基于無功發(fā)生器的電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性

文/王燁

基于無功發(fā)生器的電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性

文/王燁

電網(wǎng)中非線性負(fù)荷的存在造成電網(wǎng)系統(tǒng)的無功功率不足，也引起電網(wǎng)中大量諧波出現(xiàn)，對電網(wǎng)系統(tǒng)造成越來越多的電能質(zhì)量問題。靜止無功發(fā)生器（SVG）通過自換相的電力器件橋式變換器來控制開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間，以此改變橋式電路交流側(cè)發(fā)出或吸收無功功率，能夠?qū)崟r(shí)性對電網(wǎng)無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，提高了電網(wǎng)系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性，也減少了電力系統(tǒng)中諧波的損耗。

SVG無功發(fā)生器 無功補(bǔ)償 電壓穩(wěn)定

目前，隨著電力行業(yè)與工業(yè)方面大量電力電子設(shè)備的出現(xiàn)，使電網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題越來越嚴(yán)重，對電網(wǎng)系統(tǒng)安全造成威脅。同時(shí)，在很多行業(yè)出現(xiàn)大量精密儀器對電能質(zhì)量要求高，隨著工業(yè)中自動化和智能化設(shè)備的發(fā)展，對電網(wǎng)的要求更高。因此，提高電網(wǎng)電能質(zhì)量是至關(guān)重要的問題。在電網(wǎng)系統(tǒng)中無功功率的存在對電能質(zhì)量的影響非常大。電網(wǎng)中大量無功功率的存在使電網(wǎng)安全性與穩(wěn)定性降低，也使電網(wǎng)中的損耗增大等。因此對電力系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償具有至關(guān)重要的意義。

1 SVG無功發(fā)生器

靜止無功發(fā)生器（SVG）是電網(wǎng)中對無功功率實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確補(bǔ)償、降低電網(wǎng)諧波含量的裝置，它的基本工作原理是通過自換相的電力器件橋式變換器來控制開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間，以此來改變橋式電路交流側(cè)發(fā)出或吸收無功功率的補(bǔ)償裝置。SVG的主要部分由交流側(cè)部分與直流側(cè)部分組成；電網(wǎng)通過交流側(cè)部分傳輸交流電，然后橋式變換器將交流電變換為直流電為儲能元件充電；在裝置對電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，儲能元件發(fā)出電網(wǎng)所需的無功功率，并且儲能元件的電壓電流利用變換器轉(zhuǎn)換為交流方式，然后輸送到電網(wǎng)達(dá)到補(bǔ)償效果。

在電力系統(tǒng)中，SVG主電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式主要為電壓型橋式電路，電網(wǎng)通過電感與補(bǔ)償裝置相連接，直流側(cè)采用電容方式。SVG裝置并聯(lián)于電網(wǎng)中，在運(yùn)行為穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，直流側(cè)電壓保持穩(wěn)定相當(dāng)于交流側(cè)的電壓源，在實(shí)際應(yīng)用中這個等效電壓源與主電路電壓頻率和相位相一致，再通過電抗器連接電網(wǎng)。作為當(dāng)前較為新型的補(bǔ)償裝置，其在電網(wǎng)中補(bǔ)償原理就是通過改變直流側(cè)等效的電壓幅值來調(diào)節(jié)電網(wǎng)電流幅值和相位，使補(bǔ)償后電網(wǎng)中電壓與電流相位相同步，實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)無功功率的補(bǔ)償。

2 PWM追蹤控制

本文采用電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)控制方式來實(shí)現(xiàn)對電流信號的追蹤。電壓外環(huán)控制方式主要是使變流器直流側(cè)電容電壓保持不變，這樣在實(shí)際中可以作為穩(wěn)定電壓電源。從原理可以看出直流側(cè)電壓參考值與實(shí)際值進(jìn)行相比較做差，再通過PI調(diào)節(jié)，輸出信號作為系統(tǒng)有功電流信號，電路中無功電流通過無功電流檢測法來實(shí)現(xiàn)無功電流信號檢測。

采用電流控制方式通常是跟蹤型PWM控制技術(shù)，通過期望輸出與采集信號的瞬時(shí)值相對比來判斷開關(guān)器件導(dǎo)通或者關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)信號追蹤指令信號變化。本設(shè)計(jì)采用空間矢量法作為跟蹤型控制技術(shù)，空間矢量法是使用正交變換法把三相交流信號通過兩相坐標(biāo)系空間矢量表示，再將兩相平面上電壓、電流矢量劃分為六個區(qū)域，判斷電網(wǎng)系統(tǒng)中電流誤差矢量所在區(qū)域來選擇開關(guān)組合，選擇合適的組合使輸出電壓矢量改變電流誤差方向，這樣就使得變流器輸出電流和無功參考電流信號相跟蹤。

