王光政，平 增，盧 偉，侯建峰，張 娟

(1.華北水利水電學(xué)院，河南 鄭州450045;2.洛陽電力公司，河南 洛陽471000;

3.武漢光谷環(huán)保科技股份有限公司麻城大別山分公司，湖北武漢438300)

在我國電網(wǎng)的總損耗中，220 kV及其以上電網(wǎng)的損耗所占比例約為31%，110 kV電網(wǎng)約占26%，10 kV及其以下配電網(wǎng)約占43%［1－3］.配電網(wǎng)中一個重要的問題就是無功補償問題.

配電網(wǎng)中存在著大量的感性負荷，這些感性負荷在配電網(wǎng)中將吸收大量的無功功率，導(dǎo)致配電網(wǎng)的功率因數(shù)下降，使電壓損失和電能損耗增加.

當(dāng)前，伴隨著電力電子開關(guān)器件的不斷發(fā)展［4］，為SVG應(yīng)用提供了條件.利用SVG可以實時地跟蹤補償無功，并可以實現(xiàn)感性到容性的無級補償，以此來減少無功功率在線路上的傳輸，降低輸配電設(shè)備上的電壓降和有功功率損耗，提高配電網(wǎng)的輸配電能力.所以研究SVG在配電網(wǎng)中的應(yīng)用是十分必要的，具有很大的經(jīng)濟效益和社會意義.

1 SVG的工作原理

SVG的基本原理就是將自換相橋電路通過電抗器或者直接并聯(lián)在電網(wǎng)上，通過控制開關(guān)器件的通斷，來調(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側(cè)電流，使該電路吸收或發(fā)出所需無功電流，實現(xiàn)動態(tài)無功補償?shù)哪康模?］.SVG的主電路可以分為電壓型橋式電路和電流型橋式電路.由于電壓型橋式電路結(jié)構(gòu)比較簡單，且容易控制，運行效率也比較高，所以現(xiàn)實中采用電壓型結(jié)構(gòu)的比較多.電壓型SVG的原理如圖1所示.

圖1 電壓型SVG原理圖

理想情況下，將連接電抗視為純電感，不考慮其損耗及其變流器的損耗.使電網(wǎng)電壓和逆變器輸出電壓同相，僅改變逆變器輸出電壓幅值大小，就可以控制SVG從電網(wǎng)發(fā)出的電流是超前系統(tǒng)電壓90°還是滯后系統(tǒng)電壓90°，并且可以控制該電流的大小.理想情況下的電路如圖2所示.

圖2 SVG等效電路

2 SVG的直接電流控制

基于瞬時無功功率理論的dq坐標(biāo)系下的直接電流控制結(jié)構(gòu)，是利用dq變換把SVG發(fā)出的電流瞬時值變換為Id和Iq，然后與有功和無功電流參考值進行比較后，再進行dq變換，得到三相交流電流值，作為調(diào)制信號與三角波進行比較來進行PWM控制.如圖2所示，設(shè)配電網(wǎng)側(cè)電壓分別為usa，usb，usc;R，L分別表示電抗器的等效電阻和電感，SVG逆變器輸出電壓分別用uia，uib，uic來表示，i的方向為從配電網(wǎng)側(cè)流向SVG逆變側(cè).假設(shè)三相電網(wǎng)電壓是平衡的，沒有諧波的成分存在，則可以得到SVG的動態(tài)方程為

對式(1)進行Park變換，可得SVG在dq坐標(biāo)下的暫態(tài)模型為

由式(2)可以看出，有功電流和無功電流存在耦合，這就給SVG的控制帶來了難度.所以要實現(xiàn)dq軸電流的獨立控制，就要對其進行解耦.一般采取前饋解耦的控制策略，令x1=uid，x2=uiq，采用式(3)和式(4)所示的控制方程，

式中kp，ki分別為電流內(nèi)環(huán)比例調(diào)節(jié)參數(shù)和積分調(diào)節(jié)參數(shù).

把式(3)和式(4)代入到式(2)可以得到解耦控制方程，化成矩陣形式為

因此可以得到系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 dq軸直接電流控制

在該系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)中，直流側(cè)電容電壓udc需要恒定，如果不恒定容易對裝置的正常運行產(chǎn)生不利影響，使輸出電壓波形產(chǎn)生畸變，不能準確地確定主電路功率器件的容量.利用常規(guī)PI控制器可以對udc進行有效控制，但是其缺點是容易使被控系統(tǒng)呈現(xiàn)嚴重的非線性，具有較大的超調(diào)量和靜差，響應(yīng)速度也比較慢.針對常規(guī)PI控制器的特點，提出能量PI控制的方法，即利用SVG直流側(cè)電容的能量偏差作為電壓控制的輸入量如式(6)所示，

式中:C為SVG直流側(cè)電容值;t為直流側(cè)電容器的充電時間.

