混合型無功補(bǔ)償裝置容量配置的研究

摘 要:本文針對(duì)混合型無功補(bǔ)償裝置提出了一種容量配置的新方案。首先對(duì)當(dāng)前研究廣泛的混合型主電路結(jié)構(gòu)在變動(dòng)負(fù)荷的應(yīng)用中所遇到的問題進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上闡述了這種容量配置思路，并且詳細(xì)分析了在變動(dòng)負(fù)荷的無功需求變化過程中，SVG所發(fā)出無功功率的變動(dòng)情況。最后通過Matlab對(duì)容量配置方案做了系統(tǒng)仿真。通過理論論證和仿真分析表明本設(shè)計(jì)方案是可行的。

關(guān)鍵詞:SVG變動(dòng)負(fù)荷容量配置仿真

中圖分類號(hào):TM714文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)07(b)-0102-02

混合補(bǔ)償裝置是有源補(bǔ)償支路(SVG/APF)與無源補(bǔ)償支路FC聯(lián)合使用所產(chǎn)生的補(bǔ)償形式。當(dāng)前對(duì)這種混合形式容量擴(kuò)大方面的研究主要集中在APF+PPF這種形式上，產(chǎn)生了多種容量配比結(jié)構(gòu)。以APF為核心，HPF為輔助的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償型構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)下動(dòng)態(tài)補(bǔ)償性好，但整體補(bǔ)償容量受到限制;以PPF為核心，APF為輔助的動(dòng)態(tài)調(diào)整型結(jié)構(gòu)，這種形勢(shì)下動(dòng)態(tài)調(diào)整性能好，但是動(dòng)態(tài)可調(diào)整范圍受限。本文在認(rèn)真考慮了有源補(bǔ)償裝置動(dòng)態(tài)性能和無源補(bǔ)償裝置容量大等方面因素后提出了一種針對(duì)大容量變動(dòng)負(fù)荷的無功功率容量配置新思路，并且采用matlab仿真軟件進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 主電路形式

當(dāng)前我國(guó)電氣化鐵路變電所的無功補(bǔ)償裝置絕大部分采用并聯(lián)電容器固定補(bǔ)償模式。在這種模式下，牽引機(jī)車運(yùn)行到該區(qū)段時(shí)，固定補(bǔ)償裝置滿足不了牽引機(jī)車的無功消耗的需求;當(dāng)牽引機(jī)車運(yùn)行出該區(qū)段時(shí)，固定無功功率補(bǔ)償裝置又向系統(tǒng)倒送無功。而有源補(bǔ)償因其具有動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)膬?yōu)勢(shì)引起了廣泛的研究，但是限于目前有源補(bǔ)償容量較小不適合應(yīng)用于大容量無功功率補(bǔ)償，應(yīng)用最多的只是對(duì)系統(tǒng)的一部分諧波進(jìn)行濾除。

針對(duì)有源補(bǔ)償裝置和無源補(bǔ)償裝置在電力機(jī)車這種動(dòng)態(tài)負(fù)荷的應(yīng)用中存在的這些問題，并且充分考慮它們各自的優(yōu)點(diǎn)后，采取有源補(bǔ)償與無源補(bǔ)償相結(jié)合的混合補(bǔ)償方式來實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償，如圖1所示的機(jī)車負(fù)載下的SVG+FC單相補(bǔ)償結(jié)構(gòu)框圖。當(dāng)有電力機(jī)車通過該變電所區(qū)段時(shí)，此時(shí)區(qū)段內(nèi)對(duì)感性無功功率的需求迅速增加，SVG運(yùn)行在電容特性下與FC支路同時(shí)發(fā)出感性無功功率對(duì)機(jī)車負(fù)載進(jìn)行感性無功功率補(bǔ)償;當(dāng)該變電所區(qū)段內(nèi)無機(jī)車通過時(shí)，運(yùn)行在電感特性下發(fā)出容性無功功率用以抵消此時(shí)FC支路所發(fā)出的感性無功功率，起到穩(wěn)定區(qū)段內(nèi)電壓的作用，實(shí)現(xiàn)了電能質(zhì)量的提高。

2 容量配置思路

如圖2所示，假設(shè)在額定電壓下，鐵路變電所供電區(qū)段內(nèi)不同時(shí)間段對(duì)應(yīng)的不同機(jī)車的多種形式的多種無功需求情況，近似以方波來表示。由圖2中可以看出，在機(jī)車通過區(qū)段時(shí)無功需求增加，機(jī)車駛出區(qū)段后，無功需求降落。在不同的時(shí)間段內(nèi)，有源補(bǔ)償支路和無源補(bǔ)償支路所對(duì)應(yīng)的容量分配情況不同，明顯看出是以無源補(bǔ)償支路為固定補(bǔ)償部分，有源補(bǔ)償支路為動(dòng)態(tài)補(bǔ)償部分。圖中方波曲線表示機(jī)車負(fù)荷所需要的感性無功，表示有源補(bǔ)償支路所能發(fā)出的最大感性無功功率，表示無源補(bǔ)償支路在額定電壓下所能發(fā)出的最大感性無功功率，表示混合補(bǔ)償裝置總共所能產(chǎn)生的感性無功功率，A、B、C、D、E、F、G、H等區(qū)域表示各個(gè)時(shí)間段的SVG與FC支路各自所產(chǎn)生的補(bǔ)償容量。

