補償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of dynamic reactive power compensation system

圖2 動態(tài)無功補償系統(tǒng)原理示意Fig.2 Sketch map of dynamic reactive power compensation system principle

PWM調(diào)壓電路如圖3所示。通過控制主電路開關(guān)的占空比和時序，將直流側(cè)的電容電壓轉(zhuǎn)換成和電網(wǎng)電壓頻率和相位相同、幅值可調(diào)的交流電壓，相當(dāng)于一個可調(diào)電壓源。其中，Lf和Cf組成高通濾波器濾除高次諧波，L為補償電感，S1～S6及其反并聯(lián)的二極管構(gòu)成 DC-AC 變換器，S1、S2、S3為主開關(guān)，周期性地接通和關(guān)斷補償電感L與三相交流系統(tǒng)；S4、S5、S6為輔助開關(guān)，在 S1、S2、S3關(guān)斷期間起到為電感電流續(xù)流的作用； 因此，S1、S2、S3和 S4、S5、S6的時序關(guān)系是互補的，即 S1，2，3=開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，為避免同一橋臂的上、下兩開關(guān)同時導(dǎo)通造成短路，兩組觸發(fā)脈沖之間必須設(shè)置一定的死區(qū)時間。

PWM調(diào)壓電路的單相等效電路如圖3所示（分析時忽略變流器自身損耗）。根據(jù)KVL定理可得補償電感電壓為：UL=Us-UPWM。電網(wǎng)電壓Us一般不變，PWM調(diào)壓電路交流側(cè)輸出電壓為UPWM，UPWM可控，通過對UPWM幅值的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對UL的控制，從而改變補償電感上的電流幅值和相位，調(diào)節(jié)從電網(wǎng)吸收的感性或容性無功。

圖3 PWM調(diào)壓電路及其單相等效電路Fig.3 PWM voltage regulator circuit and single phase equivalent circuit

2 控制策略分析和研究

動態(tài)無功補償裝置在對電網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行控制調(diào)節(jié)時，主要有3種常用的控制策略：電壓控制、無功補償和穩(wěn)定系統(tǒng)電壓至期望值。無功控制通過吸收容性或感性無功，將系統(tǒng)無功控制在期望范圍內(nèi)；綜合控制兼顧無功控制和電壓控制，通過對無功功率的動態(tài)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)電壓和無功都得到相應(yīng)提高。

PWM型動態(tài)無功補償系統(tǒng)采用電壓無功復(fù)合控制的策略［8］，控制柜圖如圖4所示。根據(jù)系統(tǒng)實際情況和需求進(jìn)行切換，既可以實現(xiàn)電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定，又能完成功率因數(shù)的校正。

圖4 電壓無功復(fù)合控制框圖Fig.4 Block diagram of voltage and reactive power control

系統(tǒng)、PWM型動態(tài)無功補償裝置及感性負(fù)荷間的無功功率平衡關(guān)系為

式中：QSYS為系統(tǒng)提供的無功；QPWM為PWM調(diào)壓電路提供的無功；QC為電容器提供的無功；QLoad為負(fù)載需要的無功?？刂颇繕?biāo)是使系統(tǒng)向負(fù)載提供的無功功率為0，負(fù)載所需無功全部由無功補償裝置來補償，即

假設(shè)此時系統(tǒng)為感性負(fù)載，需要補償容性無功，裝置投入運行后，裝置向負(fù)荷補償?shù)臒o功主要由電容器組產(chǎn)生，PWM調(diào)壓電路提供對電容器組的補償級差進(jìn)行連續(xù)補償，逆變器輸出電壓與母線電壓相位相同，則其輸出幅值大小為

根據(jù)式（4）即可得到逆變器輸出電壓UPWM，從而調(diào)節(jié)逆變電路開關(guān)的占空比。

3 實驗結(jié)果

本文采用PWM型動態(tài)無功補償技術(shù)對單相阻感負(fù)載電路進(jìn)行無功補償實驗，通過PWM控制方式調(diào)節(jié)補償電感的端電壓，使補償裝置發(fā)出連續(xù)可調(diào)的容性無功來提高單相阻感負(fù)載電路的功率因數(shù)。無功補償前電源電壓Us與電流is波形如圖5所示。

圖5 補償前Us、is波形Fig.5 Waveforms of Us，iswithout compensation

由圖5可以看出，由于負(fù)載是阻感負(fù)載，所以電源電壓Us與電流is兩個波形在相位上存在偏差，系統(tǒng)的功率因數(shù)較低。由于感性無功負(fù)載的存在，電流波形滯后電壓一定角度，以提供負(fù)載無功。

投入PWM型無功補償裝置進(jìn)行無功功率補償后，電源電壓Us和PWM調(diào)壓電路輸出電壓UPWM波形如圖6所示。由圖可見，由于PWM調(diào)壓電路本身需要消耗少量有功，所以輸出電壓相位略有超前，而不是理想的同頻同相。

圖6 Us與UPWM波形Fig.6 Waveforms of Usand UPWM

投入PWM型無功補償裝置進(jìn)行無功功率補償后，電源電壓Us和電源電流is波形如圖7所示。由圖可見，PWM型無功補償裝置能夠替代電源向感性負(fù)載提供所需的無功功率。負(fù)載所需的無功由補償裝置提供，而電源只提供有功功率，故補償后電源電壓和電流相位相同，電源功率因數(shù)得到提高。

圖7 補償后 Us、is波形Fig.7 Waveforms of Us，iswith compensation

4 結(jié)語

本文提出了一種新型動態(tài)無功補償技術(shù)，通過連續(xù)調(diào)節(jié)逆變電路開關(guān)的占空比來改變補償電抗器的等效電抗，從而連續(xù)調(diào)節(jié)補償器的無功輸出。由于和電容器組配合使用，電容器組提供大容量的分級補償，而PWM調(diào)壓電路則對電容器組的補償級差進(jìn)行連續(xù)的補償，所以具有逆變?nèi)萘啃?，補償范圍大，注入諧波小等優(yōu)點。

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