1  引言

随着电力工业的顺猛发展,越来越多的高能非线性电力装置以及现代家庭的电力电子器件的广泛应用,如电解槽,电弧炉,整流器,开关电源等,对电网构成严重危害,如低功率因数,电压波形畸变。现在能源问题是世界范围都迫切面对的,对于有限的能源供给,在做到高效的利用就是一种极大的节约方式。具体到电力能源上,也就是要电网电能的功率因数高,电压波形畸变小,保证电能高效高品质。

过去通常的作法是固定电容器补偿,其优点是装置简单,投入成本小。但由于阻抗恒定,电容只能提供恒定的容性无功来平衡电网的感性无功,不能适应负载瞬时变化需要功率不同的特点,也就不能实现无功功率的动态补偿。而且系统谐波容易被补偿电容放大,导致如过载,过热及损耗过大现象。因此,在本论文里,设计用TCR+FC方式的SVC装置来解决电网无功功率的补偿问题,SVC系统的提供无功范围定为-300kvar到+300kvar。用三相不控整流带L-R(阻抗负载)模拟三相对称电路,用晶闸管投切负载模拟瞬时扰动。

2  SVC系统工作原理

图1为TCR+FC型SVC主电路图。a、b、c为三相市电,经整流后接阻感负载,FC为容性无功功率补偿装置及滤波器组,滤波器在滤除5、7、11…等次谐波的同时对基波提供容性无功功率。

以A、B相间TCR为例,双向反并联晶闸管按相控方式互成180度触发,设晶闸管的控制触发角为α,由TCR的工作原理知,当α在90°到180°之间变化时,电抗器L中电流的基波分量I1与α之间的关系为:

式中Umab—A、B相电压峰值;XL—与晶闸管串联电抗器感抗值。

α=90°时,晶闸管完全导通,I1最大;α=180°时, 晶闸管完全关断,I1为0。因此,通过改变晶闸管的触发角就可以控制电抗器L中的电流的大小。即α在90°到180°之间变化时,TCR向系统提供的滞后电流基波无功分量是动态可调的[1]。

由于电网系统中负载是在不断变化的,设负载的无功功率变化量为△Ｑload,瞬时改变TCR的触发角α就可以维持系统的无功功率为恒定值,此时,只需要使TCR提供的无功的变化量与负载的变化量是等值反向就可以了,甚至通过改变α可以维持电网电压为恒定值。

3  TCR的控制策略

控制系统的目标有:

1: 当电网中负载发生扰动时,能够控制电网电压为给定值。

2: L在保证电网电压为给定值的同时,要使系统的功率因数≥0.95。

TCR控制系统的控制原理如图2所示。

根据控制的要求,要得到恒定的电压,需引入电压闭环控制。电压环内为导纳补偿环,其目的就是系统应对负载扰动时能够得到更高的响应速度。当负载发生扰动,瞬时检测到负载的无功导纳的变化量,TCR根据检测到的无功导纳的变化计算出触发角α,改变TCR的输出瞬时抵消由于负载无功导纳的变化,同时由于负载有功导纳也发生变化,电压调节器输出来改变导纳的给定值,来维持系统的电压不变。此时,由于调节器输出的给定值发生了变化,系统的功率因数也随之发生变化,在设计时使其功率因数在0.95～1的范围内变化。

控制环节还包括线性化处理和六脉冲触发器。由(1)式知道,TCR中电流的基波分量I1与晶闸管触发角α之间呈非线性关系,为了使PI的输出与TCR中电流I1呈线性关系,需要引入线性化环节,在本文中采用的是MATLAB中SIMULINK中的LOOKUP TABLE模块来实现的。图为MATLAB中的仿真模型中的控制环节和非线性处理环节。

TCR主回路中,三相反并联晶闸管的触发在MATLAB中采用的是六脉冲发生器,(如图4)采三角形接法晶闸管管的触发顺序为:

本文中设计TCR的总容量为600Kvar,则每相需要消耗无功200 Kvar,以ab相为例,由

得:Lab=0.00231094H

系统采用ode23t仿真算法。

4  瞬时无功功率信号的检测

快速、准确检测出在SVC系统中所需要的电压、电流是决定其动态补偿的前提。考虑瞬时值,设传输线的三相电压分别为:ua、ub、uc,电流为ia、ib、ic,FC的三相电流为isa、isb、isc,TCR(三角形联结)的电流分别为iTab,iTbc,iTca。

