SVG+FC混合型無(wú)功補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)與優(yōu)化策略

摘要：介紹了SVG+FC混合型無(wú)功補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)方案，包括投切型電容器組FC的組成及原理、靜止無(wú)功發(fā)生器SVG的組成及原理等，提出了SVG+FC混合型無(wú)功補(bǔ)償裝置的優(yōu)化策略。實(shí)踐表明，該補(bǔ)償裝置有效克服了FC不能連續(xù)無(wú)功補(bǔ)償以及大容量SVG成本高的問(wèn)題，值得進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：SVG;FC;無(wú)功補(bǔ)償裝置;優(yōu)化策略

1 研究背景

目前，配電網(wǎng)中最普遍的無(wú)功補(bǔ)償方式是采用直接并聯(lián)式電容器、接觸器復(fù)合開(kāi)關(guān)、晶閘管等裝置進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。然而該方法已無(wú)法滿足快速變化的負(fù)荷對(duì)無(wú)功功率的需求。此外，每個(gè)電容器組的容量是固定的，不能進(jìn)行連續(xù)的無(wú)功補(bǔ)償，補(bǔ)償效果不顯著。若僅采用單一的投切FC裝置的方式進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，極易造成無(wú)功欠補(bǔ)償或過(guò)補(bǔ)償，電容器的使用壽命與投切頻率相關(guān)，頻繁的開(kāi)關(guān)操作使電容器的使用壽命大幅縮短。若采用晶閘管控制FC裝置的投切，會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的低次諧波，為了減少諧波污染，還需增設(shè)額外的濾波器。基于此，本文提出一種SVG+FC混合型無(wú)功補(bǔ)償裝置，其中SVG裝置用于實(shí)現(xiàn)快速連續(xù)的無(wú)功功率調(diào)節(jié)，F(xiàn)C裝置實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的大容量分級(jí)調(diào)節(jié)，兩者協(xié)同工作，克服了FC裝置不能連續(xù)無(wú)功補(bǔ)償以及大容量SVG裝置成本高的問(wèn)題。

2 SVG裝置及技術(shù)特點(diǎn)

2.1 ? ?SVG裝置

SVG裝置由VSC逆變器及直流電容器、連接變壓器、斷路器等組成。其在工作過(guò)程中將自換相橋式電路通過(guò)電抗器并聯(lián)，對(duì)橋式電路交流側(cè)輸出電壓、相位及幅值進(jìn)行調(diào)整，或者直接對(duì)交流側(cè)電流進(jìn)行控制，使電路吸收或者發(fā)出無(wú)功電流，達(dá)到快速動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康?。直流電控制過(guò)程中，SVG裝置不能利用LC回路濾波，需采用PWM電流技術(shù)進(jìn)行濾波處理。若將電力系統(tǒng)看作一個(gè)電壓源，SVG裝置則可看作可控電壓源，連接電抗器則可看作線性阻抗元件。

2.2 ? ?技術(shù)特點(diǎn)

SVG裝置利用空間失量脈寬調(diào)制方法及瞬時(shí)無(wú)功功率理論的檢測(cè)方法，解決了電力系統(tǒng)在擾動(dòng)因素的影響下產(chǎn)生的各種問(wèn)題，完成無(wú)功補(bǔ)償目標(biāo)。從技術(shù)層面看，SVG裝置具有以下特點(diǎn)：（1）動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，SVG裝置能同時(shí)對(duì)無(wú)功功率及諧波進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)連續(xù)、平滑地功率補(bǔ)償，滿足功率變化需求。（2）響應(yīng)時(shí)間短，整機(jī)響應(yīng)時(shí)間在5 ms以內(nèi)，能對(duì)額定容性及感性輸出進(jìn)行隨意切換，滿足沖擊性負(fù)載補(bǔ)償需求。（3）優(yōu)化諧波輸出，SVG裝置既能輸出近似于正弦波的無(wú)功電流，對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，又能輸出設(shè)定次數(shù)的諧波，滿足無(wú)功無(wú)償及諧波綜合治理的需求。（4）可靠性高，SVG裝置具有電流源特性，系統(tǒng)參數(shù)的敏感性不足，輸出無(wú)功不會(huì)受電壓影響，利用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)模塊的設(shè)計(jì)方法，一個(gè)模塊在出現(xiàn)故障的情況下仍能繼續(xù)運(yùn)行。（5）控制靈活，SVG裝置能單獨(dú)補(bǔ)償電壓及無(wú)功、功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)綜合控制、AVC控制以及各種模式的無(wú)縫切換。

