多運(yùn)行方式SVG的電壓調(diào)節(jié)張舒;肖澤宇;劉宏超【摘要】在常用動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償器的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，提出一種能實(shí)時(shí)對(duì)系統(tǒng)有功負(fù)荷補(bǔ)償而維持系統(tǒng)正常運(yùn)行的多運(yùn)行方式的SVG。在系統(tǒng)負(fù)荷穩(wěn)定時(shí),SVG工作在負(fù)荷無功補(bǔ)償狀態(tài)下，輸出負(fù)荷所需的無功電流;當(dāng)系統(tǒng)電壓因補(bǔ)償區(qū)域的負(fù)荷突然加重而導(dǎo)致跌落較大時(shí)，裝置適時(shí)改變運(yùn)行方式，用于短時(shí)維持負(fù)荷點(diǎn)的電壓,從而保證補(bǔ)償點(diǎn)的電壓。仿真結(jié)果表明,多運(yùn)行方式的SVG具有響應(yīng)速度快，能很好地維持補(bǔ)償點(diǎn)的電壓水平。【期刊名稱】《電器與能效管理技術(shù)》【年(卷)，期】2014(000)020【總頁數(shù)】5頁(P47-51)【關(guān)鍵詞】多運(yùn)行方式;無功補(bǔ)償;電壓水平;EMTP仿真【作者】張舒;肖澤宇;劉宏超【作者單位】【正文語種】中文【中圖分類】TM761.1隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國的用電負(fù)荷逐年增加，特別是沖擊性、非線性負(fù)荷容量的不斷增長和電力系統(tǒng)向大電網(wǎng)、高電壓和遠(yuǎn)距離輸電發(fā)展，給電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來了新的問題。波形畸變和電網(wǎng)電壓跌落的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,這對(duì)電能質(zhì)量提出更高的要求［1-4］。與此同時(shí)，電力電子技術(shù)自20世紀(jì)后期誕生以后，至今已獲得了迅猛的發(fā)展。電力電子設(shè)備在電力系統(tǒng)的應(yīng)用也越來越廣泛，各種為解決電能質(zhì)量問題的設(shè)備相繼問世,其中包括動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)裝置(DVR)、靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)以及無功補(bǔ)償裝置(SVG)等［5-6］?，F(xiàn)階段的電力系統(tǒng)一般使用SVG等裝置補(bǔ)償負(fù)荷點(diǎn)的無功，既避免了無功功率的遠(yuǎn)距離傳輸，又能保證系統(tǒng)的無功水平，對(duì)保持系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定有很好的效果。文獻(xiàn)［7-11］提出了一種基于動(dòng)態(tài)無功檢測的無功補(bǔ)償控制裝置，文獻(xiàn)［12］提供了一種基于直流側(cè)電容電壓檢測的無功補(bǔ)償控制方法，這些方法可實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)出現(xiàn)大的無功變化的情況下維持系統(tǒng)的電壓水平，但對(duì)因負(fù)荷的有功變化而導(dǎo)致系統(tǒng)的電壓下降卻無應(yīng)對(duì)能力。線路的電壓降與負(fù)荷的功率及功率因數(shù)相關(guān)，當(dāng)負(fù)荷的有功電流瞬時(shí)增大時(shí)，負(fù)荷點(diǎn)的電壓也會(huì)相應(yīng)地跌落。當(dāng)電壓跌落過大時(shí)，負(fù)荷不能正常運(yùn)行，供電的可靠性降低。如果靠瞬時(shí)增加發(fā)電機(jī)來解決有功的瞬時(shí)變化，則系統(tǒng)的備用容量要相應(yīng)增大，同時(shí)，由于發(fā)電機(jī)的慣性有可能導(dǎo)致負(fù)荷切除。如果另專設(shè)一套補(bǔ)償有功裝置，則投入過大。本文針對(duì)上述情況，在不增加系統(tǒng)備用容量和附加裝置的情況下，在負(fù)荷點(diǎn)SVG上加以改進(jìn)，使裝置工作在多狀態(tài)運(yùn)行方式下，既能動(dòng)態(tài)補(bǔ)償負(fù)荷的無功電流，又能在電壓跌落時(shí)，改善負(fù)荷電壓波形,使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)特性。裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。