查凡

(安徽工業(yè)大學(xué) 電氣信息學(xué)院，馬鞍山 243002)

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，在電力負(fù)荷中，感性負(fù)荷所占的比重越來越大。這些負(fù)荷投入運行之后除了消耗大量的有功之外還要吸收大量變化的滯后無功。大量無功的存在，會使電力設(shè)備得不到充分應(yīng)用，設(shè)備及線路損耗增加，用戶功率因數(shù)降低，用戶電壓降低，破壞電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，嚴(yán)重影響了供電質(zhì)量和電網(wǎng)安全。而無功補(bǔ)償裝置是解決以上問題的有效手段。

目前，無功補(bǔ)償?shù)姆椒ê芏?，主要有固定電容補(bǔ)償、靜止無功補(bǔ)償器(SVC)、先進(jìn)靜止無功發(fā)生器(ASVG)。固定電容器的補(bǔ)償容量無法調(diào)節(jié)，SVC本身又分為許多種，有的不能連續(xù)補(bǔ)償無功功率，如晶閘管投切電容器(TSC)，有的在連續(xù)補(bǔ)償無功的同時又向電網(wǎng)注入大量諧波，且需要兩倍的補(bǔ)償容量，如晶閘管控制電抗器(TCR)+固定電容器(FC)。ASVG可連續(xù)的調(diào)節(jié)感性或容性無功，但它控制復(fù)雜、價格昂貴且自身又受所用開關(guān)器件頻率的限制[1]。

本文介紹了一種新型的可以連續(xù)調(diào)節(jié)容性無功的續(xù)動態(tài)補(bǔ)償技術(shù)。交流BUCK電壓變換器與補(bǔ)償電容串聯(lián)直接并入電網(wǎng)，使補(bǔ)償器能夠輸出連續(xù)變化的容性無功，對感性無功進(jìn)行補(bǔ)償，使電網(wǎng)的無功得到動態(tài)連續(xù)的改善，不會出現(xiàn)過補(bǔ)或欠補(bǔ)帶來的電壓不穩(wěn)定現(xiàn)象，零電流投入，不對電網(wǎng)產(chǎn)生附加諧波污染，響應(yīng)速度快，控制易于實現(xiàn)。

1 基本原理

為了實現(xiàn)無功的連續(xù)補(bǔ)償，與傳統(tǒng)方法不同，在固定電容的補(bǔ)償支路串聯(lián)一個可調(diào)電壓源Uv，Uv是與電源電壓U同相位、同頻率的正弦交流電壓，其大小可在0～U之間變化，以單相為例如圖1所示。

圖1 單相原理圖Fig.1 Single-phase circuit

定義該補(bǔ)償支路產(chǎn)生的最大補(bǔ)償電流ICmax與最大補(bǔ)償無功QCmax，則：

圖2 無功連續(xù)變化示意圖Fig.2 Schematic diagram of reactive power continuously changing

為了提供較大的補(bǔ)償容量，同時又不增加可調(diào)電壓源的容量，可采用混合式方案[3]，如圖 3所示。即將電網(wǎng)需要提供的無功Q分為n級，其中第一級能提供的連續(xù)可調(diào)節(jié)的無功，而其他級均可提供固定的無功。通過第一級連續(xù)調(diào)節(jié)與其他n 1級投切，可實現(xiàn)0～之間無功的連續(xù)調(diào)節(jié)，而可調(diào)電壓源的容量僅為：

圖3 混合式投切方式Fig.3 Hybrid switching method

除增加一可調(diào)電壓源外，該技術(shù)可充分利用傳統(tǒng)補(bǔ)償裝置的電容及切投開關(guān)，極適宜于對現(xiàn)有傳統(tǒng)補(bǔ)償裝置的技術(shù)改造。

2 可調(diào)電壓源的實現(xiàn)

考慮對電網(wǎng)無功快速動態(tài)補(bǔ)償，可調(diào)電壓源U采用無觸點的電力電子方案[4]，由AC_Buck電壓變換器實現(xiàn)，其主電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。其電路結(jié)構(gòu)是基于直流Buck變換器，用兩個雙向?qū)ㄩ_關(guān)S1、S2代替直流Buck變換器中的單向開關(guān)和續(xù)流二極管變化得到。通過開關(guān)S1、S2的交替導(dǎo)通在輸出側(cè)獲得一個與電網(wǎng)電壓同頻率、同相位的可變電壓，其中主開關(guān)S1、S2由單相整流橋，全控型開關(guān)器件(MOSFET)，RCD緩沖電路組成，RCD緩沖電路保證了開關(guān)交替導(dǎo)通過程中電流不出現(xiàn)突變。其等效電路和變換原理如圖5所示。

