機場供電系統(tǒng)無功功率補償方案探討

王 立

（江西省機場集團公司，江西 南昌 330114）

0 引 言

無功功率的產(chǎn)生，對機場電力系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重的安全威脅，不僅使電能被損耗，而且使設(shè)備的壽命受到嚴重的影響。因此，利用諧波治理和無功補償?shù)却胧﹦菰诒匦小?/p>

1 機場無功功率產(chǎn)生機理分析

1.1 阻感負載整流電路模型和功率因數(shù)分析

空調(diào)、電梯、風(fēng)機等用電設(shè)備能夠產(chǎn)生一定的阻感負載，交直交變頻通常是這類設(shè)備采用的控制方式。在電網(wǎng)中，逆變環(huán)節(jié)的諧波對其產(chǎn)生的影響可以忽略不計。這主要是因為其中間存在濾波環(huán)節(jié)，通常是由電容或電感組成，可以對諧波進行有效濾除[1]。因此，在穩(wěn)態(tài)運行的前提下，對整流環(huán)節(jié)對電網(wǎng)的影響進行分析，其等值電路如圖1所示，以三相橋式整流控制電路模型來進行分析。

阻感負載的三相橋式整流電路中，對相關(guān)數(shù)據(jù)進行設(shè)定：交流側(cè)電抗為零，直流電感為無窮大。通過相關(guān)計算可得三相平衡電源為：

其中，α為觸發(fā)延遲角，E為電源電壓有效值。電流是方波的一種，120°是其相位之間的差，因此可知電流基波和諧波的有效值為：

1.2 帶濾波電容的整流電路模型

航站樓內(nèi)的帶濾波電容的整流電路包括UPS、電腦顯示器、信號監(jiān)控自動檢售票及門禁等，其電路模型如圖2所示，其能夠有效的展示出諧波指標(biāo)、功率因數(shù)、諧波次數(shù)以及電路參數(shù)之間的關(guān)系[2]。當(dāng)穩(wěn)定狀態(tài)出現(xiàn)在電容濾波型二極管單相橋式整流電路中時，需要對二極管進行有效設(shè)定，將其分別設(shè)定為VD1和VD4，在距電源電壓過零點θ處，對二極管進行通電，在二極管通電得到保障的前提下來完成電容供電操作，導(dǎo)通期間需要滿足如下條件：

圖2 電容濾波型橋式濾波電路

2 靜止無功發(fā)生器工作原理和控制策略

靜止無功發(fā)生器（SVG）是電壓源逆變器的一種，其單相等效電路如圖3所示，其工作方式主要有如下3種。第一種，當(dāng)Ur=Us時，IL=0，無功電流不存在于該種方式下；第二種，當(dāng)Ur＞Us時，該種工作方式下，由發(fā)生裝置流向電源方向與IL方向保持一致，并且有無功的存在；第三種，當(dāng)Ur＜Us時，電源指向發(fā)生裝置為IL方向。這3種狀態(tài)之間能夠進行有效的切換，從而為電流能夠持續(xù)調(diào)整提供保障，以此來使得無功功率補過現(xiàn)象的杜絕得以實現(xiàn)[3]。

圖3 靜止無功發(fā)生器單相等效電路

自動換相的H橋電路級聯(lián)能夠形成靜止無功發(fā)生器，將串聯(lián)電抗器直接連入電網(wǎng)之中，利用有效手段來對控制輸出到電網(wǎng)的波形，從而使電網(wǎng)諧波治理和功率因數(shù)補償?shù)靡詫崿F(xiàn)。檢測運算電路和補償電流產(chǎn)生電路是核心控制部分的主要成分，檢測運算電路主要起到計算無功補償和諧波總電流的作用，在補償值得到有效確定的前提下，補償電流發(fā)生電路開始運作，并對H橋起到驅(qū)動的作用，從而有效獲取電網(wǎng)所需的實際補償電流值。先對標(biāo)幺值基準(zhǔn)模型進行有效的構(gòu)建，之后將靜止無功發(fā)生器的實名值方式向標(biāo)幺值模型進行轉(zhuǎn)化，將其與系統(tǒng)中的方程進行聯(lián)合，從而使參數(shù)能夠被有效的解出，進而使靜止無功發(fā)生器交流和直流兩側(cè)的容量基準(zhǔn)值保持一致，即：

