新型混合动态无功补偿器

1新型混合动态无功补偿器设计者:张敏,徐然,边文浩,韩偲彬,汪竞之,王静指导教师:尹忠东摘要现配电系统中普遍存在的无功不足、功率因数过低等问题，由于系统中存在消耗无功功率的电气设备，在配电网络中,用户消耗的无功功率约占50%,其余的则消耗在配电网中。因此，为了减少无功功率在网络中的输送，在配电网络中分散的负荷区进行无功就地补偿，则可大大提高系统功率因数，减少线路损耗，降低能耗，提高设备利用率。通过分析可知，现有的无功补偿装置均有各自的缺点，因此在此基础上提出了一种全新的动态无功补偿技术，有别于常规的SVC，而是采用固定电容器或者电抗器串联逆变器的结构，通过调节逆变器的输出电压，改变固定电容器上的电压，实现调节系统无功的目的。以系统无功最小为控制目标设计控制算法，通过选择逆变器元件参数实现系统功能。利用PSCAD仿真软件建立仿真模型对系统进行仿真，对系统各部分提供无功曲线，补偿装置输出的无功功率、电压、电流波形曲线及频谱图进行分析可知此补偿装置无需低通滤波器，注入系统的谐波含量很小，电流失真度小，动态性能好，逆变器装置容量小，且在设计容量范围内能精确的发出或吸收无功，将补偿支路的功率因数提高到0.95左右。通过设计和制作原理样机并挂网运行，可知该无功补偿装置结构简单，具有一定的实用价值和可推广性。关键词无功补偿，功率因数，逆变器，动态性能一、概述在现代用电企业中，在数量众多、容量大小不等的感性设备连接于电力系统中，以致电网传输功率除有功功率外，还需无功功率。如自然平均功率因数在0.70～0.85之间。企业消耗电网的无功功率约占消耗有功功率的60%～90%，如果把功率因数提高到0.95左右，则无功消耗只占有功消耗的30%左右。由于减少了电网无功功率的输入，会给用电企业带来效益。（1）节省企业电费开支提高功率因数对企业的直接经济效益是明显的，因为国家电价制度中，从合理利用有限电能出发，对不同企业的功率因数规定了要求达到的不同数值，低于规定的数值，需要多收电费，高于规定数值，可相应地减少电费。可见，提高功率因数对企业有着重要的经济意义。（2）提高设备的利用率对于原有供电设备来讲，在同样有功功率下，因功率因数的提高，负荷电流减少，因此向2负荷传送功率所经过的变压器、开关和导线等供配电设备都增加了功率储备，从而满足了负荷增长的需要;如果原网络已趋于过载，由于功率因数的提高，输送无功电流的减少，使系统不至于过载运行，从而发挥原有设备的潜力；对尚处于设计阶段的新建企业来说则能降低设备容量，减少投资费用，在一定条件下，改善后的功率因数可以使所选变压器容量降低。因此，使用无功补偿不但减少初次投资费用，而且减少了运行后的基本电费。（3）降低系统的能耗由于负荷无功得到就地补偿，提高系统功率因数，使得传输线上的电流大大减小，系统只需要提供有功电流而不需要提供无功电流，线损得到降低，提高传输效率。二、系统构成及工作原理2.1方案选择对目前应用较多的几种无功补偿技术进行相互比较分析，从而提出一种新颖的混合动态无功补偿思路。2.1.1固定电容器补偿并联电容器是目前最主要的无功补偿方法。其主要特点是价格低，效率高，运行成本低，在保护完善的情况下可靠性也很高。在高压及中压系统中主要使用固定连接的并联电容器组，而在低压配电系统中则主要使用自动控制电容器投切的自动无功补偿装置。自动无功补偿装置的结构则多种多样形形色色，适用于各种不同的负荷情况。并联电容器的最主要缺点是其对谐波的敏感性。当电网中含有谐波时，电容器的电流会急剧增大，还会与电网中的感性元件谐振使谐波放大。同时收到自动开关动作速度和次数的限制，固定电容器补偿不能迅速跟踪符合无功的变化，动态性能较差。另外，并联电容器属于恒阻抗元件，在电网电压下降时其输出的无功电流也下降，因此不利于电网的无功安全。2.1.2SVC补偿SVC的全称是静止式无功补偿装置，静止两个字是与同步调相机的旋转相对应的。