能量PI控制器的輸入采用電容電壓與設(shè)定電容電壓的平方差值，當(dāng)電容電壓偏離設(shè)定值越多，則控制器的反饋量就越大，能量PI控制器就類似一個隨著電容電壓偏差增加可以自動提高比例系數(shù)的常規(guī)PI控制器.為了讓接入到配電網(wǎng)側(cè)的接入電壓穩(wěn)定，需要引入電壓負反饋，即讓接入點電壓的參考信號和采樣值的差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器，構(gòu)成交流電壓外環(huán)，來達到穩(wěn)定接入點電壓的目的，交流電壓外環(huán)的輸出iqref為電流內(nèi)環(huán)的無功參考信號.

3 SVG的仿真試驗

運用MATLAB建立了SVG的仿真模型，仿真電路中各參數(shù)分別為:電網(wǎng)電壓380 V，頻率50 Hz，直流側(cè)電容1 200 μF，直流側(cè)電壓500 V，連接電抗為3 MH，連接電阻0.4 Ω，公共連接點電壓控制器kP=2，kI=100，直流側(cè)電容電壓控制器 kP=0.8，kI=100.建立仿真模型的主要目的是驗證能量PI控制器的優(yōu)點和SVG對電網(wǎng)功率因數(shù)的改善作用.

如圖4所示，能量PI控制超調(diào)量小，在很短的時間內(nèi)就能達到穩(wěn)定，常規(guī)的PI控制調(diào)整時間和超調(diào)量都很大.仿真結(jié)果表明，能量PI控制具有更好的動態(tài)性.

圖4 不同PI控制下的直流側(cè)電容電壓波形

如圖5和圖6所示，投入SVG前系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，投入SVG之后系統(tǒng)的功率因數(shù)提高，無功得到了很好的補償，補償后配電網(wǎng)的電壓和電流幾乎是同相的，功率因數(shù)提高了.所以SVG在系統(tǒng)中可以實時跟蹤調(diào)節(jié)系統(tǒng)的無功，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性.

4 SVG在配電網(wǎng)中的應(yīng)用

4.1 調(diào)節(jié)配電網(wǎng)中的電壓

在電力系統(tǒng)中電壓是衡量電能質(zhì)量的主要指標(biāo)之一，電壓損耗過大，易造成負荷端電壓過低，對電力系統(tǒng)和國民經(jīng)濟可能造成重大的損失.假定SVG投入運行前電壓損耗為

SVG投入補償后電壓損耗為

由式(7)和式(8)知，只要適當(dāng)控制無功補償Qc，就能調(diào)節(jié)配電網(wǎng)中的電壓水平.

4.2 提高系統(tǒng)的功率因數(shù)

當(dāng)SVG沒有無功功率Qc補償前投入運行時，負荷電流中的無功分量由系統(tǒng)來承擔(dān).如果無功分量很大，則系統(tǒng)的功率因數(shù)就會很低，同時線路損耗也會增加.當(dāng)SVG接入后，SVG就會產(chǎn)生容性無功電流，補償負荷中需要的無功電流，進而使系統(tǒng)的功率因數(shù)提高.

4.3 降低配電網(wǎng)的網(wǎng)損

在配電網(wǎng)運行中，負荷電流在線路、變壓器上產(chǎn)生的功率損耗為

如式(9)所示，當(dāng)線路或變壓器上的有功功率和電壓一定時，功率損耗與負荷功率因數(shù)的平方成反比，所以提高了有功負荷率因數(shù)，可使線損率降低.因此在用戶側(cè)安裝無功補償裝置，實行無功功率就地補償，可以提高功率因數(shù)，降低線路、變壓器的有功功率損耗，在提高供電企業(yè)效益的同時也降低了用戶的用電費用.

4.4 降低變壓器的容量

投入SVG可以減少變壓器的初次投資費用.設(shè)變壓器的容量為s，當(dāng)SVG投入后，可以節(jié)省變壓器的容量為

如式(10)所示，投入SVG后可以充分挖掘出設(shè)備的潛力，節(jié)約成本.

5 結(jié)語

SVG代表著現(xiàn)階段電力系統(tǒng)中無功補償技術(shù)新的發(fā)展方向，能夠快速連續(xù)地吸收和發(fā)出感性無功，從而保證系統(tǒng)高效、穩(wěn)定運行，所以SVG應(yīng)用于配電網(wǎng)中具有很大的優(yōu)勢.文中采用能量PI控制器來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PI控制器，并運用MATLAB對其進行了仿真，檢驗了其優(yōu)越性.隨著可再生能源、分布式電源以及智能電網(wǎng)和微電網(wǎng)的興起，SVG將具有廣闊的應(yīng)用前景.

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