不平衡電網(wǎng)下的無功補(bǔ)償控制策略

楊朝強(qiáng)，付子義，董彥杰

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不平衡電網(wǎng)下的無功補(bǔ)償控制策略

楊朝強(qiáng)1,2，付子義1，董彥杰1

（1. 河南理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南 焦作 454000；2. 神華國(guó)能焦作電廠有限公司，河南 焦作 454000）

針對(duì)電網(wǎng)電壓不平衡下的無功補(bǔ)償問題，提出一種利用靜止無功發(fā)生器（SVG）在不平衡電網(wǎng)下正、負(fù)序電流獨(dú)立控制的無功補(bǔ)償控制方法。該方法采用,坐標(biāo)下結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱的正、負(fù)序雙電流內(nèi)環(huán)控制以實(shí)現(xiàn)對(duì)正、負(fù)序電流的獨(dú)立調(diào)節(jié)，在正序電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)對(duì)檢測(cè)出的無功分量進(jìn)行控制，在負(fù)序電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)對(duì)檢測(cè)出的電網(wǎng)電流不平衡分量進(jìn)行控制。對(duì)該控制方法的原理進(jìn)行分析，最后通過仿真驗(yàn)證了該方法的正確性和可行性。

無功補(bǔ)償；不平衡電網(wǎng)；靜止無功發(fā)生器；正負(fù)序電流

0 引言

在電力系統(tǒng)中，無法保證系統(tǒng)每時(shí)每刻都處于三相電網(wǎng)平衡的狀態(tài)[1]，各種不平衡在所難免，電網(wǎng)不對(duì)稱故障、負(fù)載的不平衡以及輸電線路阻抗的不平衡等原因都可導(dǎo)致電網(wǎng)不平衡現(xiàn)象[2]。隨著新能源占比快速提高，且新能源機(jī)組不具備常規(guī)電源的動(dòng)態(tài)無功支撐能力，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)無功儲(chǔ)備急劇下降，電壓調(diào)節(jié)能力降低，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)不平衡時(shí)，電網(wǎng)電壓崩潰風(fēng)險(xiǎn)將加大；要保證現(xiàn)代電網(wǎng)運(yùn)行的安全、可靠性，平穩(wěn)、經(jīng)濟(jì)性，研究不平衡下的無功補(bǔ)償是很有必要的[3]。

電力系統(tǒng)中大部分元件是阻感性的，需要消耗容性無功。電力系統(tǒng)運(yùn)行中無功功率雖然不對(duì)外做功，但卻能夠補(bǔ)充電網(wǎng)電壓降落所消耗的能量，穩(wěn)定電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓[4]。無功補(bǔ)償技術(shù)不僅可以對(duì)電網(wǎng)中的感性無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，來提高電網(wǎng)的功率因數(shù)和降低電網(wǎng)損耗，而且能改善配電網(wǎng)三相不平衡負(fù)載[5]。目前電網(wǎng)不平衡下的無功補(bǔ)償研究大部分都是針對(duì)電網(wǎng)負(fù)載不平衡，而當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)不平衡時(shí)，負(fù)載不平衡下的無功補(bǔ)償控制理論，無法對(duì)電網(wǎng)電流不平衡進(jìn)行有效補(bǔ)償。文獻(xiàn)[6]采用TCR+FC型SVC(static var compensator)裝置的,變換的控制策略，對(duì)負(fù)載不平衡進(jìn)行了有效補(bǔ)償，沒有分析電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)帶來的影響。文獻(xiàn)[7]提出一種在不平衡電網(wǎng)下的SVG+APF并直流母線聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)，能夠在無功補(bǔ)償和諧波抑制的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電壓不平衡的有效補(bǔ)償，該研究針對(duì)的是混合型補(bǔ)償，適用于容量比較大的場(chǎng)合。