本文設(shè)計(jì)的裝置有兩種可供選擇的工作模式：在負(fù)荷變化較小時(shí)，動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償器工作于補(bǔ)償負(fù)荷無功電流狀態(tài)，設(shè)備輸出負(fù)荷全額無功功率，系統(tǒng)只輸送負(fù)荷有功功率;在負(fù)荷瞬間變化而導(dǎo)致補(bǔ)償點(diǎn)電壓水平下降時(shí)，補(bǔ)償裝置短時(shí)輸出一定的有功功率和補(bǔ)償系統(tǒng)的無功電流。主電路采用電壓橋式逆變電路用于控制功率輸出，直流側(cè)電容C為主要的儲(chǔ)能元件。其中,UC為逆變器直流側(cè)電容電壓,US為補(bǔ)償點(diǎn)電壓,iS為電源電流,iC為補(bǔ)償電流,兀為非線性負(fù)荷的負(fù)荷電流。負(fù)荷點(diǎn)的電壓UL可按式(1)計(jì)算：其中:PS=PL-PC、QS=QC-QL。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷處于穩(wěn)定的變化范圍時(shí)，裝置采用文獻(xiàn)［12］提出的基于直流電容電壓控制的無功補(bǔ)償，此時(shí)有QC=QL、P60。當(dāng)負(fù)荷的有功電流變化較大時(shí)，通過改變補(bǔ)償裝置的工作模式，使其輸出部分有功，用于維持UL在允許的范圍內(nèi)。采用滯環(huán)比較方式控制負(fù)荷點(diǎn)的電壓水平，設(shè)開關(guān)管的開關(guān)頻率為f,則開關(guān)周期T=1/f;設(shè)占空比為d,則T時(shí)間內(nèi)開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間ton=dT,關(guān)段時(shí)間(即二極管導(dǎo)通時(shí)間)toff=(1-d)T邛T；設(shè)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)的壓降為UT二極管導(dǎo)通時(shí)的壓降為UVD。設(shè)一個(gè)新的T開始時(shí)電容電壓為UC0,電感的初始電流為設(shè)備補(bǔ)償輸出電流iC0,忽略線路電阻r。則在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí),由電容、一組開關(guān)管、電感和系統(tǒng)構(gòu)成回路在此回路中電容向系統(tǒng)放電，電感充電。假設(shè)在導(dǎo)通時(shí)間ton內(nèi)系統(tǒng)電壓恒定為US,由頻域分析得換算到時(shí)域內(nèi)得iC(t)=(UC0-2UT-US)sin(t)+iC0cos(t)UC(t)=UC0-LiC0sin(t)-(UC0-2UT-US)(1-cos(t)則toff開始時(shí)的電容電壓初始值UC1=UC(ton),電感電流初始值iC1=iC(ton)offi開關(guān)管關(guān)段的時(shí)間toff內(nèi),由電容、二極管組、電感、系統(tǒng)電源構(gòu)成回路，此工作回路主要是電感續(xù)流，電感向系統(tǒng)和電容放電。假設(shè)開關(guān)管關(guān)段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)的電壓恒定為,對(duì)回路進(jìn)行頻域、時(shí)域分析，得iC(t)=(UC0+2UT-US)sin(t)+iC1cos(t)(UC1+2UT-US)(1-cos(t)聯(lián)立式(2)~式(5),可得經(jīng)過一個(gè)開關(guān)周期T后的電容C上的電壓和電感上的電流：(UC2=UC1-LiC1sin(t)-(UC1+2UVD-US)(1-cos(pT))(iC2=(UC1+2UVD-US)sin(pT)-Lsin(BT))從能量角度分析知，在上述的兩個(gè)工作回路中，系統(tǒng)時(shí)刻從補(bǔ)償裝置中吸收能量。由逆變條件可知,補(bǔ)償裝置得以補(bǔ)償系統(tǒng)能量的邊界條件為iC>0時(shí)有(UC0-2UT-US)>0;(UC1+2UVD-US)>0o可得逆變器能夠補(bǔ)償?shù)臈l件為由式(6)可知，電容電壓UC的大小和電容電壓初值UC0、電容值C成正比，與占空比d成反相關(guān)，而d與電容電壓成反比，因而要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整電容電壓的初值和電容的大小。電容能量變化關(guān)系：式中：Umin——電容電壓最小值，忽略開關(guān)管損耗時(shí)，其值為系統(tǒng)電壓最大值。忽略設(shè)備損耗時(shí)，電容能量以短時(shí)有功電流的形式輸出，可表達(dá)為式中:icp―設(shè)備輸出電流有功分量；tc——電壓維持時(shí)間。聯(lián)立式(9)、式(10)，可得電容值、電壓初始值及系統(tǒng)維持時(shí)間的關(guān)系。2.1工作模式選擇補(bǔ)償裝置的不同運(yùn)行方式是根據(jù)系統(tǒng)電壓的不同運(yùn)行狀態(tài)而變化的。首先要判斷負(fù)荷點(diǎn)的電壓峰值。