靜態(tài)同步補(bǔ)償器在民用建筑供電系統(tǒng)的應(yīng)用

劉富強(qiáng)

（中鐵西安勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054）

1 靜態(tài)同步補(bǔ)償器原理

靜態(tài)同步補(bǔ)償器的主要工作原理是首先從三相交流電網(wǎng)獲取電壓，對(duì)直流電容進(jìn)行充電，然后將電容上的直流電源進(jìn)行逆變控制，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電壓，并將其回饋至三相交流電網(wǎng)。當(dāng)逆變電壓高于系統(tǒng)交流電壓時(shí)，變壓器上的電流則比電壓超前90度，靜態(tài)同步補(bǔ)償器呈現(xiàn)容性載荷屬性，向外輸出無功功率。當(dāng)逆變的電壓小于系統(tǒng)交流電壓時(shí)，電流則比電壓滯后90度，靜態(tài)同步補(bǔ)償器呈現(xiàn)出感性負(fù)載屬性，起到吸收無功功率的作用。靜態(tài)同步補(bǔ)償器可以按照需求進(jìn)行感性和容性的連續(xù)快速轉(zhuǎn)換[1-3]。

按照儲(chǔ)能元件類別的不同，靜態(tài)同步補(bǔ)償器可以分為電壓型和電流型兩類，儲(chǔ)能元件為電容的，則成為電壓型。儲(chǔ)能元件為電感的，則稱為電流型。按照補(bǔ)償器接入電網(wǎng)的形式，可將補(bǔ)償器分為并聯(lián)型和串聯(lián)型兩類。較常見的組網(wǎng)形式為電壓型并聯(lián)式補(bǔ)償和電流型串聯(lián)式補(bǔ)償。由于電壓型補(bǔ)償器具有較高的運(yùn)行效率，應(yīng)用最多的為電壓型并聯(lián)式補(bǔ)償。靜態(tài)同步補(bǔ)償器較常見的逆變結(jié)構(gòu)如圖1所示，主體部分由三相逆變電橋構(gòu)成，共6個(gè)GTO開關(guān)器件，并將快速恢復(fù)二極管與開關(guān)器件進(jìn)行并聯(lián)，用于電流續(xù)流作用。整個(gè)系統(tǒng)的工作原理是電流傳感器將檢測(cè)到的電流值輸入至控制器，控制器將電流誤差輸入，經(jīng)過控制算法運(yùn)算輸出控制信號(hào)，控制信號(hào)經(jīng)PWM脈沖發(fā)生器轉(zhuǎn)換為PWM脈沖控制信號(hào)，控制電橋開關(guān)器件的通斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)補(bǔ)償。

圖1 靜態(tài)同步補(bǔ)償器逆變結(jié)構(gòu)

2 靜態(tài)同步補(bǔ)償器存在的問題分析

現(xiàn)有的靜態(tài)同步補(bǔ)償器主要存在兩個(gè)方面的問題，一方面是靜態(tài)同步補(bǔ)償器無法自適應(yīng)于不對(duì)稱電路，另一方面是靜態(tài)同步補(bǔ)償器的穩(wěn)定魯棒性較差。在實(shí)際工程應(yīng)用中，已有的靜態(tài)同步補(bǔ)償器主要是為高壓大容量電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，高壓大容量電網(wǎng)為對(duì)稱的三相電路，而民用建筑多為低電壓小容量系統(tǒng)，存在大量的單相載荷，電網(wǎng)必定為三相不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，隨著載荷的接入與斷開，其三相載荷不對(duì)稱程度也在隨機(jī)波動(dòng)[4]。在供電系統(tǒng)發(fā)生載荷不對(duì)稱時(shí)，靜態(tài)同步補(bǔ)償器中將會(huì)出現(xiàn)較大的負(fù)序電流，負(fù)序電流流經(jīng)直流電容，易造成電容老化和損壞，無法充分發(fā)揮出靜態(tài)同步補(bǔ)償器的作用。為克服這一問題，針對(duì)三相載荷不對(duì)稱問題，可在系統(tǒng)載荷出現(xiàn)不對(duì)稱時(shí)，將靜態(tài)同步補(bǔ)償器從線網(wǎng)中斷開，避免其遭受損害。

