基于SVG的无功补偿与滤波系统

1、科技信息SCIENCE &TECHNOLOGY INFORMATION 2011年 第 1期 1无功补偿的背景 随着电力系统中非线性用电设备 , 特别是电力电子装置应用的日 益广泛 , 而大多数电力电子装置功率因数较低 , 要消耗大量的无功功 率 , 给电网带来额外的负担 , 严重影响电网的供电质量 , 因此提高功率 因数己成为电力电子技术和电力系统研究领域所面临的一个重大课 题 。 现代电力电子技术的出现和发展为谐波和无功补偿装置的能动控 制提供了可能 。 正是在电气拖动领域中得到广泛应用的相控技术 , 脉 冲宽度调制 (PWM技术等为各种形式的静止无功功率补偿装置 (SVC控制器提

2、供了原形 。电力系统中的无功补偿装置从最早的电容器开始发展到今天 , 历 经了电容器 、 同步调相机 、 静止无功补偿装置和今天引人注目的 SVG 等几个不同的阶段 , 其发展概括图 , 如图 1所示 。 图 1无功补偿装置的发展SVG 的优越性及研究现状 :新型静止无功发生器 (SVG, 是现代柔性交流输电系统 (FACTS的 核心组成部分 , 和其它常规无功补偿装置相比 , 具有采用数字控制技 术 , 系统可靠性高 , 控制灵活 , 调节范围广 , 静止运行 , 安全稳定 , 对电 容器的容量要求不高 , 谐波量小等优点 , 正因为上述优点 , SVG 作为一 种新型的无功调节装置 , 已

3、经成为现代无功补偿装置的发展方向 , 成 为国内外电力系统行业的重点研究课题之一 。 目前 , 世界上已有多台 投入运行的 SVG , 到目前为止 , 国际上只有美 , 日 , 德等少数几个发达 国家掌握了 SVG 的应用开发技术 。 1999年 3月土 20Mvar SVG 在河 南洛阳的朝阳变电站并网成功 , 并于 2000年 6月成功地通过了鉴定 , 这是国内首台投入应用的大容量柔性交流输电装置 。 该装置不仅能调 节无功和电压 , 还可提高输电稳定性和输送能力 。2SVG 的原理SVG 的工作是建立在一个静止的同步电压源的基础上的 , 如图 2所示 。 该电压源由一个 GTO(或 MO

4、SFET 及 IGBT 电压型变流器构成 , 经由串联电抗与电网相联 。 图 2SVG 实际主电路结构其等效如电路 3所示 , 则吸收容性无功与吸收感性无功时的向量 图如图 4所示 。图 3等效电路A 吸收容性无功 (电流超前 B 吸收感性无功 (电流滞后 图 4向量图在这种情况下 , 变流器电压 U ·I 与 I ·仍相差 90°, 因为变流器无需有 功能量 。 而电网电压 U ·S 与电流 I ·的相差不再是 90°, 而是比 90°小了 占角 , 因此电网提供了有功功率来补充电路中的损耗 , 也就是说相对 于电网电压来

5、讲 , 电流 I ·中有一定量的有功分量 。 这个 角也就是变流 器电压 U ·I 与电网电压 U ·S 的相位差 。 改变这个相位差 , 并且改变 U ·I 幅 值 , 则产生的电流 I ·的相位和大小也随之改变 , SVG 从电网吸收的无功 功率也就因此得到调节 。由上图可推导出稳态时 SVG 从电网吸收的无功电流和有功电流 有效值分别为I Q =U L姨 sin(90°-=U S sin2(2.1 I P =U L姨 cos(90°-=U S sin 2(2.2 SVG 从系统吸收的无功功率 Q 与有功功率 P 分别为

6、 :Q =U S I Q =U S 2sin2(2.3 P =U S I P =U S 2sin 2(2.4 2.1基于 PWM 整流器的无功发生器基于 PWM 整流器拓扑结构的静止无功发生器 (SVG 是新一代的 静止无功补偿装置 , 通过 PWM 技术调节桥路网侧电流幅值和相位从 而补偿无功功率 。 在采用直接电流跟踪控制时 , SVG 网侧电流将获得 较好的动态性能 , 从拓扑结 构 上 看 , SVG 实 际 上 是 直 流 侧 无 负 载 的 PWM 整流器 , 与一般 PWM 整流器控制要求不同 , SVG 更强调网侧无 功电流的控制性能 。 从主电路结构看 , 基于 VSR 拓扑