圖4 AC_Buck主電路結(jié)構(gòu)Fig.4 AC_Buck circuit structure

圖5所示的AC_Buck等效電路中，S1和S2均為雙向?qū)ㄩ_關(guān)，且工作于高頻互補(bǔ)開關(guān)狀態(tài)。在電路元件均為理想器件的條件下，設(shè)：輸入電壓為u，輸出電壓為，S1、S2的開關(guān)頻率為，開關(guān)周期，1的占空比為D(0

圖5 AC_Buck變換原理Fig.5 AC_Buck transformation principle

則電路的基本關(guān)系為：

對式(9)進(jìn)行傅里葉分解，可得：

式(11)表明：只要通過控制 AC_Buck電壓變換器中開關(guān)S1、S2的占空比D，就可以實現(xiàn)交流降壓變換，開關(guān)頻率越高，輸出波形質(zhì)量越好。

本文提出的基于PWM控制可調(diào)電壓源的無功動態(tài)補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)如圖6所示。單相電路原理如圖7所示。

圖6 補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Compensation device structure

3 系統(tǒng)實驗與結(jié)果分析

系統(tǒng)仿真使用 Matlab7.1仿真軟件，電路采用如圖7所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，仿真模型中電路參數(shù)為：電網(wǎng)電壓 U=220V/50Hz；負(fù)載為2組阻感負(fù)載：和；補(bǔ)償電容；AC_Buck電路輸出濾波電感m，輸出濾波電容，開關(guān)頻率；緩沖電路電阻，緩沖電容20nf；占空比0.5；隔離變壓器變比1:1。

圖7 單相電路原理圖Fig.7 Single-phase circuit diagram

電網(wǎng)電壓電流波形如圖8所示，補(bǔ)償電容電壓電流波形如圖9所示。0.08s時刻投入補(bǔ)償裝置，經(jīng)過半個周期，電網(wǎng)電流與電壓同相位。0.2s時刻投入第2組阻感負(fù)載，補(bǔ)償后的電網(wǎng)電流同樣與電壓同相位。圖中可以看出，該補(bǔ)償方式對阻感負(fù)載具有很好的補(bǔ)償效果，且響應(yīng)速度快。

圖8 電網(wǎng)電壓電流波形Fig.8 The grid's voltage and current waveforms

本文采用基于PWM控制可調(diào)電壓源的無功動態(tài)補(bǔ)償技術(shù)對單相阻感負(fù)載電路進(jìn)行無功補(bǔ)償實驗。電網(wǎng)電壓 U=70V/50Hz，電路參數(shù)同上，測試儀器采用Fluke434電能質(zhì)量分析儀。補(bǔ)償前后電壓電流波形如圖10和圖11所示。

該裝置雖然無法改變非線性負(fù)載本身產(chǎn)生的諧波電流，僅僅補(bǔ)償無功功率，但也不產(chǎn)生新的諧波電流，輸出電流頻譜如圖12所示。若與無源濾波裝置有機(jī)結(jié)合，將使電流波形得以改善。

圖10 補(bǔ)償前電壓電流波形Fig.10 The voltage and current waveforms without compensation

圖11 補(bǔ)償后電壓電流波形Fig.11 The voltage and current waveforms with compensation

圖12 AC_Buck電路輸出電流頻譜Fig.12 The output current spectrum of AC_Buck circuit

4 結(jié)語

本文提出了一種基于PWM控制可調(diào)電壓源的無功動態(tài)補(bǔ)償技術(shù)，其不僅可以連續(xù)補(bǔ)償無功，同時還具有以下兩個顯著的優(yōu)點：可調(diào)電壓源的容量小，僅為補(bǔ)償容量的25%；利用 AC_Buck電壓變換器來實現(xiàn)低輸出阻抗的可調(diào)電壓源，從而不附加因補(bǔ)償產(chǎn)生的諧波，動態(tài)響應(yīng)速度快。

[1]王兆安，楊君，劉進(jìn)軍．諧波抑制和無功功率補(bǔ)償[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002．

[2]凌志斌，鄧超平，鄭益慧，等．一種基于可變電壓源的新型并聯(lián)電力補(bǔ)償器[J]．上海交通大學(xué)學(xué)報，2004(8)：1287-1290．

[3]陳樂柱，陳志軍，王蓉．基于DSP+CPLD的新型高壓連續(xù)無功補(bǔ)償控制器的研制[J]．儀器儀表裝置，2007(1)：16-20．

[4]徐海斌，許敏，周謙之．基于開關(guān)線性復(fù)合功率變換技術(shù)的新型無功補(bǔ)償裝置[J]．電氣傳動自動化，2004，26(1)：39-42．