靜態(tài)同步補(bǔ)償器的模型屬于非線性的，一般的設(shè)計(jì)方法是將非線性模型進(jìn)行近似線性化處理。利用近似線性化設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)其穩(wěn)定性易受參數(shù)變化影響，很難同時(shí)兼顧系統(tǒng)穩(wěn)定性和電容電壓相應(yīng)快速性，系統(tǒng)的魯棒性偏差。需要改進(jìn)非線性控制算法，保證靜態(tài)同步補(bǔ)償器具有足夠的穩(wěn)定裕度，同時(shí)能夠達(dá)到要求的響應(yīng)特性。

為克服靜態(tài)同步補(bǔ)償器存在的兩點(diǎn)問題，需要對(duì)補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)，使其能夠適應(yīng)民用建筑的供電特點(diǎn)，在低壓小容量的民用配電網(wǎng)中，發(fā)揮出靜態(tài)同步補(bǔ)償器對(duì)無功功率補(bǔ)償、濾除諧波和穩(wěn)定功率因數(shù)的積極作用。

3 靜態(tài)同步補(bǔ)償器改進(jìn)技術(shù)應(yīng)用

3.1 無功電流檢測(cè)

無功補(bǔ)償首先要解決的問題是無功電流的準(zhǔn)確檢測(cè)，因此提出基于瞬時(shí)功率算法的電流檢測(cè)技術(shù)，其基本原理是：通過正余弦發(fā)生電路和鎖相環(huán)電路，將其余電網(wǎng)電路進(jìn)行耦合，獲得與電網(wǎng)具有相同相位的正弦信號(hào)，再利用公式（1）對(duì)電流進(jìn)行坐標(biāo)變換，將電流從ab三相坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)換到dq兩相靜態(tài)坐標(biāo)系下，最后利用LPF濾波器濾除其中的直流分量，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行反向變換從而獲得有功基波分量[5]。用三相原始值減去有功基波，獲得無功電流的基波及諧波，從而實(shí)現(xiàn)了誤差電流的檢測(cè)。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式為：

3.2 靜態(tài)同步補(bǔ)償器建模

為了靜態(tài)同步補(bǔ)償器能夠適應(yīng)于載荷不對(duì)稱的民用建筑供電系統(tǒng)，對(duì)靜態(tài)同步補(bǔ)償器的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在原有結(jié)構(gòu)上加入一個(gè)新的開關(guān)器件，改進(jìn)型靜態(tài)同步補(bǔ)償器電路如圖2所示。增加的開關(guān)支路為零序電流提供了通道，使其能夠適用于三相不平衡的供電系統(tǒng)，將靜態(tài)同步補(bǔ)償器的主電路模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，按照電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立微分方程公式，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)靜態(tài)同步補(bǔ)償器的數(shù)學(xué)建模[6]。

圖2 改進(jìn)型靜態(tài)同步補(bǔ)償器電路結(jié)構(gòu)

3.3 電流間接控制法

靜態(tài)同步補(bǔ)償器的電流控制方法可以分為直接控制法和間接控制法。其中，直接控制法是直接控制電流的瞬時(shí)值，主要利用跟蹤型PWM技術(shù)，控制輸出電流跟蹤參考電流值，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電流偏差值的補(bǔ)償，但其對(duì)系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度要求均較高，開關(guān)器件需要高頻率的通斷控制，需要融合多種技術(shù)來調(diào)整設(shè)備容量與開關(guān)頻率之間的矛盾關(guān)系。間接控制是通過間接方式實(shí)現(xiàn)電流的控制，利用對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)和控制系統(tǒng)電壓的相位差，并對(duì)導(dǎo)通角進(jìn)行組合控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電容電壓的限制，間接法已在高壓大容量供電設(shè)備上得到應(yīng)用，這里嘗試將其應(yīng)用于小容量低電壓的民用建筑。

4 結(jié) 論

靜態(tài)同步補(bǔ)償器屬于一種新型的無功補(bǔ)償器，在供電系統(tǒng)中得到越來越多的應(yīng)用，其在無功補(bǔ)償、穩(wěn)定功率因數(shù)、抑制諧波方面具有重要作用。目前大多數(shù)靜態(tài)同步補(bǔ)償器仍然主要應(yīng)用于大容量高電壓設(shè)備，文中關(guān)于民用建筑供電系統(tǒng)中的靜態(tài)同步補(bǔ)償器應(yīng)用進(jìn)行了分析，闡述了其主要原理，并針對(duì)存在的主要問題，提出了一些改進(jìn)方案，以期提升靜態(tài)同步補(bǔ)償器適應(yīng)性和系統(tǒng)魯棒性。