静止型动态无功发生器

静止型动态无功发生器（通用7篇）

静止型动态无功发生器 篇1

2台粗轧4500 k W主电机和精轧2台7000 k W主电机均是大功率凸极同步电机, 主传动采用全数字交交变频矢量控制的交流调速装置。交交变频装置由3台电网自然换流、无环流可逆变流器, 整流变压器, 励磁主回路及调速矢量控制系统组成, 这些负荷产生大量谐波, 而且无功冲击大、功率因数低, 导致电压波动大, 经常使电机过压或低压跳闸, 严重影响生产。为此, 在35 k V侧装设一套SVC静止型动态无功补偿装置。SVC属于35 k V高压系统, 其控制部分与高压部分通过光电隔离, 控制系统的抗干扰效果较强, 不易出现误动作, 一般情况下控制系统内部不会出现问题, 大部分是硬件损坏导致系统出现故障。

(1) 上位机电脑画面显示AB相、BC相或CA相缺相故障, 控制柜上电压表显示数据不对, 一相电压显示值约为35 k V, 另外二相电压值约为22 k V。SVC系统电压检测是从高压系统PT柜过来, 确认PT柜的保险出现问题, 退出PT柜小车, 测量该相保险出现问题, 更换恢复正常。

(2) 系统跳闸, 上位机弹出红色警告对话框, 显示"CA+丢脉冲"。按停电操作规程进行停电, 检查发现阀组发射连接板出现问题, 其连接螺丝松动, 发热炭化, 更换螺丝后恢复正常。触发脉冲分为AB+、AB-、BC+、BC-、CA+和CA-等6路, 触发脉冲丢失现象和故障处理方法类似。

(3) 上位机显示CA相第7个晶闸管灯灭。停机检修时, 在线测量晶闸管不导通, 用手电筒或打火机检测光纤正常, 更换击穿反馈光纤板, 不投高压手动投控制系统发脉冲, 上位机显示CA相第7个晶闸管灯亮, 正常运行SVC时上位机显示晶闸管灯又灭, 重新拆下所有电容测量, 发现0.5μF电容的值与铭牌不一致, 更换恢复正常。击穿检测板分为AB、BC、CA三相, 三相击穿检测板可互换使用, 击穿现象和故障处理方法类似。以AB相击穿检测板为例, 分为两种情况: (1) 击穿的晶闸管数量≤2个, 此时只是报故障现象, 虽然有晶闸管击穿但并不跳闸, SVC系统还可正常运行, 本例故障即属于这种情况。 (2) 击穿的晶闸管数量>2个, 此时既报故障现象又立即跳闸, 保护SVC系统以免击穿更多晶闸管。如果系统出现击穿故障, 确认SVC设备停止运行, 高压开关在检修状态, 功率柜三相均可靠接接地线后, 具体排查故障按图1进行。

(4) 系统跳闸, 上位机弹出红色警告对话框显示“AB:过流320”。检查发现进线高压电缆被电缆支撑角钢磨破接地。重新做高压电缆接头, 投运前做低压导通试验和高压柜连锁试验, 投运后系统恢复正常。

(5) 系统跳闸, 上位机弹出红色警告对话框, 显示相对应的通信板故障。记录上位机显示的故障现象和下位机控制插卡箱数码管的状态。更换对应的硬件板, 重新启动SVC系统, 查看故障是否排除, 更换通信板, 重新启动SVC系统, 故障排除。

对于SVC安装, 应注意SVC内的TCR电抗室必须远离其他控制系统, 避免TCR电抗器产生的环流进入接地系统而产生很大接地电流, 对其他系统产生干扰, 影响其他设备正常运行。

静止型动态无功发生器 篇2

关键词：SVC装置,原理,应用

1 静止型动态无功补偿装置 (SVC) 原理概述

SVC装置主要由可控支路和固定电容器支路并联而成, 其主要应用型式是TCR+FC型:TCR支路功能是通过相控电抗器的电流控制相控电抗器输出的感性无功值QL, FC回路一个功能是提供固定的容性无功功率QC, 另一个功能是通过电容器与电抗器的串联支路滤除电弧炉产生的主要高次谐波;电弧炉工作时产生负载感性无功用QFZ表示, 当SVC装置系统参数设计合理时, 可以使系统的无功功率QS=QC-QFZ (随机变化) -QL (响应受控) =定值或0。图1为我厂110 kV变电站SVC装置原理图。

从图1可以看出, 整套SVC装置由3台高压开关柜、1组TCR支路、4组FC支路、1台TCR控制柜及配套电力电缆、支架组成。

2 SVC装置的作用

目前国内在用的SVC成套装置达1000套以上, 广泛应用于冶金、电力、煤炭、电气化铁路、有色冶金、石油化工等行业, 应用于工矿企业时其主要作用有以下几点。

(1) 滤除电弧炉、中频炉等产生的高次谐波, 消除谐波对数控加工设备的干扰。

(2) 平抑电弧炉炼钢时引起的电压波动、闪变和电压不平衡, 提高供电质量。

(3) 快速响应自动跟踪无功, 提高功率因数, 减少线路功率损耗。

3 SVC装置使用效果

我厂110 kV变电站6 KV母线为放射式单母线供电, 其主要用电设备为数控机床、电焊机、电动机, 中频炉, 三台10t电弧炉 (单台电炉变压器容量为5500 kVA) , 系统未上SVC装置前由于电弧炉、中频炉运行时产生2次、3次、4次及4次以上高次谐波, 同时引起系统电压波动大, 电压闪变严重。从而对系统中运行的其他设备产生极大的危害。