国际大电网会议将SVC定义为7个子类：①机械投切电容器（MSC）②机械投切电抗器（MSR）③自饱和电抗器（SR）④晶闸管控制电抗器（TCR）⑤晶闸管投切电容器（TSC）⑥晶闸管投切电抗器（TSR）⑦自换向或电网换向转换器（SCC/LCC）根据以上这些子类，我们可以看出：除调相机之外，用电感或电容进行无功补偿的装置几乎均被定义SVC。目前国内市场上被宣传为SVC的产品主要是晶闸管控制电抗器（TCR）和晶闸管投切电容器（TSC）。TCR的基本结构包括一组固定并联连接在线路中的电容器和一组并联连接在线路中用晶闸管控制的电抗器，通常将电抗器的容量设计成与电容器一样。由于电抗器是用晶闸管控制的，其感性无功电流可以变化。当晶闸管关断时，电抗器没有电流，而电容器固定连接，因此整套装置的补偿量最大。当调节晶闸管的导通角时，电抗器的感性电流就会抵消一部分电容器电流，3因此补偿量减少，导通角越大，电抗器的电流越大，补偿量就越小。当晶闸管全通时，电抗器电流就会将电容器电流全部抵消，此时补偿量为0。在TCR中，当晶闸管的导通角小于90°时，电抗器的电流非正弦含有谐波成分，因此必须将固定电容器组设计成滤波器形式或者配备另外的滤波器。综上所述，可以看出TCR的结构复杂，损耗大。但其具有补偿量连续可调的特点，在高压系统中还有应用。2.1.3STATCOMSTATCOM是一种使用IGBT、GTO、或者SIT等全控型高速电力电子器件作为开关控制电流的装置。其基本工作原理是：通过对系统电参数的检测，预测出一个与电源电压同相位的幅度适当的正弦电流波形。当系统瞬时电流大于预测电流的时候，STATCOM将大于预测电流的部分吸收进来，储存在内部的储能电容器中。当系统瞬时电流小于预测电流的时候，STATCOM将储存在电容器中的能量释放出来，填补小于预测电流的部分，从而使得补偿后的电流变成与电压同相位的正弦波。根据STATCOM的工作原理，理论上STATCOM可以实现真正的动态补偿，不仅可以应用在感性负荷场合，还可以应用在容性负荷的场合。并且可以进行谐波滤除，起到滤波器的作用。但是实际的STATCOM由于技术的原因不可能达到理论要求，而且由于开关操作频率不够高等原因，还会向电网输出谐波。STATCOM的结构十分复杂，价格昂贵，可靠性差，损耗大，目前仍处于研究试用阶段，没有实际应用价值。2.1.4新型混合动态无功补偿装置通过前文所分析的三种补偿装置都有各自的优缺点，在此基础上提出了一种全新的动态无功补偿技术，有别于常规的SVC，而是采用固定电容器或者电抗器串联逆变器的结构，通过调节逆变器的输出电压，改变固定电容器上的电压，实现调节系统无功的目的，该补偿装置具有动态性能好，逆变器装置容量小等特点。新型混合动态无功补偿装置结构框图如下图2-1所示，图2-2为新型混合动态无功补偿器主电路图。L4至接柜体AC380V输入S3S2S1L3L2L1KM0FCFLKM2KM1图2.1新型混合动态无功补偿装置结构框图41S4S5S2S3S6S7S8SaLbLcLnLcCbCaCaebeceodcC2KM1KMLC图2-2新型无功补偿器电路图2.2仿真模型的建立利用PSCAD电力系统仿真软件建立仿真模型。2.2.1主电路仿真模型的建立图2-7三相三桥臂仿真模型主电路5318.0[uF]2I2I0.001[H]DDAg1Ag2ECAUBusAILoadA2[ohm]0.001[H]IsA2I2IDDBg1Bg22I2IDDCg1Cg2ILoadBIsBILoadCIsC318.0[uF]0.001[H]318.0[uF]0.001[H]ECCUBusBUBusCECBABCABCPowerABQ0.001[ohm]0.001[ohm]0.001[ohm]SQABCABCPowerABQ0.001[ohm]0.001[ohm]0.001[ohm]QLoadABCABCPowerABQ0.001[ohm]0.001[ohm]0.001[ohm]OUTQ1.01[ohm]2[ohm]0.001[H]0.001[H]IinvaIinva2I2IDDNg1Ng20.001[H]R=0R=0R=0INsysINsvcQ=-0.004623VAQ=0.003264VAQ=-0.003882VANNEcEbEaNNUN图2-8三相四桥臂仿真模型主电路2.2.2控制电路仿真模型的建立VaVbVcPLLthetaUBusAUBusBUBusCPhaseASinSINBe-sTe-sTSINASINC图2-9三相电压锁相环节*314.159265thetaClear1sTABCompar-ator6.28ZeroDetectorMono-TstableUBusA图2-10A相同步电压产生环节ILoadAILoadBILoadCIDIQILoadARefILoadBRefILoadCRefRMSRMSRMSILoadARefRMSILoadBRefRMSILoadCRefRMSIQ1ID1iaidibiqicthetaabctodqidiaiqibthetaicdqtoabcthetathetaG1+sTG1+sT图2-11利用DQ及无功检测环节6D+F-0.0SQD+F-NDN/D**1000.03XUBusARMS*-1detaU3.14detaQG1+sTIPU_instruct图2-12指令电压产生环节F6000.0Ag1Ag2URefAABCompar-atorDelayTDelayT图2-13SPWM交截及生成死区环节MagPhdcFFTF=50.0[Hz]EaMagPhdc(15)(15)FFTF=50.0[Hz]IinvaIinvaHarmonicDistortionTotalIndividual127127eaTHDeaTHDRMSHarmonicDistortionTotalIndividual127127IinvaTHDIinvaTHDRMS图2-14电压电流FFT变换环节72.3控制算法的分析和研究采用的控制算法是以系统无功最小为控制目标，控制系统框图如下图2-15所示。RefQSamQN/DBusUCxkPLLaURefUPI+-+-Q图2-15电压指令产生控制框图根据系统、新型混合动态无功补偿装置及负荷间的无功功率平衡关系为：SVCsysFCLoadQQQQsysQ为系统提供的无功，SVCQ为新型混合动态无功补偿装置提供的无功，FCQ为固定电容器补偿无功，LoadQ为负荷需要的无功，我们的控制目标是使系统向负荷提供的无功为0，负荷所需无功全部由新型混合动态无功补偿装置来补偿。以sysQ为控制量，给定值设为0，形成闭环反馈控制系统，最终使sysQ稳定为0，此时SVCFCLoadQQQ装置投入运行后，逆变器输出电压aE、bE、cE与母线电压BusAU、BusBU、BusCU相位相同，装置向负荷补偿的无功主要由电容产生。其大小为：2SVCFCQ3QBusAaUEC根据上式就可以得到逆变器输出电压信号幅值大小aE具体控制过程为：（a）首先采集母线三相电压信号和电流信号，用瞬时无功功率理论计算出sysQ。111222333022abceeeee（2-1）8111222333022abciiiii（2-2）eeipiqee（2-3）（b）sysQ与给定值0的差送入PI调节器中进行运算得到需要补偿的无功量Q。（c）由Q计算补偿电容上需要的电压U。（d）母线电压BusAU减去U得到逆变器输出电压aE，再根据锁相环得到的逆变器输出电压相位信息，通过SPWM控制得到IGBT的触发脉冲信号，最终实现系统无功闭环控制。2.4仿真结果及分析a、仿真条件：新型混合动态无功补偿装置输出0kVar2容性无功。给出系统仿真时域波形图以及频域波形图：Main:各部分无功大小S0.700.800.901.0