邱天博 葛培 張秦 馬凌杰 徐英杰

摘 要：隨著工業(yè)用電復(fù)雜性的提高和干擾因素的增多，配電網(wǎng)中的三相不平衡問(wèn)題越加凸顯，同時(shí)電網(wǎng)對(duì)無(wú)功補(bǔ)償?shù)男枨笠哺訌?qiáng)烈。靜止無(wú)功發(fā)生器SVG是當(dāng)前電網(wǎng)中應(yīng)用較為廣泛的一種先進(jìn)的無(wú)功補(bǔ)償裝置，其性能受電壓波動(dòng)的影響較小，同時(shí)裝置本身產(chǎn)生的少量諧波對(duì)電網(wǎng)影響較為有限?；诖?，本文針對(duì)典型的電壓型SVG系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，并基于此介紹了SVG的工作原理和控制方法。最后通過(guò)Matlab仿真驗(yàn)證SVG對(duì)系統(tǒng)無(wú)功的調(diào)節(jié)作用以及對(duì)不平衡電流的調(diào)節(jié)作用。

關(guān)鍵詞：無(wú)功補(bǔ)償;瞬時(shí)無(wú)功;電流控制

1 緒論

近年來(lái)隨著單相大功率電氣設(shè)備的不斷增多，對(duì)配電網(wǎng)三相負(fù)載的平衡造成了很大的影響，改善配電網(wǎng)的三相平衡是目前較為關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題[1]。無(wú)功功率主要用于設(shè)備間的能量轉(zhuǎn)換，如電機(jī)以及變壓器等，本身不會(huì)對(duì)外做功[2]。雖然如此，但無(wú)功功率依然會(huì)占用電網(wǎng)資源，影響電能質(zhì)量，甚至由于過(guò)大的電壓跌落導(dǎo)致系統(tǒng)脫網(wǎng)。

因此，準(zhǔn)確且均衡的消除線(xiàn)路中產(chǎn)生的無(wú)功功率對(duì)于線(xiàn)路考核運(yùn)行具有重要的意義。首先，能有效改善負(fù)載不平衡的運(yùn)行情況，提高了功率因數(shù)和電網(wǎng)有功輸送能力。其次，能減少電能在變壓器以及線(xiàn)路上的損耗，減少設(shè)備的發(fā)熱，從而保證了供電設(shè)備及用電設(shè)備正常的使用壽命。因此本文對(duì)SVG的工作原理及其對(duì)系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)男ЧM(jìn)行了相關(guān)研究。

2 SVG基本原理

2.1 電壓型SVG的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

靜止無(wú)功發(fā)生器可定義為：具備自換相水平的橋式電路直接連接或通過(guò)電抗器連接電網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電壓的相位、幅值進(jìn)行調(diào)整，屬于無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。其主電路架構(gòu)普遍包括兩類(lèi)，即電流橋電路、電壓橋電路。

SVG結(jié)構(gòu)為電流型橋式電路，該種類(lèi)型的電路不利于規(guī)避過(guò)電壓?jiǎn)栴}，同時(shí)其在器件硬件規(guī)格方面的標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)嚴(yán)謹(jǐn)。

2.2 SVG的工作原理

假定電容電壓在動(dòng)態(tài)變化，則系統(tǒng)會(huì)有相應(yīng)的能量損耗，其單相等效電路如圖1（a）所示，圖中的電阻為等效損耗的虛擬元件，且電阻產(chǎn)生的損耗為該系統(tǒng)的有功損耗。定義電感與電阻端電壓的和為UL，在理想情況下UL與電流I的夾角應(yīng)為90°?？紤]有功損耗R的加入后，該角度發(fā)生了偏差，其矢量關(guān)系如圖1（b）和（c）所示。由矢量關(guān)系可知，電流I能夠通過(guò)調(diào)整δ值與UC值來(lái)轉(zhuǎn)換補(bǔ)償輸出本質(zhì)。圖1（b）是電流處于超前狀態(tài)下，SVG將感性無(wú)功輸出;圖1（c）是電壓處于超前狀態(tài)下，SVG進(jìn)行容性輸出。

基于以上矢量關(guān)系，可知三組電壓在數(shù)學(xué)上有以下關(guān)系：

ULsinδ=Ussin90°-φ=UCsin180°-φ-δ

結(jié)合電路圖可知其有功和無(wú)功電流分別為：

Ip=ULX2+R2cos90°-δ=USRsin2δ

IQ=ULX2+R2sin90°-δ=US2Rsin2δ

進(jìn)一步的可以求出系統(tǒng)所吸收的有功和無(wú)功功率分別為：

P=Us×Ip=U2ssin2δR

Q=Us×IQ=U2ssin2δ2R

則聯(lián)合式可以計(jì)算出：

Uc=Uscos（δ+φ）cosφ

分析式可知，在δ角為正時(shí)，US超前UC，SVG輸出滯后無(wú)功;反之SVG輸出超前無(wú)功。分析式可知，通過(guò)δ值能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)UC的控制，也就意味著SVG可以通過(guò)控制角度控制輸出電壓。