7、结构的 SVG , 实基于 SVG 的无功补偿与滤波系统臧立峰(淮南市园林管理局龙湖公园设备管理科安徽淮南232000【 摘 要 】 静止无功发生器 (SVG 是柔性交流输电系统中的一种重要的控制器 , 它将电力电子技术 , 计算机技术和现代控制技术应用于电 力系统 , 对电力系统的网络参数和网络结构实施灵活 , 快速的控制 , 以达到快速补偿系统对无功功率的需求 , 从而抑制电压波动并增强系统稳 定性 。 本文介绍了静止无功发生器的发展和现状 , 分析了它的工作原理和控制方法 , 在对 SVG 的理论研究和控制策略研究的基础上 , 通过 PWM 技术调节桥路网侧电流幅值和相位从而补偿无功功率

8、 , 以 PWM变换器为基础设计了无功发生装置的仿真和实验 。【关键词】 无功补偿 ; 功率因数 ; PWM 整流器 机械与电子 124科技信息 2011年 第 1期SCIENCE &TECHNOLOGY INFORMATION 际上就是一台无直流负载的 PWM 整流器 。 在同步旋转坐标系 (d , q 中 , 基于 VSR 的 SVG d a 模型方程式为di d =i q +1e d -1s d vdc(2.5 di q dt =i d +1L e q -1Ls q vdc(2.6 dv dc =1(s d i d +sq i q-v dcL (2.7 式中 :s d , s q

9、 二值逻辑开关函数 d , q 分量 ; R L SVG 直流侧等效损耗电阻 ; i d , i q SVG 网侧电流的 d , q 分量 ; e d , e q 电网电动势的 d , q 分量 ; v dc SVG 直流侧电压 。 SVG 控制系统结构如图 5所示 图 5SVG 控制系统结构图2.2基于 SVG 的无功补偿与滤波系统工矿企业使用的电机作为感性负载产生的无功波动会导致供电 系统的功率因数降低 , 从而使供电系统输出的功率降低 , 而且负载产 生的谐波会导致母线电压波形畸变 , 影响相邻负载的正常运行 , 这即 所谓的电网污染 。 根据对功率因数的计量方法不同 , 可采用不同的控

10、 制策略 。 本文采用瞬时无功补偿的方案 。瞬时无功补偿与滤波系统的结构如图 6所示 。 图 6无功补偿系统图根据负载每日的有功 P , 无功 Q 的波形图 , 以及期望的功率因数cos *, 由下式确定所需的瞬时补偿的无功功率 Q *。Q *=tan*×P-Q(2.5其中 Q 为负载的感性无功 , Q *为需要补偿的无功量 。 由于 LC 滤 波器在工频状态下是呈现容性的 , 滤波器的容性无功 Q 为 :Q C =1Q *(2.6 无功发生器 SVG 的容量 Q S 为 :Q S =Q C =1Q * 2.3补偿控制器补偿控制器的作用是根据供电系统的瞬时有功功率 P 和期 望的功率

11、因数 cos *求出应有的无功功率 Q *=tan*P 。 补偿控制 器机构如图 6所示 。 补偿控制器的输出量为无功发生器 SVG 的 无功电流期望值 i q *。 其 P,Q 检测电路如图 7所示 图 7P,Q 检测电路图2.4瞬时无功补偿与滤波系统仿真为验证上述补偿理论研究的正确性 , 现做以下仿真如图 8所示为 矿井提升机 V-M 直流调速系统的结构图 。 整流变压器一次线电压为 10KV , 二次线电压为 900V , 直流电动机额定电压为 800V , 额定功率为 2000KW , 额定转速为 51.5r/min。图 8矿井提升机 V-M 直流调速系统的结构图仿真结果如下 :图 9