3 SVG穩(wěn)壓模塊設(shè)計(jì)

3.1 穩(wěn)壓原理分析

在電網(wǎng)系統(tǒng)中，系統(tǒng)中存在的無功容量越大，對于電壓的穩(wěn)定性影響越大。在系統(tǒng)投入無功發(fā)生器對存在的無功進(jìn)行補(bǔ)償后，系統(tǒng)中的無功即為負(fù)載與補(bǔ)償無功之和。如果無功發(fā)生器能實(shí)時(shí)補(bǔ)償與負(fù)載性質(zhì)相反的無功即可使系統(tǒng)的無功不發(fā)生變化，從而保持系統(tǒng)電壓不變。由于在系統(tǒng)補(bǔ)償前后會存在時(shí)段與負(fù)荷性質(zhì)的不同從而使整個網(wǎng)絡(luò)不同，本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)就是在能夠達(dá)到系統(tǒng)補(bǔ)償效果的同時(shí)也可以保持系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相一致。

3.2 穩(wěn)壓模塊分析

在利用matlab對本系統(tǒng)建立仿真模塊時(shí)，對以下方面進(jìn)行詳細(xì)分析：

（1）本次設(shè)計(jì)利用空間矢量法，根據(jù)系統(tǒng)電流誤差矢量所處的區(qū)域以此來選擇開關(guān)組合，使變流器輸出電流能夠很好地跟蹤無功參考電流的變化。還需要使用PI模塊來對對控制對象進(jìn)行調(diào)節(jié)，使補(bǔ)償效果更好。

（2）在模塊建立中考慮到采集abc三相電流在時(shí)刻不停地變化，設(shè)計(jì)中利用派克變換將abc坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為dqo中進(jìn)行變量控制，可以更好處理信號，經(jīng)過一系列變換，最后再將信號轉(zhuǎn)換為abc三相電流形式。

（3）本次設(shè)計(jì)重點(diǎn)是對電流控制模塊與直流側(cè)電壓穩(wěn)定模塊的設(shè)計(jì)，在電流模塊設(shè)計(jì)中，由于電力電子設(shè)備本身引進(jìn)諧波信號，會損耗部分能量，因此需要在設(shè)計(jì)中考慮負(fù)載需要的電流控制量，也需消除設(shè)備產(chǎn)生的諧波含量，以避免影響整個電力系統(tǒng)；在直流側(cè)電壓模塊中，直流側(cè)電壓的穩(wěn)定性直接影響補(bǔ)償效果，對整個補(bǔ)償系統(tǒng)至關(guān)重要。

4 仿真結(jié)果分析

為了對此方法進(jìn)行證實(shí)，建立SVG模型來證實(shí)補(bǔ)償效果的完整性，在建立的模型中選用容性負(fù)載與感性負(fù)載相互切換來對補(bǔ)償效果進(jìn)行證實(shí)，圖1為系統(tǒng)模型；整個系統(tǒng)在0.02s前存在一些振蕩現(xiàn)象，在此以后開始穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)從開始振蕩到穩(wěn)定這段時(shí)間和SVG系統(tǒng)開始對系統(tǒng)無功進(jìn)行補(bǔ)償?shù)臅r(shí)間相一致，說明設(shè)計(jì)的控制模塊在此系統(tǒng)中精度比較高。圖2為補(bǔ)償后的電流電壓波形，從圖2中可以看出感性負(fù)載與容性負(fù)載相互切換后補(bǔ)償效果，補(bǔ)償后系統(tǒng)的電壓和電流相位相一致，達(dá)到系統(tǒng)要求的補(bǔ)償效果，系統(tǒng)中的諧波含量也較少。

圖1：系統(tǒng)仿真圖

圖2：補(bǔ)償后電壓電流波形

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)從電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償方面進(jìn)行研究，搭建SVG模型并對提出方法進(jìn)行了證實(shí)。經(jīng)過分析，證實(shí)了SVG在對電網(wǎng)系統(tǒng)無功進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)可以達(dá)到很好的效果，使補(bǔ)償后電壓與電流相位相一致。同時(shí)，在證實(shí)過程中能夠明顯看出SVG對電網(wǎng)中存在的無功具有實(shí)時(shí)跟蹤性，可以實(shí)時(shí)性地對無功進(jìn)行補(bǔ)償，對電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性具有明顯效果。

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