通過判斷負(fù)荷點(diǎn)的電壓是否在允許范圍內(nèi)來選擇工作模式。峰值電壓采樣的方法有很多，可以利用快速傅里葉變換進(jìn)行峰值檢測，算法上比較復(fù)雜[12]；也可以采用硬件相結(jié)合的峰值檢測算法，但同樣比較復(fù)雜，而且很難檢測出突然變化的峰值。動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償器模式選擇如圖2所示，通過判斷電壓幅值來確定電壓水平；通過PLL鎖相后的波形判斷補(bǔ)償點(diǎn)的幅值點(diǎn)，比較采樣US的峰值USmax與設(shè)定最小值Umin大小來設(shè)定補(bǔ)償模式:當(dāng)USmax>Umin時(shí)，設(shè)置滯環(huán)目標(biāo)為無功電流，只進(jìn)行負(fù)荷無功電流的補(bǔ)償;若USmax<Umin,則設(shè)置滯環(huán)目標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)電壓，使補(bǔ)償點(diǎn)的電壓恢復(fù)正常。2.2電壓補(bǔ)償工作方式根據(jù)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償器的工作原理，可把動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償器視為交流電壓源。通過對(duì)逆變器輸出端交流電源的相位和幅值的控制，來間接控制動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償器的無功電流，保持負(fù)荷電壓的穩(wěn)定。負(fù)荷加重時(shí)若USmax>Umin,進(jìn)入電壓補(bǔ)償階段，目標(biāo)電壓的計(jì)算如圖3所示。通過圖3可得到一個(gè)與系統(tǒng)同相位的可設(shè)置幅值的標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)正弦波形，通過將目標(biāo)波形與實(shí)際的電壓進(jìn)行滯環(huán)比較，得到PWM控制波形，如圖4所示。2.3模式切換設(shè)置補(bǔ)償裝置在無功電流補(bǔ)償模式下，會(huì)根據(jù)補(bǔ)償點(diǎn)的電壓變化自動(dòng)切換到電壓補(bǔ)償模式。由于在電壓補(bǔ)償模式下補(bǔ)償點(diǎn)的電壓近似為滯環(huán)比較中的目標(biāo)正弦波形，因而在電壓模式下始終有USmax>Umin,故在裝置處于電壓補(bǔ)償狀態(tài)時(shí)必須加裝采樣保持裝置，即在此保持時(shí)間內(nèi)停止刷新采樣的電壓幅值,在保持時(shí)間過后先使控制系統(tǒng)返回到無功電流模式下工作4~5個(gè)周期，再刷新電壓的采樣值。加裝的保持器設(shè)計(jì)圖如圖5所示。3.1運(yùn)行特性分析為了驗(yàn)證算法的有效性,采用下列運(yùn)行負(fù)荷進(jìn)行仿真（其中電容電壓為450V）:在0~0.1s區(qū)間，非線性負(fù)荷正常運(yùn)行;0.1~0.3s區(qū)間，加重負(fù)荷;在0.3s以后，恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。采用EMTP仿真得到無功補(bǔ)償裝置在固定運(yùn)行方式和多運(yùn)行方式時(shí)補(bǔ)償點(diǎn)電壓波形，如圖6所示。由圖6可知在0.1~0.3s內(nèi)出現(xiàn)大的負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，固定運(yùn)行方式下的電壓波形與無補(bǔ)償裝置時(shí)的電壓波形近似，而當(dāng)補(bǔ)償裝置運(yùn)行在多運(yùn)行方式時(shí)，電壓波形除去在模式轉(zhuǎn)換瞬間的小幅度擾動(dòng)外基本不受影響，具有很好的電壓維持效應(yīng)。不同補(bǔ)償裝置的輸出電流波形如圖7所示。由圖7可知，在相同的工作模式下（無功電流補(bǔ)償）兩個(gè)補(bǔ)償裝置的輸出電流相同，在0.1~0.3s負(fù)荷波動(dòng)時(shí)間內(nèi),固定模式運(yùn)行下的逆變器在系統(tǒng)工作狀態(tài)交替點(diǎn)有一個(gè)大的沖擊電流（1~2個(gè)周期，峰值大約為100A）,在負(fù)荷波動(dòng)時(shí)多運(yùn)行方式下的補(bǔ)償裝置的輸出電流增大。輸出電流包括正常運(yùn)行方式下的無功電流，突變負(fù)載的無功電流及電壓暫降所需的短時(shí)有功電流，后兩部分用于維持負(fù)荷點(diǎn)電壓平衡,所維持系統(tǒng)電壓越高，設(shè)備輸出電流越大。同時(shí)，當(dāng)電壓降落由負(fù)載投切弓I起時(shí)，由于電機(jī)類負(fù)載起動(dòng)電流較大（一般為額定電流的5~8倍）,電壓維持運(yùn)行階段的輸出電流較大;如果電壓降落由于系統(tǒng)故障引起時(shí)，則設(shè)備需在輸出大量無功電流的基礎(chǔ)上輸出少量有功電流，用于維持負(fù)荷點(diǎn)電壓。