多运行方式SVG的电压调节
张舒;肖泽宇;刘宏超
【摘 要】在常用动态无功补偿器的基础上加以改进,提出一种能实时对系统有功负荷补偿而维持系统正常运行的多运行方式的SVG。在系统负荷稳定时,SVG工作在负荷无功补偿状态下,输出负荷所需的无功电流;当系统电压因补偿区域的负荷突然加重而导致跌落较大时,装置适时改变运行方式,用于短时维持负荷点的电压,从而保证补偿点的电压。仿真结果表明,多运行方式的SVG具有响应速度快,能很好地维持补偿点的电压水平。
【期刊名称】《电器与能效管理技术》
【年(卷),期】2014(000)020
【总页数】5页(P47-51)
【关键词】多运行方式;无功补偿;电压水平;EMTP仿真
【作 者】张舒;肖泽宇;刘宏超
【作者单位】
【正文语种】中 文
【中图分类】TM761.1
随着经济的飞速发展,我国的用电负荷逐年增加,特别是冲击性、非线性负荷容量的不断增长和电力系统向大电网、高电压和远距离输电发展,给电力系统的安全运行带来了新的问题。波形畸变和电网电压跌落的现象时有发生,这对电能质量提出更高的要求[1-4]。与此同时,电力电子技术自20世纪后期诞生以后,至今已获得了迅猛的发展。电力电子设备在电力系统的应用也越来越广泛,各种为解决电能质量问题的设备相继问世,其中包括动态电压恢复装置(DVR)、静止同步补偿器(STATCOM)以及无功补偿装置(SVG)等[5-6]。
现阶段的电力系统一般使用SVG等装置补偿负荷点的无功,既避免了无功功率的远距离传输,又能保证系统的无功水平,对保持系统的电压稳定有很好的效果。文献[7-11]提出了一种基于动态无功检测的无功补偿控制装置,文献[12]提供了一种基于直流侧电容电压检测的无功补偿控制方法,这些方法可实现在系统出现大的无功变化的情况下维持系统的电压水平,但对
因负荷的有功变化而导致系统的电压下降却无应对能力。线路的电压降与负荷的功率及功率因数相关,当负荷的有功电流瞬时增大时,负荷点的电压也会相应地跌落。当电压跌落过大时,负荷不能正常运行,供电的可靠性降低。如果靠瞬时增加发电机来解决有功的瞬时变化,则系统的备用容量要相应增大,同时，由于发电机的惯性有可能导致负荷切除。如果另专设一套补偿有功装置，则投入过大。本文针对上述情况,在不增加系统备用容量和附加装置的情况下,在负荷点SVG上加以改进,使装置工作在多状态运行方式下,既能动态补偿负荷的无功电流,又能在电压跌落时,改善负荷电压波形,使系统具有良好的动态特性。
装置的拓扑结构如图1所示。本文设计的装置有两种可供选择的工作模式：在负荷变化较小时,动态无功补偿器工作于补偿负荷无功电流状态,设备输出负荷全额无功功率,系统只输送负荷有功功率;在负荷瞬间变化而导致补偿点电压水平下降时,补偿装置短时输出一定的有功功率和补偿系统的无功电流。
主电路采用电压桥式逆变电路用于控制功率输出,直流侧电容C为主要的储能元件。其中,UC为逆变器直流侧电容电压,US为补偿点电压,iS为电源电流,iC为补偿电流,iL为非线性负荷的负荷电流。
负荷点的电压UL可按式(1)计算:
其中:PS=PL-PC、QS=QC-QL。
当系统负荷处于稳定的变化范围时,装置采用文献[12]提出的基于直流电容电压控制的无功补偿,此时有QC=QL、PC≈0。当负荷的有功电流变化较大时,通过改变补偿装置的工作模式,使其输出部分有功,用于维持UL在允许的范围内。
采用滞环比较方式控制负荷点的电压水平,设开关管的开关频率为f,则开关周期T=1/f;设占空比为∂,则T时间内开关管的导通时间ton=∂T,关段时间(即二极管导通时间)toff=(1-∂)T=βT;设开关管导通时的压降为UT,二极管导通时的压降为UVD。设一个新的T开始时电容电压为UC0,电感的初始电流为设备补偿输出电流iC0,忽略线路电阻r。则在开关管导通时,由电容、一组开关管、电感和系统构成回路,在此回路中电容向系统放电,电感充电。假设在导通时间ton内系统电压恒定为US,由频域分析得
换算到时域内得iC(t)=(UC0-2UT-US)sin(t)+
iC0cos(t)
UC(t)=UC0-LiC0sin(t)-
(UC0-2UT-US)(1-cos(t)
则toff开始时的电容电压初始值UC1=UC(ton),电感电流初始值iC1=iC(ton)。在开关管关段的时间toff内,由电容、二极管组、电感、系统电源构成回路,此工作回路主要是电感续流,电感向系统和电容放电。假设开关管关段时间内系统的电压恒定为,对回路进行频域、时域分析，得
iC(t)=(UC0+2UT-US)sin(t)+
iC1cos(t)
(UC1+2UT-US)(1-cos(t)
联立式(2)～式(5),可得经过一个开关周期T后的电容C上的电压和电感上的电流:
(UC2=UC1-LiC1sin(t)-
(UC1+2UVD-US)(1-cos(βT))
(iC2=(UC1+2UVD-US)sin(βT)-
Lsin(βT))
从能量角度分析知,在上述的两个工作回路中,系统时刻从补偿装置中吸收能量。由逆变条件可知,补偿装置得以补偿系统能量的边界条件为iC≥0时,有(UC0-2UT-US)≥0;(UC1+2UVD-US)≥0。可得逆变器能够补偿的条件为
