以提高天然氣行業(yè)電能質(zhì)量為目標的動態(tài)無功補償裝置設(shè)計

張 帆 ，岳理遠 ，劉晶晶

（1.中海石油深圳天然氣有限公司，廣東 深圳 518000；2.思源清能電氣電子有限公司，上海 201108）

0 引言

據(jù)2012年《中國能源發(fā)展報告》預(yù)計，到2020年，中國天然氣（liquefied natural gas，LNG）供需缺口將達40%左右。積極開采天然氣、發(fā)展天然氣管道運輸勢在必行。因此，LNG接收站、增壓運輸站、調(diào)峰儲運站等已成為目前國內(nèi)天然氣行業(yè)發(fā)展較快的供配電站點。該類站點負荷以異步電機和泵類為主，部分電機帶有變頻裝置。由于該類負荷對供電可靠性要求比較高，但負荷造成的諧波和低功率因數(shù)往往使內(nèi)部供配電系統(tǒng)達不到考核要求。同時，諧波作為電網(wǎng)的污染源以及大電機啟動產(chǎn)生的電壓沖擊，會降低用電設(shè)備的使用壽命、增加故障率和線路損耗；低功率因數(shù)會降低設(shè)備出力、提高設(shè)備投資額、增大電費輸出。這些問題不利于天然氣行業(yè)的快速穩(wěn)定發(fā)展，如何利用電力電子補償裝置改善該類站點的電能質(zhì)量、提高穩(wěn)定性和安全性，是近年來電能質(zhì)量控制研究的熱點問題之一。

美國的N.G.Hingorani博士提出的柔性交流輸電系統(tǒng) （Flexible AC Transmission System，F(xiàn)ACTS）［1］是改善電能質(zhì)量、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，并獲得節(jié)能效益的綜合技術(shù)［2－3］。 相較于機械裝置，F(xiàn)ACTS 裝置縮短了控制周期，并且能平穩(wěn)、連續(xù)的作用于電力系統(tǒng)中［4］，對于要求高可靠性供電的LNG行業(yè)具有重要作用。

三相電壓源型變流器是FACTS裝置中應(yīng)用較為廣泛的一種拓撲結(jié)構(gòu)［5］，本文分析了基于該結(jié)構(gòu)的并聯(lián)型FACTS裝置——動態(tài)無功補償裝置（Static Var Generator，SVG），得出在采用分相瞬時控制策略時，SVG可以迅速響應(yīng)系統(tǒng)變化，提高系統(tǒng)功率因數(shù)、降低系統(tǒng)損耗。因而SVG能改善LNG行業(yè)供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，有利于該行業(yè)的快速穩(wěn)定發(fā)展。

1SVG基本原理

SVG的核心部分是由大功率可關(guān)斷電力電子器件組成的三相電壓源型變流器，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖 1所示，簡化系統(tǒng)接線圖如圖 2所示，變流器經(jīng)過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，通過調(diào)節(jié)變流器的輸出電壓，使其和系統(tǒng)電壓形成可調(diào)電壓差，以此控制注入系統(tǒng)的無功電流，即吸收或者發(fā)出所需要的無功功率，實現(xiàn)快速動態(tài)調(diào)節(jié)無功的目的。

考慮連接電抗器和變流器本身損耗的SVG等效電路及工作原理如圖 3（a）所示，其中ui為SVG輸出電壓、us為電網(wǎng)電壓，連接電抗器L的阻抗值和等效損耗分別為jωL、R。通過調(diào)節(jié)逆變器交流側(cè)輸出電壓ui及us和ui的夾角θ，使其和系統(tǒng)電壓形成可調(diào)基波電壓差，從而控制注入系統(tǒng)的無功電流iL，改變端電壓夾角，電網(wǎng)的無功功率也隨之改變。如圖3（b）所示，當 ui大于 us時，電流超前電壓 90°，SVG吸收容性無功功率；如圖 3（c）所示，當ui小于us時，電流滯后電壓90°，SVG吸收感性無功功率。

圖1 三相電壓源型變流器拓撲

圖2 SVG接入系統(tǒng)示意圖

圖3 SVG等效電路及工作原理

由以上分析可知，SVG直接控制對象為注入系統(tǒng)的電流iL，如通過調(diào)節(jié)逆變器交流側(cè)輸出電壓ui及us和ui的夾角θ，使其和系統(tǒng)電壓形成諧波電壓差，則可控制注入系統(tǒng)的諧波電流iL，使系統(tǒng)負載呈現(xiàn)阻性。因此，SVG可以動態(tài)補償無功，改善系統(tǒng)功率因數(shù)，也可以作為有源濾波裝置改善系統(tǒng)諧波。