其中，UdB為直流側(cè)電壓，IdB為直流側(cè)電流，RdB為直流側(cè)電阻，XdB為直流側(cè)電抗，UφB為交流側(cè)相電壓基準(zhǔn)值，ωB=3.16rad/s，從而使電網(wǎng)參數(shù)的標(biāo)幺值被有效獲取。使用主回路和連接環(huán)節(jié)簡化的方式，從而使靜止無功發(fā)生器的基波準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型得以有效建立，Ud代表直流電容器電壓，Id代表直流電容器電流，XG（無損）代表變壓器短路電抗，靜止無功發(fā)生器的輸出基波相電壓的有效值為UA，Us與UA之間的相位差用δ代表，交流系統(tǒng)母線電壓值用Us代表，將靜止無功發(fā)生器的內(nèi)部損耗忽略不計，從而得出功率方程為：

3 靜止無功發(fā)生器的系統(tǒng)仿真

靜止無功發(fā)生器的系統(tǒng)仿真架構(gòu)如4所示，電源系統(tǒng)、負載部分、靜止無功發(fā)生器無功與諧波發(fā)生器等是主回路中的主要構(gòu)成成分，載波移相和單極倍頻是模型控制的主要策略，移相作用主要是利用傳輸延遲模塊來完成，從而獲取最終的調(diào)制波。調(diào)制波的形成條件為H橋的參考調(diào)制信號與直流側(cè)電容電壓控制量進行疊加。調(diào)制波與三角載波相比，可以使H橋的4個可關(guān)斷絕緣柵雙極晶體管管子的觸發(fā)信號有效獲得。相內(nèi)電壓平衡控制與相間平衡相結(jié)合的方式是仿真模型架構(gòu)中使用的主要方式。

圖4 系統(tǒng)仿真構(gòu)架圖

3.1 系統(tǒng)靜態(tài)響應(yīng)特性

將仿真過程中的時間設(shè)定為0.25 s，利用三相橋式硅二極管來進行整流，電阻值為90 Ω，電容值為1 000 μF，斷路器所在的支路將其余負載進行斷開，其仿真波形如圖5所示。由圖5可知，電流波形畸變由電網(wǎng)中典型整流電路所導(dǎo)致，電流的正負半波形成了兩個波頭，波峰電流幅值大約在75 A。根據(jù)電網(wǎng)中的諧波成分和無功功率，靜止無功發(fā)生器能夠?qū)⑺璧牟ㄐ芜M行有效生成，如圖6所示。靜止無功發(fā)生器發(fā)出的三相補償電流相位之間存在一定的差異，但是其波形大致相同，并且電流幅值在23 A左右。利用靜止無功發(fā)生器來對電流進行補償，將三相電流進行10 ms的調(diào)整，從而使其穩(wěn)定的正弦狀態(tài)得到有效的恢復(fù)，8 A為三相電流振幅的最大值，如圖7所示。基波所在處電流進行有效的聚集，該位置處的諧波含量可以忽略不計，功率因數(shù)大約為0.968，從而使系統(tǒng)無功補償?shù)撵o態(tài)響應(yīng)能力得到有效的驗證。

圖5 補償前三相電流波形

圖6 補償后三相電流波形

圖7 補償后電流頻譜分布

4 結(jié) 論

從靜止無功發(fā)生器無功補償仿真系統(tǒng)中可知，該系統(tǒng)能夠使無功補償和諧波抑制得以實現(xiàn)，并且使功率因素得到有效的提高。此外，過補現(xiàn)象和欠補現(xiàn)象都未發(fā)生。