本文針對(duì)電網(wǎng)電壓不平衡下的無功補(bǔ)償，提出一種采用結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱的正、負(fù)序,坐標(biāo)下雙電流內(nèi)環(huán)控制的SVG無功補(bǔ)償方法。該方法控制策略簡(jiǎn)明有效，不僅可以在不平衡電網(wǎng)下對(duì)無功進(jìn)行補(bǔ)償，還可以對(duì)電網(wǎng)不平衡進(jìn)行補(bǔ)償，通過對(duì)該方法控制策略進(jìn)行分析，建立了基于matlab的仿真模型，通過仿真驗(yàn)證了該方法的正確性和可行性。

1 傳統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)目刂撇呗?/h2>

圖1 SVG基本結(jié)構(gòu)

當(dāng)三相負(fù)載不對(duì)稱時(shí)，產(chǎn)生的三相負(fù)載電流中會(huì)出現(xiàn)負(fù)序電流，負(fù)序電流的存在不僅會(huì)影響補(bǔ)償裝置的正常運(yùn)行還會(huì)對(duì)電網(wǎng)中的其它設(shè)備造成影響，因此需要對(duì)不平衡進(jìn)行補(bǔ)償，常規(guī)SVG補(bǔ)償裝置在補(bǔ)償負(fù)載不平衡時(shí)通過檢測(cè)出負(fù)載電流中的負(fù)序電流經(jīng)反饋加入到控制環(huán)節(jié)中去補(bǔ)償負(fù)序電流，常規(guī)SVG補(bǔ)償裝置控制如圖2所示。

忽略耦合影響，常規(guī)SVG控制電壓控制指令為[8]

圖2 常規(guī)下無功補(bǔ)償控制

2 改進(jìn)后無功補(bǔ)償?shù)目刂撇呗?/h2>

圖3 改進(jìn)型無功補(bǔ)償結(jié)構(gòu)

正序電流內(nèi)環(huán)前饋解耦控制算法為

引入負(fù)載負(fù)序電流的負(fù)序電流內(nèi)環(huán)前饋解耦控制算法為

3 仿真分析

3.1 仿真參數(shù)

對(duì)兩種控制策略的參數(shù)在三相負(fù)載不對(duì)稱和電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)分別設(shè)置如下：

表1 三相負(fù)載不對(duì)稱時(shí)仿真參數(shù)

Tab.1 Simulation parameters of three phase load asymmetry

表2 三相電壓不平衡時(shí)仿真參數(shù)

Tab.2 Simulation parameters of unbalanced three-phase voltage

3.2 仿真結(jié)果分析

圖4、5所示，在負(fù)載不平衡的情況下，常規(guī)無功補(bǔ)償控制策略和改進(jìn)型都能夠?qū)o功進(jìn)行很好的補(bǔ)償；圖6、7可以看出常規(guī)型和改進(jìn)型都能對(duì)負(fù)載的不平衡進(jìn)行很好的補(bǔ)償。而通過圖8和圖10可以看出，在電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)，常規(guī)無功補(bǔ)償控制策略雖然能夠?qū)o功進(jìn)行補(bǔ)償，卻不能對(duì)由電壓不平衡造成的負(fù)序電流進(jìn)行補(bǔ)償；圖9和圖11是改進(jìn)型無功補(bǔ)償策略在電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)，對(duì)無功和負(fù)序電流的補(bǔ)償圖形，改進(jìn)型能對(duì)無功進(jìn)行很好的補(bǔ)償，其中0.1 s時(shí)SVG投入，通過波形圖可以清楚的看出0.1 s前后，無功補(bǔ)償裝置對(duì)無功的補(bǔ)償作用十分明顯，負(fù)序電流帶來的電流不平衡也得到了很好的補(bǔ)償。

圖4 負(fù)載不平衡時(shí)常規(guī)無功補(bǔ)償

圖5 負(fù)載不平衡時(shí)改進(jìn)型無功補(bǔ)償

圖6 常規(guī)下負(fù)載不平衡補(bǔ)償

圖7 改進(jìn)型負(fù)載不平衡補(bǔ)償

圖8 電壓不平衡時(shí)常規(guī)無功補(bǔ)償

圖9 電壓不平衡時(shí)改進(jìn)型無功補(bǔ)償

圖10 常規(guī)下電網(wǎng)不平衡補(bǔ)償圖

11 改進(jìn)型電網(wǎng)不平衡補(bǔ)償

綜上，常規(guī)控制方法只能在三相負(fù)載不平衡情況下補(bǔ)償無功的同時(shí)補(bǔ)償不平衡，改進(jìn)型控制方法既能夠在電網(wǎng)電壓不平衡情況下也能在三相負(fù)載不平衡情況下補(bǔ)償無功的同時(shí)補(bǔ)償不平衡。