在鐵路27.5kv牽引變電所中，在有機(jī)車通過的情況下，F(xiàn)C無源濾波器支路濾除諧波并且提供固定的感性無功功率，SVG對(duì)機(jī)車所需其余感性無功功率進(jìn)行補(bǔ)償或者用來吸收FC支路多出的感性無功功率容量，這樣就有效的降低了SVG支路的補(bǔ)償容量。在0～t1時(shí)間段內(nèi)，機(jī)車只需B區(qū)域這一部分無功功率，此時(shí)SVG支路需要吸收感性無功功率，總的補(bǔ)償容量;在t2～t3時(shí)間段內(nèi)，SVG需要發(fā)出感性無功功率，無源補(bǔ)償支路發(fā)出感性無功功率，總的補(bǔ)償容量是;在t4～t5時(shí)間段內(nèi)，由于負(fù)荷無功功率需求高出混合補(bǔ)償裝置容量上限，故SVG與FC支路都處于滿發(fā)狀態(tài)，總的補(bǔ)償量是。

當(dāng)機(jī)車馳出該區(qū)段后，區(qū)段內(nèi)的感性無功功率需求降為0，若采用傳統(tǒng)無功補(bǔ)償方式，F(xiàn)C支路仍對(duì)該區(qū)段有感性無功功率注入，會(huì)造成區(qū)段內(nèi)電壓升高。此時(shí)我們調(diào)整SVG吸收感性無功功率用以補(bǔ)償FC支路所發(fā)出的感性無功功率，保持區(qū)段內(nèi)電壓穩(wěn)定。在t1～t2，t3～t4這兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)，感性無功功率需求下降，無源補(bǔ)償支路發(fā)出感性無功功率，有源補(bǔ)償支路SVG用來吸收無源支路所發(fā)出的感性無功功率。在應(yīng)用中的理想情況是，但實(shí)際區(qū)段內(nèi)無機(jī)車時(shí)由于輸電線路、電力變壓器、電抗器等感性負(fù)載的存在，整個(gè)區(qū)段內(nèi)仍然需要少量的感性無功功率補(bǔ)償，所以的安裝最大容量應(yīng)該稍小一些，滿足。

3 matlab仿真驗(yàn)證

仿真系統(tǒng)接線圖如圖3所示，對(duì)整個(gè)混合補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，仿真過程只考慮了SVG、FC和負(fù)載的無功功率變化。負(fù)載無功需求設(shè)定為在10kvar范圍內(nèi)波動(dòng)，按照文中所提出的無功容量配置思路，SVG與FC支路各配置5kvar容量，并且考慮到了FC支路在無功需求較大，電壓降低時(shí)，感性無功輸出會(huì)有所減少的情況。

當(dāng)負(fù)荷無功功率需求變化范圍較小時(shí)，如圖4所示，給定感性無功需求在7kvar～10kvar之間變化，在2～4和6～8小時(shí)之間感性無功需求較大FC支路的無功輸出有所降低，獲得了圖6所示的SVG無功功率補(bǔ)償曲線，SVG的輸出無功在0～5kvar之間波動(dòng)變化。

當(dāng)負(fù)荷無功功率需求變化范圍較大時(shí)，如圖7所示，給定感性無功需求在0kvar～10kvar之間變化大范圍內(nèi)波動(dòng)，F(xiàn)C支路會(huì)受到一定程度的影響，根據(jù)2.2.1節(jié)中的補(bǔ)償思路，得到了圖9所示的SVG無功功率補(bǔ)償變化曲線，其無功輸出在-5kvar～5kvar之間變化，輸出負(fù)值表示SVG在這一時(shí)間段內(nèi)發(fā)出容性無功功率。

根據(jù)上述不同無功需求負(fù)荷的仿真結(jié)果可證明，該種思路的混合型無功補(bǔ)償方案能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)較小無功需求變動(dòng)和較大無功需求變動(dòng)負(fù)荷的補(bǔ)償，補(bǔ)償范圍大，且滿足實(shí)時(shí)性要求。該容量配置方案是可行的。

4 結(jié)語(yǔ)

SVG以其優(yōu)良的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償特性，獲得了廣泛的研究。本文提出的這種容量配置新思路為有源補(bǔ)償在大容量變動(dòng)負(fù)荷中的應(yīng)用提供了一種新的解決方案，最后通過matlab軟件對(duì)小變動(dòng)負(fù)荷和大變動(dòng)負(fù)荷進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，可以得出此種混合形式不僅降低了SVG的補(bǔ)償容量，也充分利用了有源補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)特性，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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