任榮榮 ， 楊媛媛

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 廣元 628040）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)的電力事業(yè)發(fā)展迅猛，隨著電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，電力產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要組成部分，電能消耗也越來(lái)越大。與此同時(shí)，自動(dòng)化的工業(yè)生產(chǎn)中增加了很多復(fù)雜的器材儀表，這些用電設(shè)備對(duì)電能的質(zhì)量提出了更高的要求，但是在系統(tǒng)中存在大量的無(wú)功功率制約著電能的質(zhì)量，使功率因數(shù)變得很低，進(jìn)而導(dǎo)致電網(wǎng)的安全性不可靠，因此需要采用無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償[1-3]。靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG）是我國(guó)繼補(bǔ)償電容器和SVC之后的一種新型無(wú)功補(bǔ)償裝置，其因體積小、運(yùn)行范圍大、動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性能好、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，在配電網(wǎng)中獲得了廣泛的運(yùn)用[4-5]。通過(guò)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站的無(wú)功補(bǔ)償要求、諧波治理和電能質(zhì)量改善情況進(jìn)行系統(tǒng)分析，本文首先分析了靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG）裝置的特點(diǎn)，詳細(xì)闡述了SVG無(wú)功補(bǔ)償裝置在風(fēng)能和光伏電站中的應(yīng)用和發(fā)展前景[6]。其次對(duì)靜止無(wú)功發(fā)生器的工作原理和控制方式進(jìn)行了介紹。最后，研究了其在高壓供電系統(tǒng)中使用的相關(guān)問(wèn)題，包括無(wú)功發(fā)生器諧波消除的多重技術(shù)和曲折變壓器的接線方式，通過(guò)仿真驗(yàn)證了該控制方法的有效性[7-8]。

SVG和傳統(tǒng)無(wú)功器件相比，具有響應(yīng)速度快、抑制電壓閃變能力強(qiáng)、工作范圍廣、能夠使系統(tǒng)中的諧波功率得到補(bǔ)償、提高電能的質(zhì)量、節(jié)省空間、降低線路損耗、維持和控制節(jié)點(diǎn)電壓等優(yōu)勢(shì)。SVG既能使無(wú)功得到補(bǔ)償，又能抑制諧波，系統(tǒng)直流供電電壓的穩(wěn)定性需要通過(guò)直流電容來(lái)維持，且直流電容的成本低于交流電容。當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)低電壓時(shí)，采用靜止無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)會(huì)連續(xù)地輸出額定無(wú)功電流。供電部門規(guī)定，高壓供電工業(yè)用戶的功率因數(shù)必須達(dá)到0.9，但對(duì)于使用100 kVA（kW）及以上的用戶，功率因數(shù)最低為0.85。如果有電力用戶的功率因數(shù)不符合標(biāo)準(zhǔn)，供電部門將切斷對(duì)他們的供電。若要使功率因數(shù)由原來(lái)的0.85提高到0.9必須安裝無(wú)功補(bǔ)償裝置，也就是使用電容補(bǔ)償柜，利用電容器來(lái)補(bǔ)償無(wú)功損耗，才可以將功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)叫枰臄?shù)值。所以，及時(shí)有效地進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 靜止無(wú)功發(fā)生器SVG概述及工作原理

1.1 靜止無(wú)功發(fā)生器SVG概述

靜止無(wú)功發(fā)生器（Static Var Generator, SVG）是一種利用自整流功率半導(dǎo)體橋式變換器實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)难b置。相對(duì)于SVC元件而言，SVG擁有調(diào)制速度更快、工作范圍更廣等優(yōu)點(diǎn)，且SVG在采用多重化、多電平或脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)等措施后能夠使得補(bǔ)償電流的諧波含量得到降低。此外，SVG能夠使用較小的電抗器和電容元件，來(lái)減小器件的使用體積，節(jié)省生產(chǎn)成本。