3 SVG+FC混合型無(wú)功補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)方案

在實(shí)際工程應(yīng)用中，感性和容性無(wú)功的需求不同，所需配備的設(shè)備也不同，靜止無(wú)功補(bǔ)償SVG和固定電容器組FC并聯(lián)應(yīng)用，可以達(dá)到非常好的配合效果。SVG動(dòng)態(tài)特性好，而FC可有效補(bǔ)償容性無(wú)功，成本低。當(dāng)系統(tǒng)無(wú)功瞬間發(fā)生缺失突變時(shí)，通過(guò)SVG自啟，進(jìn)行瞬態(tài)快速補(bǔ)償，而后再投入FC，最終完成無(wú)功的精確化補(bǔ)償?；旌闲蚐VG無(wú)功補(bǔ)償裝置包括有源無(wú)功發(fā)生模塊、多組晶閘管或接觸器投切電容器模塊，即SVG+投切型電容器組（FC）。

3.1 ? ?FC的組成及原理

投切型電容器組（FC）由三相相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)成，每相包含4個(gè)分支，每條支路都是由電容器小電感器和反并聯(lián)晶閘管串聯(lián)而成，電容值比為8：4：2：1。通過(guò)控制每條支路上的晶閘管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)控制所對(duì)應(yīng)支路的通斷，以此改變整個(gè)電容器組的電容值。4個(gè)支路共有16種通斷組合，則單相投切型FC能夠?qū)崿F(xiàn)16級(jí)無(wú)功功率的“粗”補(bǔ)償。以電網(wǎng)的某一相位為例，每個(gè)FC支路的電容值依次排列為8C、4C、2C及1C，忽略FC支路小電感的存在，那么FC產(chǎn)生的感應(yīng)無(wú)功功率為：

3.2 ? ?SVG的組成及原理

靜止無(wú)功發(fā)生器SVG主要由三相逆變器直流側(cè)儲(chǔ)能電容器和交流側(cè)電感構(gòu)成，直流側(cè)電容為逆變器提供直流電壓。在不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，通過(guò)控制三相逆變器的導(dǎo)通角的方式，改變系統(tǒng)注入的補(bǔ)償電流，對(duì)系統(tǒng)無(wú)功進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)各相無(wú)功功率的精確補(bǔ)償。

式中，R為SVG的等效電阻，是SVG輸出端電壓與電網(wǎng)電壓的差值;U為SVG輸出端電壓與電網(wǎng)電壓的差值;δ為電壓和電流的相位差。只有選擇合適的FC和SVG器件參數(shù)，才能在保證較大補(bǔ)償容量的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)連續(xù)、精確動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

4 SVG+FC混合型無(wú)功補(bǔ)償裝置的優(yōu)化策略

4.1 ? ?補(bǔ)償容量的選擇

針對(duì)不同的負(fù)荷特點(diǎn)，SVG+FC混合型裝置需要合理選擇無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，具體如下：

（1）對(duì)于承受力弱的工業(yè)用戶，推薦使用SVG+FC混合型裝置，補(bǔ)償容量可選150 kvar和240 kvar。

（2）箱變用戶往往是新建的大規(guī)模住宅區(qū)商業(yè)辦公大樓、百貨商場(chǎng)等，其負(fù)荷曲線相對(duì)來(lái)說(shuō)較為穩(wěn)定，無(wú)功需求量變化不大。故而建議使用小容量SVG+FC混合型無(wú)功補(bǔ)償裝置，補(bǔ)償容量為45 kvar、75 kvar或90 kvar。這種補(bǔ)償策略無(wú)需投入巨大的成本，即可取得不錯(cuò)的補(bǔ)償效果。