首先由于谐波的长期积累破坏作用, 使供电设备的绝缘老化变得越来越严重, 加上操作过电压和谐振过电压的经常发生, 从而引起高压开关柜的爆炸事故, 严重影响工厂供电系统的安全运行。其次谐波的存在会对数控电子设备形成干扰, 影响数控电子设备的准确性, 甚至造成数控系统死机;第三会造成异步电动机效率下降, 噪声增大。

2010年工厂投入SVC装置后系统运行参数实测满足国标GB/T14549-1993的要求, 供电质量得到提高;近三年也没有再发生高压开关柜爆炸的事故;车间数控机加工设备没有出现由于谐波干扰引起的死机的现象;功率因数保证在0.95以上, 年获得电业局功率因数奖励50万元以上。

4 SVC装置实际运行中存在的问题及对策

SVC装置目前已广泛应用于冶金、电力、铁路等行业, 但实际运行中可能碰到很多问题, 如果发现运行中高压开关柜有发热现象, 应检查柜内铜排连接处是否接触好, 可采取涂导电脂等措施减少接触电阻。如发现晶闸管阀组、旁路电阻发热严重、晶闸管被击穿的现象, 这时有可能是由于装置电容补偿容量偏大, 因为前期往往在做参数测试计算时是按最大运行方式下进行, 加之厂矿企业SVC装置阀组通常采取空气自冷方式, 解决办法可以先将某一支路进行改造减少补偿容量, 同时增加旁路电阻, 阀组控制室装设空调。如果运行中出现计算机突然死机的现象, 这时应对计算机控制程序进行优化、测试。 (如表1)

静止型动态无功发生器 篇3

关信号, 如图6所示。图6 SPWM三角载波调制电路5仿真结果分析为了便于波形观察, 图7 (a) 从0-0.1s接入容性负载, 0.1-0.2s接入感性负载, 0.2s开始系统补偿时, 系统a相电压和电流波形, 由此观察系统中各参数的波形变化及应对负载扰动时的动态响应情况。 (a) STATCOM发出的无功功率 (b) 网侧a相电压、电流波形图7 STATCOM动态仿真图从 (a) 可以看出, 控制脉冲设定为0.6s开始, 在0-0.6S内STATCOM没有向网侧注入无功。0.6s后STATCOM根据负载变化, 向系统注入所需的无功功率, 大小基本为±50k Var, 可以看出STATCOM在应对负载扰动时具有良好的动态响应效果。 (b) 中 (1) 是系统a相电压波形, (2) 是系统a相电流波形。0-0.1s时, 网侧加入容性负载, a相电压明显滞后a相电流;0.1-0.2s时, 网侧加入感性负载, a相电流明显滞后a相电压, 功率因数较低;0.2s后STATCOM向网侧注入所需的无功功率进行补偿后, a相电压、电流波形达到了同相位, 实现了无功补偿, 提高了功率因数。6结论基于瞬时无功功率理论和SPWM三角载波脉冲调制技术, 本文在PSCAD/EMTDC仿真软件中搭建的STATCOM补偿系统, 具有结构简单、动态响应效果好、跟踪负载变化能力强等特点。仿真试验验证了补偿系统和自定义元件的正确性和有效性, 为STATCOM进一步的研究提供了良好的理论指导。参考文献[1]华晓萍, 王奔, 孟凌凌, 等.空间电压矢量PWM算法的SIMULINK仿真实现[J].电气开关, 2006 (3) :26-28.[2]Yu Z, Mohammed A, Panahi I.A review ofthree PWMtechniques[C].//Proceedings of the American Control Conference Albuquerque (New Mexico) :1997:257-261.[3]邱卫.基于ADSP21992的空间矢量控制三相逆变电源设计[J].电网技术, 2008, 32 (S2) :103-106.[4]林良真, 叶林.电磁暂态分析软件包PSCAD/EMTDC[J].电网技术, 2000, 24 (1) :65-66.[5]王久和.电压型PWM整流器的非线性控制[M].北京:机械工业出版社, 2008.

摘要：利用PSCAD/EMTDC电力系统电磁暂态仿真软件搭建静止同步补偿器 (STATCOM) 仿真系统。介绍了STATCOM系统工作原理、瞬时无功功率理论及仿真系统图, 并对系统中各模块功能和参数进行了详细说明。通过仿真试验着重分析了容性、感性负载切入切出时, 系统的实时跟踪补偿能力, 从而验证系统的正确性和有效性。

关键词：PSCAD/EMTDC,瞬时无功,跟踪补偿

参考文献

[1]华晓萍, 王奔, 孟凌凌, 等.空间电压矢量PWM算法的SIMULINK仿真实现[J].电气开关, 2006 (3) :26-28.