svg运行方式有哪些由式(6)可知,电容电压UC的大小和电容电压初值UC0、电容值C成正比,与占空比∂成反相关,而∂与电容电压成反比,因而要根据实际情况调整电容电压的初值和电容的大小。电容能量变化关系:
式中：Umin——电容电压最小值,忽略开关管损耗时,其值为系统电压最大值。
忽略设备损耗时,电容能量以短时有功电流的形式输出,可表达为
式中: icp——设备输出电流有功分量;
tc——电压维持时间。
联立式(9)、式(10)，可得电容值、电压初始值及系统维持时间的关系。
2.1 工作模式选择
补偿装置的不同运行方式是根据系统电压的不同运行状态而变化的。首先要判断负荷点的电压峰值。通过判断负荷点的电压是否在允许范围内来选择工作模式。峰值电压采样的方法有很多,可以利用快速傅里叶变换进行峰值检测,算法上比较复杂[12];也可以采用硬件相结合的峰值检测算法,但同样比较复杂,而且很难检测出突然变化的峰值。
动态无功补偿器模式选择如图2所示，通过判断电压幅值来确定电压水平；通过PLL锁相后的波形判断补偿点的幅值点,比较采样US的峰值USmax与设定最小值Umin大小来设定补偿模式:当USmax>Umin时,设置滞环目标为无功电流,只进行负荷无功电流的补偿;若USmax<Umin,则设置滞环目标为标准电压,使补偿点的电压恢复正常。
2.2 电压补偿工作方式
根据动态无功补偿器的工作原理,可把动态无功补偿器视为交流电压源。通过对逆变器输出端交流电源的相位和幅值的控制,来间接控制动态无功补偿器的无功电流,保持负荷电压的稳
定。
负荷加重时,若USmax>Umin,进入电压补偿阶段,目标电压的计算如图3所示。
通过图3可得到一个与系统同相位的可设置幅值的标准目标正弦波形,通过将目标波形与实际的电压进行滞环比较,得到PWM控制波形,如图4所示。
2.3 模式切换设置
补偿装置在无功电流补偿模式下，会根据补偿点的电压变化自动切换到电压补偿模式。由于在电压补偿模式下补偿点的电压近似为滞环比较中的目标正弦波形,因而在电压模式下始终有USmax>Umin,故在装置处于电压补偿状态时必须加装采样保持装置,即在此保持时间内停止刷新采样的电压幅值,在保持时间过后先使控制系统返回到无功电流模式下工作4～5个周期，再刷新电压的采样值。加装的保持器设计图如图5所示。
3.1 运行特性分析
为了验证算法的有效性,采用下列运行负荷进行仿真(其中电容电压为450 V):在0～0.1 s区间,非线性负荷正常运行;0.1～0.3 s区间,加重负荷;在0.3 s以后,恢复正常运行状态。
采用EMTP仿真得到无功补偿装置在固定运行方式和多运行方式时补偿点电压波形，如图6所示。
由图6可知,在0.1～0.3 s内出现大的负荷波动时,固定运行方式下的电压波形与无补偿装置时的电压波形近似,而当补偿装置运行在多运行方式时，电压波形除去在模式转换瞬间的小幅度扰动外基本不受影响,具有很好的电压维持效应。不同补偿装置的输出电流波形如图7所示。由图7可知,在相同的工作模式下(无功电流补偿)两个补偿装置的输出电流相同,在0.1～0.3 s负荷波动时间内,固定模式运行下的逆变器在系统工作状态交替点有一个大的冲击电流(1～2个周期,峰值大约为100 A),在负荷波动时多运行方式下的补偿装置的输出电流增大。
输出电流包括正常运行方式下的无功电流,突变负载的无功电流及电压暂降所需的短时有功电流,后两部分用于维持负荷点电压平衡,所维持系统电压越高,设备输出电流越大。同时,当电压降落由负载投切引起时,由于电机类负载起动电流较大(一般为额定电流的5～8倍),电压维持运行阶段的输出电流较大;如果电压降落由于系统故障引起时,则设备需在输出大量无功电流的基础上输出少量有功电流,用于维持负荷点电压。
3.2 电容值对补偿装置的影响
在电压补偿模式下,逆变器输出电流较大,电压补偿最大时间是随着逆变器的初始状态而改变。正常运行时,设定电容电压为450 V,假设开关管的管压降为2 V,系统电压最大值为315 V,考虑到电感上的电压降,边界条件可改为UC≥330 V。电容分别为33、66、220 mF时的电容电压波形如图8所示。从图8中可以看出,当C=68 mF时,补偿最大时间正好为设定时间;当C>66 mF时,最大补偿时间小于设定时间;当C<68 mF时,最大补偿时间大于设定时间。
由图8(d)可以看出,电容电压波动幅值随电容值的增大而变小,当电容值较小时,电容上的储能也小,电容电压波动很大,维持负荷电压稳定的时间有限。当电容电压过小时,SVG出口端电压达不到要求,考虑实际电路中导线上电阻损耗、电容介损等因素,不仅补偿点电压得不到维持稳定,甚至对负荷无功也不能补偿。
本文针对电力系统供电中的电压跌落问题,在现有无功补偿装置的基础上加以改进,通过改变运行方式向负荷提供较强的无功支持,使其同时具有动态电压支持的功能。其具有结构简单、控制方便、响应速度快的优点。仿真结果表明,本文提出的动态补偿装置不仅可实时进行无功电流补偿,而且能短时维持补偿点的电压,防止电压波动给负荷带来的影响,可用于提高风机低电压穿越能力,具有广泛的应用前景。
【相关文献】
[1] 冯小明,杨仁刚.动态电压恢复器的形态学——dq变换综合检测算法[J].中国电机工程学报,2004,28(6):193-198.

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