SVG無功補償裝置的基本原理及仿真分析

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)中的三相不平衡問題越加凸顯，同時電網(wǎng)對無功補償?shù)男枨笠哺訌娏?。靜止無功發(fā)生器SVG是當(dāng)前電網(wǎng)中應(yīng)用較為廣泛的一種先進的無功補償裝置，其性能受電壓波動的影響較小，同時裝置本身產(chǎn)生的少量諧波對電網(wǎng)影響較為有限。基于此，本文針對典型的電壓型SVG系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進行了研究，并基于此介紹了SVG的工作原理和控制方法。最后通過Matlab仿真驗證SVG對系統(tǒng)無功的調(diào)節(jié)作用以及對不平衡電流的調(diào)節(jié)作用。

關(guān)鍵詞：無功補償;瞬時無功;電流控制

1 緒論

近年來隨著單相大功率電氣設(shè)備的不斷增多，對配電網(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)注的熱點問題[1]。無功功率主要用于設(shè)備間的能量轉(zhuǎn)換，如電機以及變壓器等，本身不會對外做功[2]。雖然如此，但無功功率依然會占用電網(wǎng)資源，影響電能質(zhì)量，甚至由于過大的電壓跌落導(dǎo)致系統(tǒng)脫網(wǎng)。

因此，準(zhǔn)確且均衡的消除線路中產(chǎn)生的無功功率對于線路考核運行具有重要的意義。首先，能有效改善負(fù)載不平衡的運行情況，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SVG的工作原理及其對系統(tǒng)無功補償?shù)男ЧM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電抗器連接電網(wǎng)，可實現(xiàn)對電網(wǎng)電壓的相位、幅值進行調(diào)整，屬于無功補償設(shè)備。其主電路架構(gòu)普遍包括兩類，即電流橋電路、電壓橋電路。

SVG結(jié)構(gòu)為電流型橋式電路，該種類型的電路不利于規(guī)避過電壓問題，同時其在器件硬件規(guī)格方面的標(biāo)準(zhǔn)相對嚴(yán)謹(jǐn)。

2.2 SVG的工作原理

假定電容電壓在動態(tài)變化，則系統(tǒng)會有相應(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能夠通過調(diào)整δ值與UC值來轉(zhuǎn)換補償輸出本質(zhì)。圖1（b）是電流處于超前狀態(tài)下，SVG將感性無功輸出;圖1（c）是電壓處于超前狀態(tài)下，SVG進行容性輸出。

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功電流分別為：

Ip=ULX2+R2cos90°-δ=USRsin2δ

IQ=ULX2+R2sin90°-δ=US2Rsin2δ

進一步的可以求出系統(tǒng)所吸收的有功和無功功率分別為：

P=Us×Ip=U2ssin2δR

Q=Us×IQ=U2ssin2δ2R

則聯(lián)合式可以計算出：

Uc=Uscos（δ+φ）cosφ

分析式可知，在δ角為正時，US超前UC，SVG輸出滯后無功;反之SVG輸出超前無功。分析式可知，通過δ值能夠?qū)崿F(xiàn)對UC的控制，也就意味著SVG可以通過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控制實現(xiàn)對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)，采用零極點對消的等效原理化簡后可得：

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可實現(xiàn)對帶寬的調(diào)節(jié)，通常會根據(jù)實際需要將帶寬控制在1.5k～3kHz。

4 仿真分析

為了驗證所設(shè)計的無功檢測和控制方法的有效性，本文采用MATLAB軟件搭建了仿真模型，并將模型中的無功補償裝置投入運行，對算法進行了驗證。對該系統(tǒng)進行仿真，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時投入SVG，可知三相電流迅速的實現(xiàn)了調(diào)整，負(fù)載電流實現(xiàn)了基本平衡。SVG輸出的補償電流如圖5所示，由圖可知在投入補償裝置后SVG能立即響應(yīng)。補償前后的平衡度計算結(jié)果已經(jīng)確保了系統(tǒng)的正常運行。

補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，甚至不平衡度會惡化，但經(jīng)過兩次的震蕩其不平衡度能快速進入新的穩(wěn)定狀態(tài)。產(chǎn)生這個問題的原因是投入SVG對電流的調(diào)節(jié)會影響系統(tǒng)整體的工作狀態(tài)，但同時能修正系統(tǒng)不平衡運行的問題。

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SVG系統(tǒng)的基本拓?fù)浜凸ぷ髟磉M行了闡述，并研究了SVG對系統(tǒng)無功補償?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不平衡系統(tǒng)投入SVG前后的效果進行了研究，結(jié)果表明SVG能夠有效的提高系統(tǒng)運行的功率因數(shù)并修正不平衡問題。

參考文獻：

[1]孫婷，楊奇，張裕峰，等.直掛式級聯(lián)SVG的控制系統(tǒng)設(shè)計與模型仿真[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，主要從事電氣自動化設(shè)備的檢修和管理工作。