[2]Yu Z, Mohammed A, Panahi I.A review ofthree PWM techniques[C].//Proceedings of the American Control Conference Albuquerque (New Mexico) :1997:257-261.

[3]邱卫.基于ADSP21992的空间矢量控制三相逆变电源设计[J].电网技术, 2008, 32 (S2) :103-106.

[4]林良真, 叶林.电磁暂态分析软件包PSCAD/EMTDC[J].电网技术, 2000, 24 (1) :65-66.

静止无功发生器的设计与实现 篇4

1 SVG的基本工作原理

SVG相当于并联在电网上的自换向桥式电路,通过对桥式电路交流输出侧电压相位和幅值的调节,使SVG发出或吸收满足负载需要的无功电流达到动态无功补偿的目的。实践中大多采用电压型桥式电路,交流侧采用可关断大功率电力电子器件组成三相逆变器,通过电感连接于电网并起到滤波作用,直流侧电容起到储能作用。SVG一般只对基波进行无功补偿,因此在不考虑逆变器本身的损耗和连接电抗器的损耗时,SVG的工作原理可用如图1 和图2 所示的单相等效电路图和向量图来表示［2］。

2 无功电流检测

无功电流的检测与补偿电流的控制是无功补偿的关键,目前提出了多种方法,本文采用基于瞬时无功功率理论的ip- iq检测法并采用直接电流控制。图3 中Ua为A相电压,ia、ib、ic为A、B、C三相负载电流,iaqf、 ibqf、icqf为转换计算所得的需补偿的三相无功检测电流。

( 1) 采集A相电压经过锁相环( PLL) 得到A相电压的相角,同时产生和A相同相位的正弦信号sinωt和余弦信号cosωt。

( 2) 采集负荷测的三相电流,并进行A、B、C三相坐标到 α - β 两相坐标的C32变换。

( 3) 在α -β 坐标下求出电流的有功分量和无功分量。

( 4) 将电流的无功分量经滤波( LPF) 得到电流的基波无功分量。

( 5) 经过C变换得到 α -β 坐标下的基波无功分量。

( 6) 经过C23坐标变换就得到了三相A、B、C坐标下所需补偿的无功检测电流。

对电流的瞬时值进行实时跟踪控制则需要采用跟踪型PWM控制技术［3］。目前,较为成熟的跟PWM技术主要有: 滞环比较方式和三角波比较方式［4］。实验主要采用三角波比较方式。图4 给出了采用三角波比较方式跟踪补偿电流的控制原理图,从图中可看出,补偿电流给定值ic*与SVG实际发出的补偿电流ic作差后得到 Δic,经具有比例积分特性的放大器后与三角波进行比较产生PWM波触发功率开关器件。

采用电流三角波比较方式的电路特点为系统响应速度较快,且控制方式简单、鲁棒性较强。输出电流中谐波含量较少,适合于对谐波和噪声要求较高的场合［4 －6］。

3 系统结构及硬件组成

硬件电路包括主电路和控制电路。主电路主要包括逆变电路、滤波电感和储能电容。控制电路主要包括逆变电路的驱动电路和电压、电流检测调理电路。 文中采用无功电流检测方法需要检测电网A相电压、 三相负载电流、逆变器输出电流和电容直流电压。本装置中用到的控制芯片是以DSP芯片TMS320F2812 为核心的数字控制电路,其是一种具有丰富外围接口的32 位CPU。三相电源380 V/50 Hz为实验系统所需电源。

逆变电路: 基于IGBT的电压型桥式电路。直流电容器,其作用是作为直流储能元件为装置提供一个电压支撑。连接的电抗器,其作用是将SVG接入电力系统并起到滤波的作用。

信号检测调理电路: 本单元主要完成信号电平转换和放大及滤波、强弱电隔离等功能,以满足DSP控制系统对信号电平范围和信号质量的要求。

驱动电路: 本电路的任务是将DSP输出的PWM电压信号转换成能够驱动逆变桥工作的电压驱动信号。

4 程序软件设计

基于开发软件CCS3. 3 的基础上,本软件设计思路为: ( 1) 捕获A相电压的初始相位,得到电流采样计算所需的正余弦值,并将A相电压过零点作为A/D转换的启动信号。( 2) 对调理电路后的电压、电流信号进行A/D转换并进行无功参考电流的计算,最后用三角波比较方式产生PWM波来控制IGBT的导通和关断。( 3) 通过JTAG接口在线调试,完成控制过程。具体程序主要分3 部分: 主程序、捕获中断子程序和中断服务程序。

主程序主要完成系统控制寄存器的初始化,包括初始化缓存、中断屏蔽寄存器、事件管理器相关的控制寄存器、配置寄存器和相关寄存器配置和定时器等。 这些寄存器在使用之前必须先正确配置,才可正常使用。此外,主程序也定义了一些中间变量,给后续程序的编写提供准备工作。

