柔性輸電系統中電力無功補償技術的運用分析

海特爾機電工程技術（馬鞍山）有限公司 安徽馬鞍山 243000

摘要：隨著電力電子技術的深入開展，VSC電壓源換流器，PWM整流器以及SVG無功補償技術等新型科技成果被日漸廣泛的應用到了電力輸送系統中。本文從柔性輸電系統中無功補償技術分析的角度出發，針對IGBT，SVG補償技術以及PWM整流等技術進行了綜合分析，為柔性輸電系統的有源無功補償技術研究提供參考。

關鍵詞：無功補償；電力電子；柔性送電；SVG；PWM

1.無功補償技術發展現狀概述

1.1有源無功補償技術內涵闡述

在電力供電系統的運轉中，感性負載和容性負載的共同作用會造成電力資源在未做功的狀態下發生損耗，即無功損耗，這會直接造成變壓器損耗增大，電力輸送效率降低等問題，因此，為了有效的提高電力供給過程中的功率因數，就要對供電系統進行無功補償。有源無功補償技術的實現是以三相電路瞬時無功功率為基礎得以實現的，在有源無功補償的過程中，三相電路中的各電壓e及電流i首先會在α-β正交坐標系中轉化為兩相瞬時電壓和電流，兩相瞬時電壓e和電流i再經過合成形成電壓矢量和電流矢量。兩個電參數矢量在法線上的投影即為瞬時有功電流和無功電流。最后做無功電流iαq在α和β軸上的投影，得出這一瞬時的電壓和無功電流，取電壓與電流乘積便得出了有源無功功率值。

1.2無功補償技術發展現狀

無功補償技術在設備應用中，最廣泛的是靜止無功補償裝置（SVC），這一裝置無功補償的作用基礎是各類型的電抗器與電容器，通過線路中感性和容性部件的協同作用，實現對輸電系統電壓的調節與功率因數的控制。隨著電力電子技術的逐漸深化，靜止無功發生器（SVG）也得以研發與應用，這一發生器的作用機理是利用自換相變流電路進行靜止無功補償，通過絕緣柵雙極晶閘管（IGBT）構成自換相交流器，并在其中構建一小容量的儲能單元，從而使其實現瞬時的無功功率補償。

2.柔性輸電系統相關技術分析

柔性輸電系統是指在電力供給的過程中，利用IGBT等電力電子元件對系統傳輸功率進行控制，從而實現對輸電系統的控制與優化。柔性輸電系統中電力電子元件的運用，主要包括靜止無功補償器（SVC），靜止無功發生器（SVG），電壓源換流器（VSC）以及PWM整流器等元件，其中SVG等無功補償裝置能夠通過控制線路中有功電流和無功電流的幅值和相位，使線路中的功率因數達到輸電系統所需的標準，以此保障輸電系統電壓的穩定性。IGBT則主要用于開關控制中，由于其飽和壓降較低并且對驅動功率要求不高，因此能夠非常有效的適用于輸電系統的開關控制中。PWM整流器的工作原理是對三相電壓的脈沖寬度進行調制，通過脈沖調制實現輸電系統功率的雙向流動，從而使輸電線路中的功率控制能夠在旋轉坐標系中得以實現，這也是促進電力無功補償技術實現的有力保障。除此之外，柔性輸電系統中還包括相位調制器，多類型的阻尼器與振蕩器等部件，通過多個部件對電力系統的相位差，阻抗及電壓的調節，提高輸電系統控制的穩定性與靈活性。