4 結(jié)論

通過Matlab/SIMULINK仿真，驗(yàn)證了在不平衡電網(wǎng)下SVG無功補(bǔ)償控制方法的可行性。相比傳統(tǒng)控制方法只能在三相負(fù)載不對(duì)稱時(shí)補(bǔ)償無功和不平衡，該控制方法能夠在電網(wǎng)電壓不平衡以及三相負(fù)載不對(duì)稱的情況下既補(bǔ)償無功又能對(duì)不平衡進(jìn)行補(bǔ)償。綜上所述，該無功補(bǔ)償控制策略是一種有效、可行方案。

[1] Ahn S C, Hyun D S. New control scheme of three-phase PWM AC/DC converter without phase angle detection under the unbalanced input voltage conditions[J]. Power Electr-onics IEEE Transactions on, 2002, 17(5): 616-622.

[2] 孫紹華. 不平衡電網(wǎng)條件下并網(wǎng)逆變關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2015.

[3] 李珊珊. 不平衡電網(wǎng)下SVG電流檢測(cè)及控制策略優(yōu)化研究[D]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué), 2015.

[4] 王明. 三相不平衡系統(tǒng)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償控制技術(shù)研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2013.

[5] 房雪濤. 配電網(wǎng)三相不平衡負(fù)載的無功補(bǔ)償技術(shù)研究[D]. 東南大學(xué), 2015.

[6] 張明江, 紀(jì)延超, 顧強(qiáng). 三相不平衡與無功功率的綜合補(bǔ)償方法[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2008(S1): 20-23.

[7] 董彥杰, 付子義. 不平衡電網(wǎng)下SVG和APF共母線聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)[J/OL]. 電源學(xué)報(bào): 2018: 1-11.

[8] 張興, 張崇巍. PWM整流器及其控制[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社, 2012. 2.

[9] 蔣衛(wèi)宏. 不對(duì)稱電網(wǎng)故障下PWM整流器的控制策略研究[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2007(15): 3527-3530+3576.

[10] Song H S, Nam K. Dual current control scheme for PWM con-verter under unbalanced input voltage conditions[J]. Ind-ustrial Electronics IEEE Transactions on, 1999, 46(5): 953- 959.

Control Strategy of Reactive Power Compensation Under Unbalanced Grid

YANG Chao-qiang1,2, FU Zi-yi1, DONG Yan-jie1

(1. College of Electrical Engineering and Automation, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China; 2. Shenhua Guoneng Jiaozuo Dianchang Co., Ltd, Jiaozuo 454000, China)

Aiming at the problem of reactive power compensation under unbalanced grid voltage, a reactive power compensation control method based on static var generator (SVG) independent control of positive and negative sequence current in unbalanced grid is proposed. In this method, both positive and negative sequence current inner loop control with symmetrical structure in D and Q coordinates are used to realize independent regulation of positive and negative sequence current. The detected reactive power component is controlled in the positive sequence current inner loop control link and the detected unbalanced current component is controlled in the negative sequence current inner loop control link. The principle of the control method is analyzed, and the correctness and feasibility of the method are verified by simulation.

Reactive power compensation; Unbalanced grid; Static var generator; Positive and negative sequence current

TM714

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.11.022

楊朝強(qiáng)(1991-)，男，助理工程師/碩士研究生，研究方向：控制工程；付子義(1958-)，男，教授，博士/碩士生導(dǎo)師，從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化、智能信息處理、礦井綜合自動(dòng)化等研究；董彥杰(1990-)，男，碩士研究生，研究方向：電力電子與電氣傳動(dòng)。

楊朝強(qiáng)，付子義，董彥杰. 不平衡電網(wǎng)下的無功補(bǔ)償控制策略[J]. 軟件，2018，39（11）：96-100