捕获中断子程序负责测量电网频率,通过过零检测电路得到检测相电压信号的过零点,从而产生外中断信号。当中断发生时,读取当前CAP寄存器中的值,同时在中断服务程序中启动定时器中断,并将读取的数据保存以进行运算处理。

中断服务程序完成系统的所有控制算法,包括电压电流信号采样、无功电流指令提取、IGBT三相桥臂上管开通时间计算等。

5 实验结果和波形

在Matlab环境下搭建了SVG系统的仿真模型,相关仿真参数如下: 三相电源为380 V/50 Hz,连接电抗为3 mH,直流侧电容取2 200 μF,直流给定电压800 V。当负载为感性负载时,L =0. 025 H,R =5 Ω; 当负载为容性负载时,R =5 Ω,C =0. 5 mF; 开关频率10 kHz。

图6 是阻感负载下,将SVG投入运行后,网侧电压与电流的波形图。如图6 所示,将SVG系统并入电网后,由于负载为阻感负载,网侧电流波形滞后电压波形45°,到0. 04 s电压与电流同相位,说明达到了无功补偿的目的,电流跟随性能效果良好。

图7 是阻容性负载下,将SVG并入电网运行后, 网侧电压与电流的波形图。由图7 可看出,并入SVG后网侧电流波形由超前电压波形45°到电压与电流同相位,达到了无功补偿的目的。

图8 是在0. 1 s将阻感负载切换到阻容负载的网侧电压与电流波形图。从仿真图中可看出,在SVG系统投入稳定后,电压电流基本同相位且负载两次变化时,其动态过程短暂,可做到对无功功率的实时补偿。

6 结束语

静止型动态无功发生器 篇5

静止无功发生器 (Static Var Generator, SVG) 技术作为动态无功补偿的发展方向, 是目前国内外研究的热点。SVG的基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器 (或变压器) 并联在电网上, 适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值 (间接电流控制, SVG相当于可控电压源) , 或者直接控制其交流侧电流 (直接电流控制, SVG相当于可控电流源) , 就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流, 达到动态无功补偿的目的。SVG与静止无功补偿器 (SVC) 相比, 具有体积小、容量大、输出特性理想、调节连续、响应速度快、补偿容量受系统电压影响小等优点[1,2]。

目前SVG工程化的主电路拓扑结构, 主要分为链式、级联、多电平和直接串联等。国内SVG厂家主要采用链式或级联多电平结构, 链式SVG结构虽然可以对负荷进行有限的分相补偿, 但其在控制上往往只能采用间接电流控制, 因此, 精度低, 响应慢;采用H桥级联结构的SVG, 其输出电压谐波小, 等效开关频率高, 也可以实现分相控制, 但其直流侧电容的平衡控制相对不易, 而且在H桥模块发生故障时, 需要专门的旁路单元将故障模块旁路掉后才能继续降容运行, 同时随着级联模块数目的增多, 控制也变得更加复杂;直接串联结构的SVG, 将器件直接串、并联以适应高压大功率应用, 这种拓扑结构已在国外轻型直流输电和SVG中得到了很好的应用。只要解决好器件串联的某些关键技术, 这种结构将会因其主电路结构简单, 成本低而极具前途, 况且随着器件电压、电流等级增大, 导通压降降低、开关损耗减小等特性不断提高, 直接串联结构的SVG将会变得更具吸引力。

实时数字仿真系统 (RTDS) 是由加拿大蒙尼托巴高压直流研究中心研制的一种实时全数字电磁暂态电力系统模拟装置, 几乎包括了所有电力系统和电力电子器件的精确模型, 其核心是通过先进的软硬件技术对电力电子装置进行准确的实时仿真。RTDS的用户界面友好, 建模周期短, 灵活性强, 频率特性范围广, 其计算精度和模型合理性等, 通过多年的国内、外运行实践, 已被证明是可信赖的[3]。

文中针对绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 直接串联的两电平SVG主电路模型, 综合比较各种SVG控制策略后, 采用基于电压外环和电流内环的直接电流控制, 通过d、q轴电流解耦, 实现了有功和无功电流的独立控制;如果SVG的补偿对象是工业负荷, 则经常会发生电压或无功的剧烈波动, 从而导致SVG直流侧电压的频繁波动。因此, 介绍了采用自适应滤波算法来检测SVG直流侧电压中直流分量的特殊方法。

最后, 利用RTDS搭建的系统模型, 验证了实际工程SVG控制器的性能和控制算法的正确性。

1 SVG基本原理及其控制

SVG的结构如图1所示, 根据基尔霍夫电流定律, 得:is_abc+ic_abc=iL_abc_p+iL_abc_q, SVG补偿负载无功的控制原理, 就是检测出负载电流中的无功分量iL_abc_q, 同时由SVG输出一个与该无功分量大小相等, 方向相同的电流ic_abc, 使得最终供电系统仅提供负载电流中的有功分量, 即is_abc=iL_abc_p。