3.無功補償技術在柔性輸電系統中的運用

3.1 IGBT技術特性及輸電系統運用

IGBT是一種電壓驅動式的功率半導體器件，器件輸入端的主要構成是MOSFET模塊，輸出端則為PNP型晶體管。在IGBT器件的導通過程中，MOSFET模塊驅動中的雙極器件會在PN結之間形成一層偏壓結構，當正柵偏壓出現時，電子流的移動會使偏壓結構發生正向偏壓，此時更多的空穴進入N-區，這便使得IGBT中陰陽極間的電阻率得到了有效調整，不僅降低了功率損耗，也實現了器件的導通。在IGBT的阻斷工作中，當柵極電壓低于門限值，MOSFET模塊中的集電極電流便會呈現降低趨勢，由于受到器件中電荷密度與拓撲等因素的影響，呈現降低趨勢的電流又會與少數載流子相結合，從而使器件中的耗盡層向N-區擴散，有效的實現線路的阻斷。在輸電系統中，IGBT主要用于線路的開通與關斷控制，利用集電極與發射極間的電壓差控制實現對輸電線路中過流，缺電及過壓保護。在輸電線路的調制過程中，為了有效實現輸電線路的信號延遲，控制信號分配以及邏輯判斷保護等工作，可以將IGBT器件進行串聯形成串聯單元，使驅動信號內容得以豐富，從而實現驅動信號控制的多樣化，促進IGBT導通與關斷邏輯性控制效率的提升。

3.2 SVG補償技術的內涵及應用

SVG補償技術的原理不同于容性器件，其對功率的無功補償是通過自換相橋式電路電抗器的工作得以實現的。在自換相橋式電路中，電抗器通過連接輸電網絡，能夠使橋式電路的交流側輸出電壓對線路進行調節，從而實現無功功率的有效補償。在輸電系統的實際應用中，SVG補償技術也分為電流型和電壓型兩種。就電壓型SVG補償技術而言，在無功功率補償過程中，補償器件首先借助整流橋從電力交流系統中吸取電能，實現器件中直流側電容的充電。待充電完成后，補償器件中的電壓值趨于穩定，控制器通過控制開關裝置，使三相逆變器將容性器件中的容性電壓輸送到輸電系統中，從而實現無功功率的補償。電流型SVG技術的無功補償則要首先對電網控制系統的補償前電流和電壓進行測定，通過對比控制前后的功率因數，計算出對應補償電流的幅值和相位，從而根據電流的特性注入對應的無功電流，實現無功功率補償的電流控制。SVG補償技術主要應用于輸電網絡的低壓配電系統中，利用SVG靈活的調控待輸送的電能，能夠促進功率因數的有效提高，這對于維持輸電系統穩定性有著重要意義。

3.3 PWM整流器在柔性輸電系統中的應用控制

PWM整流器是實現功率因數控制，調節輸出電壓的重要裝置。在這一整流器器件中，主要包含八個功率開關器件，其中每四個構成一個獨立的橋壁，在負載變化的影響下，開關管會在不同狀態間轉化，這便會造成直流母線電壓的穩定性受到影響，但PWM整流器中的結構構成使其具有良好的系統抗負載擾動性，因此整流器便能夠有效的實現功率雙向流動，即負載在吸收額定功率的同時，也會對功率進行反饋，從而實現無功功率的補償。在當前柔性輸電系統的應用中，PWM整流器主要用于主電路的拓撲結構和線路的電流控制領域中。在小功率的電路結構中，PWM整流器的應用能夠促進直流輸出性能的進一步改善，通過對無功功率的有效控制，也可以減少開關器件的使用，實現控制線路結構的簡化。PWM整流器對控制系統的電流控制，可以通過幅值與相位的調控得以實現，也能夠利用三角波對瞬態電流進行調控，通過提高電流響應效率實現對輸電系統的無功補償。

4.結語

隨著我國工業化領域發展對電能質量要求的不斷提高，如何科學合理的運用電力電子技術實現電能質量的優化日漸成為了供電企業關注的焦點。有源無功補償技術的日趨成熟，為柔性輸電系統的構建與完善提供了切實有效的途徑，IGBT模塊對飽和壓降及驅動功率的全面調控，SVG技術對輸電系統的時效性補償以及PWM對模擬輸電系統因數的有效控制等，都為我國供電企業的產業化規模效益提升提供了切實有力的保障。

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