12、负载有功 P 和无功 Q 曲线图图 10负载功率因数曲线图由上图可见负载的无功功率很大 , 功率因数抖动很大且低 , 谐波电流很大 , 还不适合供电部门的用电要求 。 为此设置无功补偿装置并 做仿真如下 。 其系统补偿滤波模型如图 11所示 。图 11系统补偿滤波模型图 机械与电子 125科技信息SCIENCE &TECHNOLOGY INFORMATION 2011年 第 1期 (上接第 154页 和运作办法及其内在规律还有待在实践中进一步探 索 、 丰富和完善 。 【 参考文献 】1黄松峰 , 朱林 . 高校田径运动会改为体育节的可行性研究 J.体育科学研究 , 2005,9(1:

13、42-45.2邢树强 . 新时期学校运动会的改革 J.体育文化导刊 ,2002(6:63-64.3王小安 . 高校开展体育文化节刍议 J.湖北体育科技 ,2008(3:57-58.4褚慧楠 . 新时期高校和谐校园文化建设研究 D. 吉林大学 ,2009,4.作者简介 :刘瑞玲 (1983, 女 , 河南 郑 州 人 , 郑 州 大 学 体 育 系 08级 研 究 生 , 体育教育训练学专业 。责任编辑 :常鹏飞 仿真结果如下 :图 12补偿滤波后的 P,Q 曲线图图 13补偿滤波后的功率因数曲线图仿真结果表明 , 采用瞬时无功补偿后 , 功率因数基本稳定在设定 的 0.9, 仅在负载剧烈变动时

14、 , 功率因数曲线才存在较小的跟随偏差 。本文提出了无功补偿方案 , 介绍了相关的原理和控制策略 。 并通 过建立瞬时无功补偿系统的模型 , 进行了相应的仿真 , 论证了该理论 的正确性 。 【 参考文献 】1王兆安 , 杨君 , 刘进军 . 谐波抑制和无功功率补偿 M.北京 :机械工业出版 社 , 1998.2黄立培 , 邓毅晟 . 大容量变频调速技术 . 电工技术杂志 , 2001(6 . 3林辉 , 王辉 . 电力电子技术 M. 武汉 :武汉理工大学出版社 .作者简介 :臧立峰 (1976, 男 , 本科 , 长期从事机电方面的应用与实践工 作 。责任编辑 :汤静 科(上接第 117页

15、仪工作在模拟扫描方式下 , 扫描速度较快 。 当选择步 进扫描方式时 , 内置信号源在被调谐后会等待指定的驻留时间 , 获取 响应数据 , 然后再将信号源调谐到下一个点 。 通过设置适合的驻留时 间 , 就可以消除我们关心的误差 , 实现精确测量 。 但驻留时间的设置也 依赖操作者的经验 , 通过尝试 、 比对来确定 。生产过程伴随着调整和测试 , 而生产线检测通常是制约生产能力 提高的瓶颈 。 增加单根电缆的测量时间就意味着生产效率的降低 , 这 是用户无法接受的 。 不能通过降低扫描速度来解决问题 , 就必须考虑 另一个途径 :补偿参考通路的时间延迟使之与测试通路相一致 。 对于 在仪器前

16、面板配置了跨接电缆 (一般是仪器选件 的矢量网络分析仪 , 这是更适合且非常方便的途径 。 在配置了 014选项的 E8362B 上 , 取 下 R1通路的跨接电缆 (SOURCE OUT-RCVR R1IN , 用一根与被测 件相同长度 、 相同材料的电缆替代它接在前面板上 。 这样 , B 通路的时 间延迟就与 R1通路的基本一致了 。 没有了时间延迟差异导致频移 , 我们关心的误差就可以消除了 。在参考通路上增加电缆长度会给激励信号带来较大的功率损耗 , 从而降低锁相中频信号幅度 。 由于受到锁相环路的限制 , 当锁相中频 信号过小时会导致网络仪锁相失败 、 失锁等 , 这种情况下显然是无法 进行高精度测量的 。 所以根据待测电缆的插损特性 , 参考通路上增加 的电缆长度也只是在一定范围内可以接受 。3结论使用矢量网络分析仪进行长电缆测量时 , 由于在测试通路上的时 间延迟 , 测试接收机和参考接收机的输入频率会有一定的频差 , 从而 引起测试通路 DSP 采样频率发生偏移 。 如果此时分析仪设置中频带 宽较小 , 而扫描速度过快 , DSP 采样前的中频滤波器会滤掉部分信号 能量 , 从而导致较大甚至无法接受的测量误差 。 一方面 , 通过延长扫描 时间 , 增加在