根据三相电压型PWM变换器到dq坐标下的低频数学模型[4], 可得如下方程:

其中:L、R分别为SVG交流侧电感的电感值和电感漏阻值, id、iq为SVG阀侧三相电流在旋转坐标系轴上的分量, usd、usq为SVG接入点电压的dq轴分量, urd、urq为SVG阀侧电的dq轴分量。

由公式 (1) 可知:d、q轴电流之间存在耦合, 一般的电流调节器很难达到理想的调节效果。采用状态反馈解耦控制[5]对d轴电流id和q轴电流iq进行解耦, 就可以达到对id和iq的独立、精确、迅速的控制。根据解耦控制的思想, 可以得到电流控制公式如下:

在同步旋转dq坐标系下, 被控量由交流量变成直流量, 消除了电流稳态跟踪误差。同时, 可以方便地引入电流状态反馈, 实现dq轴电流的解耦控制。文中采用基于同步旋转dq坐标系的电压外环、电流内环双闭环控制结构, 同时采用自适应滤波算法来检测频繁波动的SVG直流侧电压中的直流分量, 如图2所示。

2 直流侧电压检测

在SVG控制系统中, 采用直流电压外环控制以补偿SVG的有功损耗, 维持直流侧电压恒定, 该PI控制环的输入为直流母线参考电压Udc_ref与直流母线测量电压Udc_meas之差, 输出为d轴指令电流id*, 即:

然而在SVG中, 因负荷的频繁波动、系统的不平衡和开关器件的频频动作而导致直流电容不断充放电, 致使直流侧母线电压出现波动, 即直流侧电压中也含有谐波。考虑到PI调节器只能对直流量做到无静差调节、一般的低通滤波器具有增益衰减、相位滞后的缺点, 文中使用自适应滤波器来求取直流侧母线电压的平均值, 其原理如图3所示。其中Udc (n) 为直流侧母线电压采样值, 参考输入信号为直流量1, ω为参考输入信号的权值, y (n) 为所需检测的直流分量Udc (n) , e (n) 为滤波器的误差反馈信号。

由图3知:

根据最小均方 (LMS) 误差准则[6], 滤波器的最佳权系数ω*应使得滤波器的均方误差最小, 即有目标函数:用瞬时输出误差功率的梯度ωe2 (n) 来近似得到权值ω的更新迭代公式:

其中μ为设定的迭代步长因子。在自适应滤波器中, 将Udc (n) 中的直流分量视为期望信号, 谐波分量视为干扰噪音信号, 利用误差反馈信号e (n) 控制权值ω的更新迭代, 权值ω跟踪最佳权系数ω*的变化, 此时输出信号y (n) 也就跟踪Udc (n) 中的直流分量的变化, 于是就较准确地检测出了SVG直流电容器上的直流分量

3 RTDS仿真结果

文中还简述了在RTDS平台上, 对直接电流控制的SVG控制器进行了试验。RTDS和控制器通过光纤交互的信息如图4所示。RTDS将10 k V母线电压、SVG电流和10 k V母线的进线电流等电量发送给SVG控制器, 控制器则根据相应的控制算法, 输出PWM脉冲给RTDS中相应的主回路器件。由此模拟SVG在实际系统中的运行情况, 其结果具有很大的工程参考意义。

试验系统主要参数为:SVG容量为30 Mvar;接入点线电压为10 k V;连接电抗为L=2 m H;直流电容为220μF;直流侧参考电压为18 k V, 开关频率为1 950 Hz, 负载为30 MW固定有功和30 Mvar可变无功。试验系统带30 MW有功负荷稳定运行后, 合上30 Mvar容性无功负载开关, 投该无功扰动的试验结果如图5~7所示。

由图5可知, 试验系统带30 MW有功负荷稳定运行时, SVG发出大约5 Mvar无功, 以补偿网侧变压器无功损耗。当投入30 Mvar容性无功负载后, 网侧变压器损耗就由投入的容性无功来补偿, 多余的25 Mvar就由SVG来吸收了;图6是网侧电压和电流的波形, 由图可知投入30 Mvar无功扰动后, SVG能迅速补偿掉无功, 使得网侧保持高功率因数;图7是SVG直流侧电压波形, SVG经过一个大的负载扰动后, 直流侧电压约20 ms后就能继续稳定在参考值18 k V附近, 且采用自适应滤波后的直流侧电压参与控制后, 输出的直流侧电压波动明显减小。

4 结语

针对采用直接电流控制策略的SVG控制器, 在RTDS上进行了闭环仿真试验。试验结果验证了基于直接电流控制和直流侧电压自适应滤波的SVG具有响应速度快、控制精度高等特点。试验结果为下一步动态建模实验提供了很好的参考依据。

参考文献

[1]李可, 卓放, 李红雨, 等.直接电流控制的静止无功发生器研究[J].电力电子技术, 2003, 37 (3) :8-11.