3.2電容值對(duì)補(bǔ)償裝置的影響在電壓補(bǔ)償模式下，逆變器輸出電流較大,電壓補(bǔ)償最大時(shí)間是隨著逆變器的初始狀態(tài)而改變。正常運(yùn)行時(shí)，設(shè)定電容電壓為450V,假設(shè)開關(guān)管的管壓降為2V,系統(tǒng)電壓最大值為315V,考慮到電感上的電壓降，邊界條件可改為UC2330V。電容分別為33、66、220mF時(shí)的電容電壓波形如圖8所示。從圖8中可以看出，當(dāng)C=68mF時(shí)，補(bǔ)償最大時(shí)間正好為設(shè)定時(shí)間;當(dāng)C>66mF時(shí)，最大補(bǔ)償時(shí)間小于設(shè)定時(shí)間；當(dāng)C<68mF時(shí)，最大補(bǔ)償時(shí)間大于設(shè)定時(shí)間。由圖8（d）可以看出,電容電壓波動(dòng)幅值隨電容值的增大而變小，當(dāng)電容值較小時(shí),電容上的儲(chǔ)能也小，電容電壓波動(dòng)很大，維持負(fù)荷電壓穩(wěn)定的時(shí)間有限。當(dāng)電容電壓過小時(shí),SVG出口端電壓達(dá)不到要求，考慮實(shí)際電路中導(dǎo)線上電阻損耗、電容介損等因素,不僅補(bǔ)償點(diǎn)電壓得不到維持穩(wěn)定，甚至對(duì)負(fù)荷無功也不能補(bǔ)償。本文針對(duì)電力系統(tǒng)供電中的電壓跌落問題,在現(xiàn)有無功補(bǔ)償裝置的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，通過改變運(yùn)行方式向負(fù)荷提供較強(qiáng)的無功支持，使其同時(shí)具有動(dòng)態(tài)電壓支持的功能。其具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。仿真結(jié)果表明，本文提出的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置不僅可實(shí)時(shí)進(jìn)行無功電流補(bǔ)償，而且能短時(shí)維持補(bǔ)償點(diǎn)的電壓，防止電壓波動(dòng)給負(fù)荷帶來的影響，可用于提高風(fēng)機(jī)低電壓穿越能力具有廣泛的應(yīng)用前景?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】馮小明，楊仁剛.動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的形態(tài)學(xué)——dq變換綜合檢測算法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2004,28(6):193-198.楊亞飛，顏湘武,婁堯林，等.一種新的電壓驟降特征量檢測方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2004,28(2):41-44.肖湘寧,徐永海，劉昊.電壓凹陷特征量檢測算法研究[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2002,22(1):19-22.馮小明，楊仁剛.動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器電壓補(bǔ)償策略的研究[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2004,28(6):68-72.袁川,楊洪耕.動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的最小視在功率控制[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2005,29(11):19-22.KIMH,SULSK.Compensationvoltagecontrolindynamicvoltagerestorersbyuseoffeedforwardandstatefeedbackscheme[J].IEEETrans.PowerElectronics,2005,20(5):1169-1177.謝旭湖明亮，梁旭，等.動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的補(bǔ)償特性與控制目標(biāo)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2002,26(8):41-44.肖冰，梁軍，路平，等.一種基于派克變換的電壓跌落檢測改進(jìn)離散算法[J].繼電器,2005,33(13):50-54.王江,楊敏,陳亞駿.一種基于DSP的工頻電測量發(fā)生卡的研制[J].電子技術(shù),1999(6):41-43.林新春，段善旭，康勇，等.UPS中基于DSP的峰值電壓檢測方法[J].電力電子技術(shù),2001,