（3）桿變用戶可以分為舊式工房的居民區(qū)用戶和小型工業(yè)用戶，常用的桿變?nèi)萘繛?00 kVA。居民區(qū)和小型工業(yè)用戶同樣對(duì)無(wú)功有著較大的需求，而桿變的電能質(zhì)量普遍存在功率因數(shù)低、電壓跌落和閃變負(fù)荷不平衡的特點(diǎn)，建議采用小容量抽屜式的柱上式SVG+FC混合補(bǔ)償裝置。

4.2 ? ?總體調(diào)控策略

本文提出了一種SVG+FC的總體調(diào)控策略，F(xiàn)C承擔(dān)大部分靜態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償功能，而SVG主要承擔(dān)小部分的動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償功能。不管是從設(shè)備的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，還是從工作效率、穩(wěn)定性、安全性等方面考慮，選取的SVG容量應(yīng)越小越好，同時(shí)還必須保證SVG能夠連續(xù)補(bǔ)償FC的最大補(bǔ)償差，且留有一定的裕度。該控制策略既能保證單元間的無(wú)功功率分配的穩(wěn)定性，避免由于SVG承擔(dān)過(guò)多的無(wú)功功率觸發(fā)限流限制，又可以避免FC承擔(dān)的無(wú)功功率過(guò)小的現(xiàn)象。

4.3 ? ?最優(yōu)補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)

SVG+FC混合型無(wú)功補(bǔ)償裝置無(wú)功補(bǔ)償控制的實(shí)現(xiàn)，首先通過(guò)采集模塊采集電氣信號(hào)，主要是采集系統(tǒng)的瞬時(shí)電壓和電流，通過(guò)計(jì)算單元計(jì)算系統(tǒng)側(cè)功率因數(shù)和無(wú)功功率，分析系統(tǒng)的無(wú)功輸出情況以及無(wú)功分配基準(zhǔn)。無(wú)功功率優(yōu)化分配模塊再根據(jù)需要的補(bǔ)償量，制定最優(yōu)補(bǔ)償策略，確定FC和SVG的補(bǔ)償容量。SVG再根據(jù)補(bǔ)償無(wú)功功率量，調(diào)節(jié)PWM波形，控制IGBT的導(dǎo)通，改變逆變器的輸出，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行快速補(bǔ)償。SVG+FC混合型無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)流程如圖1所示。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)無(wú)功功率補(bǔ)償不足的問(wèn)題，傳統(tǒng)的補(bǔ)償方式大多數(shù)是直接投切電容器與電抗器，雖然能夠控制成本，但是不能進(jìn)行連續(xù)補(bǔ)償，且頻繁投切會(huì)縮短設(shè)備使用壽命。因此，本文提出使用一種SVG+FC混合型無(wú)功補(bǔ)償裝置的建議，該補(bǔ)償裝置不僅具備SVG快速連續(xù)無(wú)功補(bǔ)償?shù)墓δ埽€兼具FC大容量無(wú)功補(bǔ)償?shù)墓δ?，克服了FC不能連續(xù)無(wú)功補(bǔ)償以及大容量SVG成本高的問(wèn)題。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 鄒良鴻.混合型無(wú)功補(bǔ)償裝置及其應(yīng)用研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

[2] 聞杰杰.基于有源電力濾波器的無(wú)功補(bǔ)償裝置研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2017.

[3] 劉濤.基于阻抗變化的容性無(wú)功補(bǔ)償裝置故障監(jiān)測(cè)方法[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2018.

收稿日期：2020-04-29

作者簡(jiǎn)介：昝德承（1984—），男，河南洛陽(yáng)人，工程師，研究方向：電力設(shè)計(jì)。