[2]杨达亮, 卢子广, 姚普粮.直接电流控制的配电网静止无功补偿器研制[J].电力电子技术, 2010, 44 (2) :51-53.

[3]许汉平, 黄涌, 陈坚.电力系统实时数字仿真系统介绍[J].华中电力, 2002, 15 (3) :10-12.

[4]段大鹏, 孙玉坤, 潘春伟.基于三相VSI的SVG动态建模与仿真研究[J].高电压技术, 2006, 32 (6) :84-88.

[5]王儒, 方宇, 邢岩.三相高功率因数PWM变换器可逆运行研究[J].电工技术学报, 2007, 22 (8) :46-51.

静止型动态无功发生器 篇6

当前电力响应面对的一个重要的电能质量问题由电弧炉、轧钢机、电力机车等特种冲击负荷引起的电压闪变,对公网的正常运行造成极大的危害。静止无功发生器技术(SVG,Static Var Generator)作为动态无功补偿的发展方向,具有体积小、容量大、输出特性理想、调节连续、响应速度快、补偿容量受系统电压影响小等优点,是目前国内外研究的热点[1,2]。

基于链式结构的静止无功补偿器的不平衡分量的分相补偿,已有很多文献介绍,但是对于绝缘栅双极型晶体管(IGBT)直接串联结构的静止无功补偿器,由于是三相耦合,无法采用分相补偿的方法[3]。另外,有文献提出对目标电流进行序分解,将其正、负序分量分别转换到两个独立的旋转坐标系中,对正、负序电流的d轴和q轴分量分别采用PI控制,简化了控制器设计,不失为一实用方法,但其仅对控制策略进行了MATLAB仿真,尚需进一步试验验证。还有些文献提出了一种谐波与无功电流解耦及复合双向补偿的控制策略,虽然补偿效果明显,但其PWM控制的开关频率达10 k Hz,显然不适合高压大容量的静止无功补偿器。

本文采用双同步控制器策略,以ω0旋转的正序同步控制器补偿正序分量和以-ω0旋转的负序同步控制器补偿负序分量,两个控制器输出之和作为总的输出;对于低次谐波滤除,由于谐振积分器在谐振频率处有很高的增益,能够有效地消除系统在谐振频率处的控制误差,因此采用比例谐振积分(PR)控制策略来滤除低次谐波。最后通过RTDS和动模试验验证了所提控制策略的正确性。

1 SVG控制策略

SVG的的结构如图1所示,根据基尔霍夫电流定律,得:is_abc=iv_abc+il_abc=iv_abc+il_abc_p+il_abc_q,SVG补偿负载无功的控制原理,就是检测出负载电流中的无功分量il_abc_q,同时由SVG输出一个与该无功分量大小相等,方向相反的电流iv_abc,使得最终供电系统仅提供负载电流中的有功分量,即is_abc=il_abc_p。

由于SVG一般直挂于变压器低压侧,低压侧按三角形接线,因此没有零序分量,同时忽略谐波分量,仅考虑基波正序和负序分量。同时考虑到同步旋转dq坐标系下,被控量由交流量变成直流量,消除了电流稳态跟踪误差。同时,可以方便的引入电流状态反馈,实现dq轴电流的解耦控制。

根据基尔霍夫电压定律,易得SVG在三相abc坐标系下的数学模型:

分别对公式(1),按公式(2)和公式(3)的正序、负序旋转坐标变换到dq轴,得到dq旋转坐标系下SVG正序和负序数学模型如公式(4)和公式(5)所示。

其中:L、r分别为SVG连接电感的电感值和电感漏阻值,u+sd、u+sq、u+rd、u+rq、id+、iq+为分别为系统电压、SVG输出电压、SVG输出电流在正序旋转坐标系dq轴上的分量,usd、usq、urd、urq、id-、iq-为分别为系统电压、SVG输出电压、SVG输出电流在负序旋转坐标系dq轴上的分量。

根据数学模型推导出基于正负序分解和dq轴电流解耦的SVG控制框图如图2所示,图2 a)为直流电压控制环,输出有功电流指令i+dref,该电流用以补偿SVG连接电感以及IGBT损耗。图2 b)为无功电流指令环,SVG无功控制采用直接检测负载电流中无功分量i+pop的开环控制和对系统侧电流无功分量inet_q进行的闭环控制来得到无功电流指令i+qref,开环控制保证了无功响应的速度,闭环控制保证了响应的精度。在同步旋转dq坐标系下,被控量由交流量变成直流量,可以方便的引入电流状态反馈,实现dq轴电流的解耦控制。图2 c)和d)分别为将正、负序电流解耦控制框图。

2 SVG谐波补偿

SVG的主要功能为补偿无功,但只要直流侧电容设计合理,SVG还能完成滤除谐波的功能。SVG滤除谐波对精度要求较高,而对响应速度要求不高,因此采用二阶谐振积分控制器来实现滤除谐波功能。

谐振积分器在谐振频率处有很高的增益,能够有效地消除系统在谐振频率处的控制误差,从而达到准确补偿谐波电流的目的,其传递函数为:

其中ωh为谐振频率,ki为积分系数。以谐振频率ω=2π×250=1 570为例,其波特图如3所示,在谐振频率ω=1 570 rad/s处,其增益无穷大,对谐振频率以外的频率,有很大的衰减特性。

基于谐振积分器的SVG滤除谐波的原理如图4所示:将负载电流iL和SVG电流iV的差值作为谐振积分器的输入,输出为谐波调制波uhref。对将谐振频率为ω1,…,ωn,的多个谐振积分器并联,则可对谐波频率为ω1,…,ωn的各次谐波进行有效滤除。

3 实验验证

3.1 RTDS实验

本文利用RTDS试验平台搭建一个30 Mvar的样机模型对所提谐波和负序电流控制进行验证。试验系统主要参数为:SVG容量为30 Mvar;接入点线电压为10 k V;连接电抗为L=2 m H;直流电容为1 000μF;直流侧参考电压为18 k V,开关频率为1 950 Hz,不对称规则采样SPWM。谐波负载为3次、5次谐波电流幅值各为500 A;不平衡负载参数:A相0.01 H、3Ω,B相0.01 H、3Ω,C相0.1 H、3Ω。

图5、图6是投入SVG前后系统电流波形的谐波分析,图中SVG投入后,负载中的3、5次谐波被有效滤除掉了,系统电流总谐波畸变率THD从25.94%降为2.52%。SVG解锁前后系统谐波电流含量如表1所示。

图7、图8为SVG投入前的负载不平衡电流,SVG投入后的SVG输出电流iSVG、网侧电流i网侧及直流侧电压udc波形,由图可知,SVG输出不平衡补偿电流,补偿后网侧电流三相平衡,但由于负序分量的存在,直流侧电压存在两倍频波动,而因为直流侧电容参数设计合理,直流侧电压的波动范围在控制器允许范围(±5%)之内。

3.2 动模实验

本文搭建了一个1 k V、30 kvar动模平台来验证该负序控制策略,该平台基于3个IGBT串联的两电平三相桥结构,连接电抗10 m H,直流电容500μF,开关频率1 950 Hz,直流侧电压参考值1.8 k V,控制器与RTDS试验时一样。不平衡负载为3 kvar的缺C相的电感负载,平衡负载为22.5 kvar电容负载。

图9是投入不平衡负载前后得到的SVG在dq轴上的正负序电流跟踪参考电流波形图,由图知在不平衡负载投入后,SVG能迅速输出跟踪上各序电流参考值,从而补偿掉负载中负序电流以及正序无功电流分量。图10是投入3 kvar的缺C相的电感负载和22.5 kvar的电容负载时SVG系统电流、负载无功、系统无功、SVG输出无功、直流侧电压波形图。图10 a)中SVG输出不平衡电流来补偿负载中的不平衡电流,图10 b)的系统电流中只剩下了维持直流侧电压恒定以及补偿IGBT损耗和取能回路所需的电流。图10 c)中系统无功Q_NET维持在0附近,表明负载中的无功全部由SVG补偿掉了。图10 d)是直流侧电压波形,直流侧电压波动在允许的5%以内。

4 结语

提出了一种可以综合补偿负序和谐波电流的控制策略,即采用双同步控制对基波正、负序分量进行补偿和采用谐振积分控制对谐波分量进行补偿,并对该控制策略进行了理论分析,最后分别在RTDS和动模试验平台对该控制策略进行了验证,试验结果表明所提策略能较好的满足工业SVG补偿负序和低次谐波电流的需要。

摘要：针对工业负荷运行时产生大量负序和谐波电流的情况,提出了一种可以补偿负序和谐波电流的静止无功发生器控制策略,该策略对正、负序电流分别采用dq轴电流解耦跟踪控制,对谐波电流采用比例谐振(PR)电流控制。最后通过实时数字仿真(RTDS)和动模试验验证了在实际工程中SVG控制器负序和谐波补偿算法的正确性。

关键词：静止无功发生器,负序电流补偿,谐波电流补偿,实时数字仿真,动模

参考文献

[1]许树楷,宋强,刘文华,童陆园.配电系统大功率交流电弧炉电能质量问题及方案治理研究[J].中国电机工程学报,2007,27(19):93-98.

[2]张鹏,周碧英.STATCOM在电弧炉补偿中的控制策略及仿真分析[J].电气传动自动化,2010,32(16):16-19.

