【摘 要】近些年,配电网中无功容量迅速上升,配电网对无功补偿的标准也日益完善,对这方面问题的研究越来越重视。若出现无功功率不足的情况,将导致电压不稳定,造成对设备的损坏,会产生非常严重的后果。本文就无功补偿方面做了深入研究,设计了一种新型静止无功补偿器(SVC)来向系统提供无功补偿,并通过MATLAB搭建无功检测平台进行仿真,验证无功补偿器的可行性。
【关键词】无功补偿;SVC;MATLAB;IGBT
0 引言
虽然无功功率不直接向系统提供可以被负荷利用的能量,但在系统中却有着至关重要的作用,如果无功分布不合理、无功补偿设备不足、无功补偿设备投运率较低等等,都会对系统电压的运行造成了极大的破坏;当有功和无功在电力系统中不平衡时,系统电压将会下降。而电压的质量是否稳定,是判断电力系统能否经济安全运行的一个重要指标。
1 设计原理
1.1 传统无功补偿装置
同步调相机[1],等效于空载运行的同步电动机,它是通过调节励磁来进行无功功率的补偿:过励磁运行时,它提供感性无功,欠励磁时,它吸收感性无功;但是由于同步调相机是机械旋转结构,存在很多机构上的缺点,如噪声大、损耗高、维护复杂和响应慢等等,在无功补偿领域已不被经常使用。并联电容器,可以分散安装,从而实现无功能够就地补偿,它的优点就是结构简单、造价便宜,以及后期的运行维护非常方便,然而,其致命缺点在于其供给的无功与所在节点电压的平方成正比,若出现电压跌落的情况,它所输出的无功功率反而会减少,导致恶性循环,使得电压持续跌落,因此其无功功率调节能力是比较差的。
上述提到的无功补偿装置器都存在各自存在缺点,对整个电网的技术运行以及所带来的经济效益都偏低,所以最后导致了它们应用的局限性,必须被更为先进和更具实用性的补偿装置所替代。由此引出本文的研究对象:基于电力电子开关器件的新型无功补偿装置中的静止无功补偿器(SVC)。
调相机和电容器是传统的变电站主要的无功补偿装置。随着现代电力电子技术广泛应用于电力系统中,将GTO、IGBT等交流无触点开关作为投切开关,不仅能进行单相调节,并且还可以在一个周期的时间内完成无功补偿。SVC就是使用GTO、IGBT等全控开关器件构成自换向变流器,它在电压下降时接入节点端,通过控制向系统提供无功补偿支撑,使得系统满足无功需求,从而维持电压的稳定,对于一些单相的大容量负荷投入到电网,引起电网三相电出现了各相电压不平衡的情况,SVC可以通过分相控制策略,使得负序所引起的不平衡功率流入SVC,最后达到系统的平衡与稳定。特别对于有谐波污染的电网,可以通过加装带滤波器的SVC(TCR+FC、TCR+PF)等,使电网的谐波功率流入SVC中的滤波支路来完成谐波的滤除。对于存在大型电动机冲击性负荷的电网,功率因数都比较低,SVC的投入可以使得电网的功率因数得到提高,以弥补经济利益的损失。
SVC装置是通过控制晶闸管的导通角来达到无功补偿的目地,即控制电抗器的投入与切出时间差,来完成补偿电流值的控制,采用的是快速,直接简易的控制方式。而且与其他无功补偿装置相比较,电容器装置具有对安装环境要求不高,不需要除电气专业方面以外的附加设备,易于扩建,运行、维护检修最简单等优点。当无功负荷变化频率不是很大,分组投切固定电容器便可满足要求时,SVC将是现在和今后很长时间变电站无功补偿的主要装置。
SVC装置补偿无功的原理是根据功率流动的规律,将由IGBT构成的自换相的三相桥式逆变电路(包括电压型逆变电路和电流型逆变电路)通过电抗器或是滤波器装置连接到电网系统中,作为SVC无功补偿装置的核心硬件部分。然后,由电流、电压检测电路在线检测电网参数,并实时反馈到控制中心,控制中心根据一定的算法规律计算需要补偿的无功功率,控制交流侧的输出电流或控制交流侧注入电网的电压相位和幅值,从而实现吸取或发出所需无功量,达到补偿目的。整个过程响应速度快,控制准确度高,因此能够有效维持电网的稳定性。
根据无功功率理论可知:在SVC装置与电网之间只是交换彼此功率,不存在消耗,因此电网中的总的瞬时功率值是固定的,无论是感性还是容性的负载,均不在SVC中产生能量的消耗。SVC装置的电路包含两大要素,即由电力电子器件构成的逆变桥式电路以及直流侧储能元件(可以是电容元件也可以是电感元件,本文研究电容元件)[2]。SVC装置三桥臂电压主电路结构如图1所示:
SVC可以采用电压型桥式电路或电流型桥式电路,这两者的工作原理基本相同。目前,由于电压型逆变电路的SVC运行效率较高等原因,到现在为止投入运行的SVG大多都采用了电压型桥式电路。下面以自换相的电压型桥式电路SVC为例的工作原理。
设电网电压为US,VSC输出的交流电压为USVC,连接电抗小上的电压UL(即US和USVC的向量差)。电抗X上的电流I就是SVC从电网吸收的电流,它是能够由SVC电压来控制的。改变USVC的幅值和相位,就可以改变UL,进而调节SVC从电网吸收电流的大小和方向,也就可以控制了SVC是从电网吸收容性无功还是吸收感性无功,以及无功的大小[3]。
2 系统仿真
由图2可以看出a相电流为感性电流,大约滞后电压45°,此时负载从电网吸收的无功为感性无功。
由图3可以看出当系统接入静止无功发生器后,系统电压相位和电流相位几乎完全相同,由此证明此时的功率因数为1。
通过对整个SVC系统的仿真,得到了进行感性无功补偿时的曲线,说明了本系统能够很好的实现预期补偿效果。为SVC装置的可行性提供了理论支撑。
3 结论
无功补偿是提高电能质量,保障电网高效运行的主要手段之一。SVC是基于IGBT的新型无功补偿装置。本文介绍了SVC的发展、原理以及已有的无功电流检测方法和控制策略。并对感性补偿进行了仿真研究,在Simulink 仿真环境下对SVC的系统模型进行了仿真,得到了拟合曲线。结果表明,本论文所搭建的系统能够满足无功补偿的目的,有很好的实时性、准确性。
【参考文献】
[2]Chen C L, Lin C E, Huang C L. Reactive and harmonic current compensation forum balanced three-phase systems using the synchronous detection method[J]. Electric Power Systems Research, 2009,26:163-170.
[3]Akagi H, Satoshi Ogasawara, Hyosung Kim. The theory of instantaneous power in three. phase four. Wires stems: a comprehensive approach[J]. IEEE Trans on Industry Applications, 2012,1:431-439.