陳 瑩 楊寧霞 公 政 冀 友 孫 皓

（1.國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院，中國 北京 100095；2.山東科技大學，山東 青島 266590；3.國家電網(wǎng)濰坊供電公司，山東 濰坊 261000）

0 引言

因電力系統(tǒng)[1]的負荷端大量非線性負荷投入，引起電壓伏動、閃變與三相電壓不對稱結(jié)構(gòu)，便給系統(tǒng)引入了各次的諧波[2]，嚴重影響其電能質(zhì)量以及系統(tǒng)安全的運行，這會對用戶甚至是整個電力系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重的損傷與災難。為能夠適應居民的生活以及其工企業(yè)生產(chǎn)，城市的送配電網(wǎng)正邁向自動智能化的道路。隨負荷端的非線性負荷大量投入，故而相應也需消耗大量無功功率[3]，若無功功率補償?shù)牟粔蚩焖?、不夠及時，那就會對整個電網(wǎng)系統(tǒng)平穩(wěn)、安全的運行構(gòu)成相當有害的影響。故而，對于此負荷端予以有效無功補償，來提高電能質(zhì)量具有重大意義。

伴隨控制技術(shù)和柔性交流輸電技術(shù)的不斷更新，無功補償?shù)募夹g(shù)也在不斷改進，無功補償?shù)难b置發(fā)展從無源的至有源的，從分級調(diào)節(jié)至平滑調(diào)節(jié)，從單純的只對無功功率予以補償至將其和濾波器結(jié)合等。在對于國內(nèi)外先進無功補償裝置研究基礎(chǔ)，本文設(shè)計了一種以TMS320F2812 型DSP 為運算控制核心，TCR-FC 為研究對象的SVC動態(tài)無功補償系統(tǒng)[4-5]，該設(shè)計具有調(diào)節(jié)范圍寬，動態(tài)響應的速度快，運行維護簡單，支持分相，可連續(xù)調(diào)節(jié)的特點與優(yōu)勢。該設(shè)計還能有效提高用電負荷功率因數(shù)[6]，改善其電能質(zhì)量，使電網(wǎng)可靠穩(wěn)定運行。

1 結(jié)構(gòu)及控制原理

TCR-FC 型SVC 的結(jié)構(gòu)相對簡單，動態(tài)響應速度較快，調(diào)節(jié)范圍較寬，運行維護方便，適合在實際應用中對負荷端進行無功功率補償。該SVC 結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。

圖1 TCR-FC 的電路圖

設(shè)QF是負荷所需的無功功率，QL是電抗器的感性無功功率，QC是固定電容器容性無功功率，QS是系統(tǒng)所提供的無功功率。SVC 的總無功功率為TCR 支路的無功功率和FC 支路的無功功率的代數(shù)和（Q=QL-QC）。此系統(tǒng)無功功率平衡方程表達式為

若當QF發(fā)生了變化，只需連續(xù)控制其SVC 總無功功率（Q=QLQC）朝著方向相反變化，即不管QF發(fā)生怎樣變化，QS＝QF＋QL－QC≈常數(shù)，便可限制該系統(tǒng)電壓閃變。如若把常數(shù)設(shè)定成較小值，便能使系統(tǒng)電壓值穩(wěn)定，系統(tǒng)功率因數(shù)得到一定提高。

2 參數(shù)分析及計算

TCR+FC 型SVC 裝置響應時間以及動態(tài)補償?shù)娜萘繘Q定了提高電能質(zhì)量的能力強弱以及其抑制電壓閃變與波動的效果。

SVC 補償率是：

式中，QSVC為其SVC 的動態(tài)補償額定容量，也稱為SVC 動態(tài)補償容量；Qmax 是波動性負荷最大無功功率的變化量。

SVC 對閃變抑制能力強弱，可通過閃變的改善率η 來做為檢驗，表達式為

式中：Pst/lt和P'st/lt分別為補償前后的短時/長時閃變值。

一般在理論上晶閘管閥組控制角的范圍是90°～180°，因此TCR額定容量即是SVC 動態(tài)補償?shù)娜萘俊５谴藶槔硐霠顟B(tài)下的理論分析值，在實際中晶閘管閥組控制角還不能夠?qū)崿F(xiàn)如此寬的調(diào)節(jié)范圍。為能提高SVC 動態(tài)補償容量QSVC，只有增加TCR 電抗器理論的額定容量值QL。