静止型动态无功发生器 篇7

1)邢台矿35kv变电站无功补偿采用的为老式电容器固定补偿，随着邢台矿开采线路的延伸，负荷种类的增加，无功补偿容量不足，导致矿功率因数较低，2011年功率因数平均为0.80，电费上浮系数为5%，2011年用电网电量3800万KWH，应缴电费3800X0.62=2356万元，实际缴费2356+2356X5%=2474万元，多缴118万元。2)随着由电力电子器件组成的整理装置的广泛应用和容量的不断增加，对电网产生不利影响：产生谐波电流。谐波电流对供电系统中变压器、旋转电机、电缆、并联运行的电容器、继电自动保护装置和计算机等产生不良影响。上述的无功问题和谐波问题都会给电网的运行或效率带来不良的影响，同时也会对接在该电网中的其他用电设备带来一些不良的影响甚至危害。因此需采用无功功率补偿装置，使无功功率得到补偿，提高设备的利用效率，且使谐波电流得到治理，以提高整个电网的电能质量。

2 无功补偿方式比较

1)早期的无功补偿装置是同步调相器和固定补偿电容器(FC)。前者成本高，安装复杂，后者补偿容量有限，固定，而且可能与系统方式震荡。2)机械投切电容器(MSC)是一种比较简单的无功补偿装置，分级，可分组投切。以其低廉的价格，在负荷波动幅度和频率变化不大，在对响应速度要求不高的配电网络中使用，目前在国内广泛的使用。3) SVC补偿装置具有响应速度快，而且可以连续可调节无功功率输出的特点，因此目前在电力系统中广泛的使用，但是改系统技术要求高，国内能生产的企业少。4)静止无功发生器(SVG)，是基于瞬时无功功率的概念和补偿的原理。目前是技术最先进的概念。

静止无功发生器(SVG)是目前最为先进的无功补偿技术，其基于电压源型变流器的补偿装置实现了无功补偿方式质的飞跃。它不再采用大容量的电容、电感器件，而是通过大功率电力电子器件的高频开关实现无功能量的变换，随着设备对电网的质量要求的不断提高以及长远发展考虑，静止无功发生器(SVG)将有广阔的发展空间和推广价值。

3 静止无功发生器（SVG）原理

一般电力系统用户负荷吸收有功功率PL和QL无功功率。电源提供有功功率PS和无功功率QS(可能为感性无功，也可能是容性无功)，忽略变压器和线路损耗，则有PS=PL, QS=QL。没有足够无功补偿的电网存在以下几个问题：1)电网从远端传送无功;2)负荷的无功冲击影响本地电网和上级电网的供电质量;3)负荷的不平衡与谐波也会影响电网的电能质量;因此，电力系统都要求对用电负荷进行必要的无功、不平衡与谐波补偿，以提高电力系统的带载能力，净化电网，改善电网电能质量。

SVG用于补偿无功特点

假设负荷消耗感性无功(一般工业用户都是如此)QL，此时控制SVG使其产生容性无功功率，并取QSVG=QL，这样在负荷波动过程中，就可以保证：QS=QSVG-QL=0。

如果对电网等比较复杂的补偿对象而言，当需要向电网提供感性无功时，可以通过对SVG的控制，使其产生感性无功功率，并取QSVG=QC。

这样在负荷波动过程中，仍然可以保证：QS=QSVG-QC=0。

此外，SVG在补偿系统无功功率达同时，几乎不产生谐波。更重要的是，SVG还可以对系统的谐波、不平衡等电能质量问题进行多功能综合补偿，实现有源滤波(APF)的功能。

4 邢台矿无功补偿容量及补偿方式确定

根据现场测试结果显示，35kV母线的平均功率因数为0.553，平均有功功率为3.22MW，平均无功功率为4.85Mvar。因此想要把35kV母线的功率因数补偿到0.95需要的无功功率为：

根据上面的公式计算出Qb=3.79Mvar。

根据邢台矿35KV变电站的运行方式，无功补偿装置安装在6KV母线集中补偿，电流信号采用35KV电源线路的信号，采用电源线路信号，电流值准确，跟踪补偿准确、合理。即在6kV侧安装一套大容量的SVG，考虑留有补偿余量，该SVG的容量确定为4.2Mvar。考虑主变容量大小，将SVG挂在Ⅰ段和Ⅲ段6kV母线上。此时SVG采样点为35kV进线端CT和35kV母线PT, SVG以补偿35kV母线的功率因数为目的。

5 系统运行后效益分析

1)静止无功发生器(SVG)于2012年5月在邢台矿35KV变电站投入运行，装置投入运行以后，邢台矿35KV变电站主变分接头不变的情况下，高压室内母线电压由6.3KV提高到6.4KV，系统的线路电压损失相应减小，有利于系统电压的稳定。

2)经监测，电网功率因数明显提高(基本为0.99)，电费可下浮0.75%，系统投入运行后，截至2012年9月，上级电力部门电费结算清单显示，功率因数调整电费奖励41194.72元。

3)经监测，谐波含量明显降低，提高了供电质量，减少了电力设备损耗，设备运行更加安全经济。同时为节能减排及打造优质电网作出了积极贡献。

6 结语

静止无功发生器(SVG)投入运行后，系统电流下降，潜在的安全隐患消除，改善电能质量，提高矿井的经济效益，对矿井的安全供电具有重要意义。

摘要：无功补偿装置能提高矿井供电系统的功率因数, 降低变压器及输电线路的损耗, 提高供电效率, 改善供电质量, 提高企业的经济效益, 对提高矿井安全供电具有重要意义。