3 基于電流環(huán)的控制方法

應(yīng)用于三相系統(tǒng)的SVG同樣遵循坐標(biāo)變換的規(guī)則，本文不再贅述其推理過(guò)程，其空間向量關(guān)系如圖2所示。

結(jié)合圖2的坐標(biāo)關(guān)系可推理出在d-q-0坐標(biāo)系下SVG控制的電壓電流關(guān)系：

Gi（s）=Id（s）Ud（s）=Iq（s）Uq（s）=I0（s）U0（s）=1Ls+R

本文采用經(jīng)典的PI控制實(shí)現(xiàn)對(duì)SVG電流的調(diào)節(jié)作用。以q軸電流分析為例，結(jié)合式的數(shù)學(xué)關(guān)系，可推理出q軸電流內(nèi)環(huán)控制框圖。

結(jié)合圖3可計(jì)算出PI內(nèi)環(huán)控制的閉環(huán)傳遞函數(shù)的等效公式如下：

φic（s）=KpLs+1/T1s2+Kp/L+R/Ls+Kp/LT1

基于以上閉環(huán)傳遞函數(shù)可知，該系統(tǒng)為一二階系統(tǒng)，采用零極點(diǎn)對(duì)消的等效原理化簡(jiǎn)后可得：

φic=11+LKps

結(jié)合帶寬的定義，可知該系統(tǒng)的帶寬為wb=Kp/L。由帶寬表達(dá)式可知，其正比于比例系數(shù)Kp，反比于交流側(cè)電感。因此基于系統(tǒng)硬件電感值配合適當(dāng)?shù)谋壤禂?shù)Kp可實(shí)現(xiàn)對(duì)帶寬的調(diào)節(jié)，通常會(huì)根據(jù)實(shí)際需要將帶寬控制在1.5k～3kHz。

4 仿真分析

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的無(wú)功檢測(cè)和控制方法的有效性，本文采用MATLAB軟件搭建了仿真模型，并將模型中的無(wú)功補(bǔ)償裝置投入運(yùn)行，對(duì)算法進(jìn)行了驗(yàn)證。對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行仿真，由于負(fù)載的不平衡導(dǎo)致負(fù)載電流存在較大的不平衡，如圖4所示。在0.1s時(shí)投入SVG，可知三相電流迅速的實(shí)現(xiàn)了調(diào)整，負(fù)載電流實(shí)現(xiàn)了基本平衡。SVG輸出的補(bǔ)償電流如圖5所示，由圖可知在投入補(bǔ)償裝置后SVG能立即響應(yīng)。補(bǔ)償前后的平衡度計(jì)算結(jié)果已經(jīng)確保了系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

補(bǔ)償前后不平衡度和功率因數(shù)的變化可知，在投入SVG后系統(tǒng)存在明顯的震蕩，甚至不平衡度會(huì)惡化，但經(jīng)過(guò)兩次的震蕩其不平衡度能快速進(jìn)入新的穩(wěn)定狀態(tài)。產(chǎn)生這個(gè)問(wèn)題的原因是投入SVG對(duì)電流的調(diào)節(jié)會(huì)影響系統(tǒng)整體的工作狀態(tài)，但同時(shí)能修正系統(tǒng)不平衡運(yùn)行的問(wèn)題。

5 結(jié)論

SVG系統(tǒng)是現(xiàn)代電力系統(tǒng)中常用的裝置，本文對(duì)SVG系統(tǒng)的基本拓?fù)浜凸ぷ髟磉M(jìn)行了闡述，并研究了SVG對(duì)系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)男Ч?。首先分析了典型的電壓型SVG的基本結(jié)構(gòu)，然后在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)了SVG的工作原理和控制方法。最后本文采用仿真的方式對(duì)不平衡系統(tǒng)投入SVG前后的效果進(jìn)行了研究，結(jié)果表明SVG能夠有效的提高系統(tǒng)運(yùn)行的功率因數(shù)并修正不平衡問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫婷，楊奇，張?jiān)７?，?直掛式級(jí)聯(lián)SVG的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與模型仿真[J].電力電子技術(shù)，2016，50（6）：47-50.

[2]武海濤，劉永和.一種新型SVG的拓?fù)渑c控制[J].電力電子技術(shù)，2018，52（11）：114-117.

作者簡(jiǎn)介：邱天博（1990—），男，漢族，江蘇南通人，助理工程師，主要從事電氣自動(dòng)化設(shè)備的檢修和管理工作。