TCR 晶閘管閥組控制角α 與基波等值電納之間關(guān)系的表達式是

式中：表示的是晶閘管閥組中最小的控制角。

電抗器的額定電感是

式中，Ue表示電抗器額定的電壓值，為電源的角頻率。

TCR 額定電流表達式為

FC 作為SVC 無功補償裝置重要部分，其參數(shù)確定也十分重要。一般SVC 容性可調(diào)節(jié)的范圍是0～100%，濾波器組基波的無功容量表達式為

式中，αmax是晶閘管閥組中最大控制角。

3 控制器硬件設(shè)計

SVC 控制器的硬件設(shè)計，會對無功補償裝置功能實現(xiàn)有直接的影響。硬件設(shè)計是整體設(shè)計極為重要環(huán)節(jié)，該硬件設(shè)計電路主要包含信號采集及調(diào)理電路、晶閘管觸發(fā)及保護電路、鎖相倍頻電路、電源電路與其他輔助電路模塊構(gòu)成，如圖2 所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖

采用TMS320F2812 型DSP 芯片以及相應外圍電路的硬件設(shè)計，能實現(xiàn)電流、電壓信號采集與調(diào)理，控制信號的產(chǎn)生，控制算法的實現(xiàn)、脈沖的放大輸出等功能。

4 技術(shù)方案

本文設(shè)計采用如圖3 所示方案。6 kV 母線分別接入H7 濾嵌器、H5 濾嵌器、H3 濾嵌器以及TCR 感性無功調(diào)節(jié)器。其中，H7、H5 以及H3 濾嵌器為系統(tǒng)提供容性無功，同時把系統(tǒng)中存在的3、5、7 次和更高次的諧波電流濾除。TCR 感性無功調(diào)節(jié)器，能夠及時檢測到系統(tǒng)中母線的功率因數(shù)，并且可以較為迅速的調(diào)節(jié)無功的輸出，從而使母線的無功功率以及電壓保持穩(wěn)定。其一次系統(tǒng)圖與相關(guān)數(shù)據(jù)如圖3 和表1 所示。

表1 數(shù)據(jù)表

圖3 技術(shù)方案

該裝置工作流程為從母線PT 以及進線CT 分別取電流、電壓信號，并計算其夾角，從而得出實時的功率因數(shù)，然后將其功率因數(shù)與目標功率因數(shù)予以對比，從而進一步計算出需要補償?shù)臒o功總量，然后折算成電抗器輸出的電感電流值，并且能得到可控硅確切的導通角，實現(xiàn)無功補償系統(tǒng)全自動的運行。該設(shè)計可連續(xù)自動跟蹤系統(tǒng)無功功率變化情況，還能根據(jù)其無功功率變化情況對無功輸出予以動態(tài)調(diào)節(jié)。除此之外，還可實現(xiàn)經(jīng)通信接口與變電站的綜合自動化系統(tǒng)予以通信，達到遙控、遙信與遙測功能。在全功率調(diào)節(jié)的范圍之間沒有觸點開關(guān)動作，不會產(chǎn)生過電壓，安全系數(shù)高。該裝置全為靜止裝置，在壽命的周期之內(nèi)幾乎不需維護，后期維護費用低且系統(tǒng)的可靠性高。

5 結(jié)語

該設(shè)計方案能較好地對無功功率進行補償，穩(wěn)定系統(tǒng)的電壓。不僅能夠提高功率因數(shù)，而且能夠降低供電系統(tǒng)存在的諧波，從而保證電網(wǎng)電能質(zhì)量，同時還可降低損耗，節(jié)省能源，顯著提高經(jīng)濟效益。

［1］錢法憲，徐新法.MSCV 動態(tài)無功補償成套系統(tǒng)在煤礦供電系統(tǒng)的應用[J].水力采煤與管道運輸，2012(4)：53-55.

［2］石耀慧.礦井電力系統(tǒng)無功補償裝置的特征與實踐分析[J].科技與企業(yè)，2012(14)：152.

［3］劉玉濤.MSVC 無功補償裝置在煤礦高壓供電中的應用研究[J].煤礦機械，2009，30(9)：216-218.

［4］李家坤.柔性交流輸電技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應用[J].電力學報，2007，22(3):328-330.

［5］G.Myoung Lee，Julki Seok.Control of series active power filters Compensating for source voltage unbalance and current harmonics [J].Transactions on Industrial Electronics，2004，51:132-139.

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