電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償不僅可以降低輸電系統(tǒng)的無(wú)功損耗、提高供電系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償系數(shù)，還可以提高供電效率，使得供電環(huán)境得到改善。如果補(bǔ)償裝置能合理地達(dá)到預(yù)期的效果，就可以降低電網(wǎng)損耗，使得電網(wǎng)能夠高質(zhì)量運(yùn)行。靜止無(wú)功發(fā)生器有直接與間接電流控制兩種無(wú)功補(bǔ)償方式，直流控制常用于低壓配電網(wǎng)，SVG可以有效地提高低壓配電網(wǎng)供電質(zhì)量?；谶@一優(yōu)勢(shì)，采用SVG對(duì)系統(tǒng)的無(wú)功功率進(jìn)行有效補(bǔ)償。

1.2 靜止無(wú)功發(fā)生器SVG工作原理

SVG可以提供兩個(gè)無(wú)功功率值，即超前和落后。SVG的基本原理是將自耦變壓器與橋型電路，直接或通過(guò)交流電抗器串聯(lián)在電網(wǎng)上。通過(guò)直接利用橋型電路調(diào)節(jié)交流或無(wú)功的信號(hào)幅值，可以檢測(cè)交流或無(wú)功信號(hào)幅值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)交流或無(wú)功功率值的目的。SVG可視為可控交流電壓源，其頻率和電網(wǎng)相同且電網(wǎng)電壓相位超前SVG器件90°。電壓型SVG的單相等效電路和工作原理如圖1所示[9-10]，幅值由補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功電流的大小決定。SVG設(shè)備通過(guò)電感連接到電網(wǎng)，由電感的電壓超前電流90°可知，此時(shí)SVG發(fā)出電容電流，說(shuō)明電網(wǎng)電壓電流滯后于該電流。如果電感上的電壓與電網(wǎng)電壓相同，SVG輸出電壓的幅值則會(huì)超前于電網(wǎng)電壓。因此，改變SVG的輸出電壓，可以使SVG發(fā)出電感電流或電容電流，從而達(dá)到補(bǔ)償感性或容性無(wú)功負(fù)載的目的。

圖1 SVG簡(jiǎn)化電路與等效相量圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 SVG硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2為SVG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，硬件系統(tǒng)中有主電路、采樣電路、控制電路和驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路。其中，主電路又包括三相交流電源、連接電感、IGBT三相橋式變換器和直流側(cè)電容；而采樣調(diào)理電路主要包括三相負(fù)載電流采樣電路、SVG發(fā)出電流采樣電路、電網(wǎng)A相電壓過(guò)零檢測(cè)電路以及直流母線電壓檢測(cè)電路；控制電路由TMS320F2812DSP以及相關(guān)的外圍電路組成[11]。

圖2 SVG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由圖2可知，當(dāng)SVG工作時(shí)，首先通過(guò)調(diào)理電路將采樣信號(hào)發(fā)送到DSP，然后基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論設(shè)計(jì)DSP，計(jì)算電網(wǎng)中相應(yīng)瞬時(shí)無(wú)功電流的補(bǔ)償。此外，通過(guò)控制PWM信號(hào)，能夠確保主電路中開(kāi)關(guān)器件的可靠通斷，并且SVG交流側(cè)的輸出可以被驅(qū)動(dòng)電路放大后改變。最后，對(duì)電網(wǎng)中的無(wú)功功率進(jìn)行有效補(bǔ)償。

2.2 PWM整流器

PWM整流器的工作原理是使用全控功率開(kāi)關(guān)器件，利用PWM變流器控制方法，有效控制功率因數(shù)、電網(wǎng)側(cè)正弦電流和電能的雙向傳輸，從而加快系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制的響應(yīng)速度。用一個(gè)三角波與一個(gè)交流電流比較輸出PWM波來(lái)驅(qū)動(dòng)IGBT橋，搭建的一個(gè)比較器如圖3所示。

圖3 PWM仿真模塊

由圖3可知，利用三角波與正弦波之差得到的矩形波，當(dāng)輸出高電平時(shí)置為1時(shí)，輸出低電平時(shí)置為0，觀察其運(yùn)行波形圖，如圖4所示。

圖4 PWM波形圖

3 SVG系統(tǒng)仿真

電力電子系統(tǒng)的有效性需要通過(guò)軟件仿真來(lái)驗(yàn)證。本文利用MATLAB/Simulink搭建仿真系統(tǒng)，模擬在不同性質(zhì)的負(fù)載下的補(bǔ)償效果，有效地驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案。