2 分相瞬時電流跟蹤控制方法

分相瞬時電流跟蹤控制方法具有快速跟蹤負荷電流變化的特點，響應(yīng)速度快，對系統(tǒng)電壓的適應(yīng)性強。采用電流跟蹤算法［6-7］可以大大提高裝置承受沖擊的能力，降低其對系統(tǒng)電壓突變的敏感性，從而提高裝置的可靠性。對于三相電壓源型變流器，其中每一相都是獨立的，相互之間不存在耦合關(guān)系，因而可以把三相電壓源型變流器看成三個輸出電壓相位互差 120°的單相半橋式電路分析［8］，電路如圖 4（a）所示，其中udc為單相變流器直流側(cè)電壓，S1、S2為半導(dǎo)體開關(guān)器件，L為連接電抗器，R為連接電抗器等效阻抗，iL為注入系統(tǒng)的電流。將單相變流器輸出電壓ui和電網(wǎng)電壓us看作電壓源，可得簡化電路圖如圖 4（b）所示。

圖4 單相半橋式電路及其簡化電路圖

因此，對鏈式SVG，三相控制方式一致，為簡化計算，按照單相模型分析。根據(jù)SVG基本原理，可得基于分相瞬時控制電流跟蹤控制方法的單相SVG系統(tǒng)控制框圖如圖 5所示，其中Ir（s）為參考輸出電流，Ur（s）為參考電壓，Uir（s）為參考可調(diào)基波電壓差，Us（s）、Ui（s）、IL（s）為 us、ui、iL的拉氏變換形式，Gc（s）為參考輸出電流 Ir（s）到參考電壓 Ur（s）的傳遞函數(shù)，Gr（s）參考可調(diào)基波電壓差 Uir（s）到 SVG 輸出電壓Ui（s）的傳遞函數(shù)，Gp（s）為 SVG 輸出電壓 Ui（s）到輸出電流 IL（s）的傳遞函數(shù)。

圖5 變流器等效電路及控制器

2.1 傳遞函數(shù)Gp（s）

由圖 4（a）可得單相系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

對式（1）進行拉氏變換，可得

由式（2）可得 Gp（s）的傳遞函數(shù)為

2.2 傳遞函數(shù)Gc（s）

忽略諧波影響，假設(shè)PWM調(diào)制結(jié)果使輸出電壓Ui（s）和輸入電壓 Uir（s）相同，即 Gr（s）為 1，則有

電流控制的目標是使輸出電流IL（s）緊跟參考電流Ir（s），理想情況下可認為兩者相同，可以得到

2.3 傳遞函數(shù) Gr（s）

雙極性正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）通過比較參考可調(diào)基波電壓差，即正弦波調(diào)制信號 uir（ωt）＝Uirsin（ωt）與三角波載波信號 utri（ωst）決定圖 4（a）中開關(guān) S1、S2的狀態(tài)，如圖 6（a）所示。其中，正弦波調(diào)制信號頻率 ω＝2πf，三角載波信號頻率 ωs＝2πfs，三角載波信號峰值為 Utri。取 f=50Hz，fs=500Hz若 uir（ωt）＞utri（ωst），則 S1 導(dǎo)通，變流器輸出電壓 ui（ωt）＝udc；若 uir（ωt）≤utri（ωst），則 S2 導(dǎo)通，變流器輸出電壓 ui（ωt）＝－udc，ui（ωt）為一個正弦波脈寬調(diào)制的波形，如圖 6（b）所示。這時功率器件的開關(guān)頻率等于載波頻率。

因此，雙極型SPWM調(diào)制時，ui可以表示為

式中，S為開關(guān)函數(shù)。S1導(dǎo)通時，S＝1；S2導(dǎo)通時，S＝0。

圖6 雙極性SPWM方法原理示意圖

由于開關(guān)函數(shù)的存在，式（6）中ui不連續(xù)。對式（6）求開關(guān)周期平均，得到

這里〈ui〉Ts表述ui的開關(guān)周期平均值。而S的開關(guān)周期平均值

式中，D（t）為占空比，由圖 6（a）得到

把式（8）和式（9）代入式（7）得到

因此，參考可調(diào)基波電壓差Uir（s）到SVG輸出電壓 Ui（s）的傳遞函數(shù) Gr（s）為

2.4 仿真分析

以上分析推導(dǎo)了各個環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，從控制的角度看，Gc（s）是一個比例微分環(huán)節(jié)，一般認為容易受到噪聲的影響。然而，對于SVG電流控制來說，輸入?yún)⒖茧娏餍盘栐谟嬎氵^程中需要經(jīng)過濾波器處理，在一定程度上去除了噪聲的影響。圖7是分相瞬時電流控制器跟蹤參考電流的數(shù)字仿真結(jié)果，鏈式逆變器為8 H橋串聯(lián)，開關(guān)頻率500 Hz。0.6 s前參考電流相位超前電壓90°，幅值1000 A。0.6 s時參考電流改變?yōu)橄辔宦浜箅妷?0°，幅值1000 A。仿真結(jié)果顯示，輸出電流緊跟參考電流變化，幾乎重合，放大圖顯示兩者時間差為1 ms，顯示了分相瞬時電流控制器快速的動態(tài)響應(yīng)性能。