设用于计算的三相电压为正弦波,且分别为

式中Em——电压的幅值。

将(1)式转化为、坐标系得

三相电流为ia、ib、ic,则根据三相电路瞬时无功功率理论得出

将三相电流ia、ib、ic进行3/2变换得

将式(5)代入(4)得

由于流通电容器组中的电流IFC主要是无功电流,认为IFC=iq,则

同样认为流入TCR的电流ITCR全部为无功分量,并考虑到TCR为三角形联接,得

作进一步推广,用ua、ub、uc代替(6)式ia、ib、ic得线电压Uline为

式(7)、(8)、(9)中的IFC、ITCR、ULine检测时提取的是为直流分量,分别对应于三相交流电流、电压的基波分量[2]。

5  FC和滤波器的设计

FC中,每个电容器都串联一个小电感,将L、C调谐到针对某次谐波的频率,此时,电感和电容器提供的此次谐波的无功刚好是感性无功功率等于容性无功功率。而对基波来说,提供的容性无功大于感性无功,总的对基波提供的是容性无功。

由于用户用电,其特性多为阻感负载[3],在本文中用三相不控整流带阻感负载模拟,在MATLAB中,用FFT分析得到其主要次谐波为5、7、11、13…(6k±1),同时,TCR的电流谐波成分也为5、7、11、13…(6k±1)次(图2为三相不控整流的电流波形以及FFT分析结果),所以在设计滤波器时就需要滤除针对这几次谐波,利用单调谐滤波器滤除5、7、11、13、19次,而20次以后采用二阶高通滤波器。

在本设计中,电容器组需要提供的总的无功为-300Kvar,则每一相需要提供-100Kvar的无功功率。在实际应用中,为了使各次滤波器的电容承受谐波电压基本一致,通常采用下列公式进行无功补偿容量分配:

式中:

为系统总的无功补偿量,

为n次滤波器的无功补偿量

电容器参数C的确定可用式(11):

式中:Up为系统相电压

根据谐振频率求电感L

对于用二阶高通滤波器中,R的确定则由(13)式

其中

工程应用中一般取(0.5﹤m﹤1)

运用以上公式,结合本次设计总的容性无功容量为-300Kvar的要求,以a相为例算得:

6  滤波效果和动态过程仿真

图2所示是补偿前系统相电流及FFT频谱分析结果,在没有投入补偿装置前,系统相电流中谐波污染较为严重;图6所示是经过SVC补偿器后,系统相电流及其FFT频谱分析,其谐波电流值小于用户注入电网的谐波电流的允许值。可见,系统的FC参数设计合理,能够很好地滤除负载及TCR补偿电路产生的谐波。

系统在0.1秒时候投入TCR,在0.2秒时候由晶闸管在直流侧投入一个阻感负载,来观看本系统应对负载扰动时的动态响应。

在0.1秒时,系统加入TCR,母线电压波形7(a)黑线所示。可以看出,系统电压迅速由电容器抬高的电压值降落到控制系统的给定值,所需时间约为1～2个周期。系统电流(7(a)红线)的相位由超前变为滞后,同时功率因数达到≧0.95的要求。

在0.2秒时,直流侧由晶闸管投入阻感负载,此时,系统电压几乎没发生变化,系统电流增大,系统的无功功率减小到接近于0,此时系统的功率因数接近1。同时可以看到TCR的触发角在增大,消耗的感性无功在减小。从图7可以得出:当投入TCR以后,系统的功率因数达到了≧0.95的预期目标,同时系统的母线电压在应对负载扰动时具有较理想的动态响应效果。

7  结束语

在基于瞬时无功功率理论的基础上,本文针对电网用户设计出实用型SVC系统,具有结构简单、动态响应效果好,能够有效抑制电网系统中电压的突变,并使系统的功率因数满足不低于0.95的要求,通过系统的MATLAB仿真,还可以得出本系统有效地减少了电网系统中谐波含量,并达到了谐波含量小于电力部门规定的允许值。本文的仿真也对进一步开发基于DSP控制的SVC装置的研制提供了一定的理论指导。

参考文献:

[1] R.Mohan Mathur,Rajiv k.Varma.“thyristor-based facts controllers for electrical transmission systems”[M] Beijing,China Machine Press,2004.

[2] 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.

[3] 电力工业部.电能质量公用电网谐波(GB/T14549-93)[M].北京:国家电力工业部1998.

作者简介:许双宏(1972-),男,中级,研究方向:太阳光发电系统。