3.1 SVG系統(tǒng)仿真模型構(gòu)建

SVG的仿真由六大模塊組成，即主電路模塊、負(fù)載模塊、檢測(cè)模塊以及PWM產(chǎn)生模塊等。本文重點(diǎn)介紹負(fù)載模塊系統(tǒng)的部分仿真模塊，如圖5所示。仿真用到的SVG主電路參數(shù)設(shè)置：給定直流側(cè)電壓為700 V，三相電源為380 V/50 Hz，SVG設(shè)備的容性負(fù)載為電阻6 Ω、電容1 100 μF，SVG設(shè)備的感性負(fù)載為電阻6 Ω、電感8.5 mH。主要來(lái)驗(yàn)證SVG負(fù)載模塊的電壓電流、有功功率和無(wú)功功率以及功率因數(shù)的仿真結(jié)果。

圖5 SVG系統(tǒng)的部分仿真

3.2 負(fù)載模塊

為了使實(shí)際情況和模擬的工作環(huán)境相似，同時(shí)對(duì)本文采用的控制策略在各種工況下的正確性與可行性進(jìn)行檢驗(yàn)。仿真中提供了兩種不同的負(fù)載屬性，即阻感性和阻容性，如圖6所示。

圖6 負(fù)載模塊

由圖6可知，電阻性感性負(fù)載是電力系統(tǒng)中經(jīng)常使用的負(fù)載。當(dāng)電網(wǎng)中的負(fù)載由電阻電感變?yōu)殡娮桦娙輹r(shí)，SVG從電網(wǎng)中吸收電容無(wú)功功率；相反，SVG吸收來(lái)自電網(wǎng)的感性無(wú)功功率。

3.3 負(fù)載模塊的仿真結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證SVG在容性負(fù)載下的補(bǔ)償效果以及系統(tǒng)后續(xù)的性能，這里選用時(shí)間分界點(diǎn)0.5 s，將阻感性負(fù)載變?yōu)樽枞菪载?fù)載，且兩種不同屬性的負(fù)載都采用星形連接方式。在感性負(fù)載的情況下，選擇6 kW阻性負(fù)載和4 kvar容性負(fù)載；在阻容負(fù)載的情況下，選擇7 kW的阻性負(fù)載和4 kvar的感性負(fù)載。圖7為電網(wǎng)A相電壓電流仿真結(jié)果，圖8為有功和無(wú)功功率仿真結(jié)果，圖9為功率因數(shù)波形，圖10為直流側(cè)母線電壓。

圖8 有功功率、無(wú)功功率波形

圖9 功率因數(shù)波形

由圖7～圖10可知，以0.5 s為分隔點(diǎn)，觀察三個(gè)時(shí)刻的變化得出以下結(jié)論：

圖7 電網(wǎng)電壓電流波形

圖10 直流側(cè)電壓曲線

1）在0.5 s前，負(fù)載為阻感性，電網(wǎng)A相電壓和電流同步，電網(wǎng)中的有功功率和無(wú)功功率保持平穩(wěn)，功率因數(shù)穩(wěn)定在0.87左右，表明SVG系統(tǒng)補(bǔ)償效果較好。

2）在0.5 s時(shí)，切換負(fù)載，無(wú)功功率和功率因數(shù)隨電流波動(dòng)也發(fā)生短時(shí)波動(dòng)，此時(shí)SVG動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率很大、速度很快，具有很好的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償效果。

3）在0.5 s后，負(fù)載由阻感性變?yōu)樽枞菪裕赟VG動(dòng)態(tài)補(bǔ)償下短時(shí)波動(dòng)后電壓、電流相位一致，直流總線電壓穩(wěn)定在700 V，功率因數(shù)穩(wěn)定，且符合經(jīng)濟(jì)運(yùn)行要求，說(shuō)明SVG系統(tǒng)在阻感性與阻容性兩種負(fù)載條件下補(bǔ)償效果均較好。

通過(guò)分析以上仿真結(jié)果可知，在阻感性或阻容性負(fù)載條件下，本文所介紹的SVG系統(tǒng)的補(bǔ)償效果較好；并且在負(fù)載切換時(shí)具有良好的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無(wú)功功率的能力，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)方案的可行性。