圖7 分相瞬時電流控制器仿真效果

3 實驗驗證

為驗證控制模型的有效性，對SVG抑制電壓波動的響應(yīng)速度進行實驗。實驗中SVG運行在感性輸出狀態(tài)（－4 Mvar），斷開SVG控制柜高壓側(cè)PT電壓輸入，利用繼電保護試驗裝置外加高壓側(cè)PT電壓，采用空氣開關(guān)快速斷開的方式瞬時改變電壓值，模擬造成系統(tǒng)電壓跌落，SVG裝置監(jiān)測到電壓跌落后應(yīng)及時發(fā)出最大無功（＋8 Mvar），用以支撐系統(tǒng)電壓，實驗過程如圖8所示，實測最大閉環(huán)響應(yīng)時間6.8ms。

圖8 系統(tǒng)電壓暫態(tài)變化的閉環(huán)響應(yīng)測試

4 節(jié)能降耗分析

4.1 SVG損耗分析

SVG的損耗主要為閥組損耗，包括IGBT、二極管等功率器件損耗。下面以分相瞬時電流跟蹤控制方法10 Mvar SVG為例，分別對IGBT、二極管的導(dǎo)通和開關(guān)損耗進行計算并得出輸出容量與損耗的關(guān)系曲線。

1）IGBT導(dǎo)通損耗計算。

式中：

i（t）＝I sin（ωt），正弦的輸出電流；

VCE（t）＝VCE0＋r×i（t），為導(dǎo)通情況下的 IGBT 的壓降，其中VCE0為門檻電壓，r為斜率電阻；

τ′（t）為逆變橋輸出的占空比（導(dǎo)通時為 1，關(guān)斷時為 0），一般情況下，該變量的波形為 τ′（t）＝ 1（1＋2 m sin（ωt＋Φ）），m 為調(diào)制比，Φ為輸出信號與電流之間的相位差。

2）二極管導(dǎo)通損耗與IGBT的導(dǎo)通損耗類似，只是針對二極管而言，上橋臂的IGBT導(dǎo)通意味著下橋臂的二極管關(guān)斷，反之，上橋臂的IGBT關(guān)斷意味著下橋臂的二極管導(dǎo)通。因此對于二極管來說

3）IGBT開關(guān)損耗計算。

4）二極管開關(guān)損耗中的導(dǎo)通損耗可忽略不計，須考慮的是關(guān)斷損耗。

計算中，Eoff，DIODE與DIODE的反向恢復(fù)能量并不成正比，以式（15）進行等同。

綜合式（14）和式（15）可得

根據(jù)上述公式和器件的參數(shù)資料，算得10 Mvar STATCOM功率部分損耗與輸出容量的關(guān)系曲線如圖9所示。

圖9 10 Mvar SVG功率部分損耗與輸出容量的關(guān)系

由以上分析可知，SVG自身損耗不大于額定容量的0.9%。

4.2 SVG節(jié)能分析

根據(jù)以上損耗分析，對已投入運行的某工程2套6 Mvar SVG產(chǎn)生的經(jīng)濟效益進行分析。根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，可得投運前后，功率因數(shù)和諧波電壓數(shù)據(jù)檢測如表1所示。

1）線損減小產(chǎn)生的經(jīng)濟效益。

通過采取SVG型無功補償方式后，滿額運行下減小的無功功率為

取平均運行系數(shù)為0.5，無功經(jīng)濟當量0.09 kW／kvar，年平均運行時間7200 h（年檢修時間60天），可得年減小損耗為

取動力電的平均費率按0.40元／kWh計算，則年度線損節(jié)約收益為

2）力率電費減小產(chǎn)生的經(jīng)濟效益。

按照以0.90為標準值的功率因數(shù)調(diào)整電費表可知，系統(tǒng)功率因數(shù)為0.72時，月電費需多繳納9%的電費罰款，系統(tǒng)功率因數(shù)為0.99時，月電費可得到減免0.75%的獎勵，以負荷總有功功率按8000 kW計算，電價按照0.40元／kWh計算，根據(jù)圖9，SVG總損耗按照總?cè)萘康?.9%計算，可得力率電費調(diào)整的經(jīng)濟收益為

綜合以上分析可知，SVG能夠減小系統(tǒng)的無功電流和諧波電流從而降低系統(tǒng)有功損耗，并且能夠提升系統(tǒng)的功率因數(shù)、降低電費，同時SVG自身產(chǎn)生的損耗遠小于給用戶帶來的收益。

5 結(jié)語

采用基于分相瞬時控制策略的SVG系統(tǒng)響應(yīng)時間小于10 ms，能動態(tài)跟蹤系統(tǒng)負荷變化、快速提供無功電流并穩(wěn)定母線電壓、補償系統(tǒng)功率因數(shù)，同時SVG自身損耗遠小于帶來的節(jié)能降耗收益，因此SVG的投入能夠使電力系統(tǒng)更加清潔、高效、安全、可靠，是改善LNG行業(yè)供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的最佳選擇。

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