以提高天然氣行業電能質量為目標的動態無功補償裝置設計

張 帆 ，岳理遠 ，劉晶晶

（1.中海石油深圳天然氣有限公司，廣東 深圳 518000；2.思源清能電氣電子有限公司，上海 201108）

0 引言

據2012年《中國能源發展報告》預計，到2020年，中國天然氣（liquefied natural gas，LNG）供需缺口將達40%左右。積極開采天然氣、發展天然氣管道運輸勢在必行。因此，LNG接收站、增壓運輸站、調峰儲運站等已成為目前國內天然氣行業發展較快的供配電站點。該類站點負荷以異步電機和泵類為主，部分電機帶有變頻裝置。由于該類負荷對供電可靠性要求比較高，但負荷造成的諧波和低功率因數往往使內部供配電系統達不到考核要求。同時，諧波作為電網的污染源以及大電機啟動產生的電壓沖擊，會降低用電設備的使用壽命、增加故障率和線路損耗；低功率因數會降低設備出力、提高設備投資額、增大電費輸出。這些問題不利于天然氣行業的快速穩定發展，如何利用電力電子補償裝置改善該類站點的電能質量、提高穩定性和安全性，是近年來電能質量控制研究的熱點問題之一。

美國的N.G.Hingorani博士提出的柔性交流輸電系統 （Flexible AC Transmission System，FACTS）［1］是改善電能質量、提高系統穩定性，并獲得節能效益的綜合技術［2－3］。 相較于機械裝置，FACTS 裝置縮短了控制周期，并且能平穩、連續的作用于電力系統中［4］，對于要求高可靠性供電的LNG行業具有重要作用。

三相電壓源型變流器是FACTS裝置中應用較為廣泛的一種拓撲結構［5］，本文分析了基于該結構的并聯型FACTS裝置——動態無功補償裝置（Static Var Generator，SVG），得出在采用分相瞬時控制策略時，SVG可以迅速響應系統變化，提高系統功率因數、降低系統損耗。因而SVG能改善LNG行業供電系統的電能質量，有利于該行業的快速穩定發展。

1SVG基本原理

SVG的核心部分是由大功率可關斷電力電子器件組成的三相電壓源型變流器，其拓撲結構如圖 1所示，簡化系統接線圖如圖 2所示，變流器經過電抗器并聯在電網上，通過調節變流器的輸出電壓，使其和系統電壓形成可調電壓差，以此控制注入系統的無功電流，即吸收或者發出所需要的無功功率，實現快速動態調節無功的目的。

考慮連接電抗器和變流器本身損耗的SVG等效電路及工作原理如圖 3（a）所示，其中ui為SVG輸出電壓、us為電網電壓，連接電抗器L的阻抗值和等效損耗分別為jωL、R。通過調節逆變器交流側輸出電壓ui及us和ui的夾角θ，使其和系統電壓形成可調基波電壓差，從而控制注入系統的無功電流iL，改變端電壓夾角，電網的無功功率也隨之改變。如圖3（b）所示，當 ui大于 us時，電流超前電壓 90°，SVG吸收容性無功功率；如圖 3（c）所示，當ui小于us時，電流滯后電壓90°，SVG吸收感性無功功率。

圖1 三相電壓源型變流器拓撲

圖2 SVG接入系統示意圖

圖3 SVG等效電路及工作原理

由以上分析可知，SVG直接控制對象為注入系統的電流iL，如通過調節逆變器交流側輸出電壓ui及us和ui的夾角θ，使其和系統電壓形成諧波電壓差，則可控制注入系統的諧波電流iL，使系統負載呈現阻性。因此，SVG可以動態補償無功，改善系統功率因數，也可以作為有源濾波裝置改善系統諧波。

2 分相瞬時電流跟蹤控制方法

分相瞬時電流跟蹤控制方法具有快速跟蹤負荷電流變化的特點，響應速度快，對系統電壓的適應性強。采用電流跟蹤算法［6-7］可以大大提高裝置承受沖擊的能力，降低其對系統電壓突變的敏感性，從而提高裝置的可靠性。對于三相電壓源型變流器，其中每一相都是獨立的，相互之間不存在耦合關系，因而可以把三相電壓源型變流器看成三個輸出電壓相位互差 120°的單相半橋式電路分析［8］，電路如圖 4（a）所示，其中udc為單相變流器直流側電壓，S1、S2為半導體開關器件，L為連接電抗器，R為連接電抗器等效阻抗，iL為注入系統的電流。將單相變流器輸出電壓ui和電網電壓us看作電壓源，可得簡化電路圖如圖 4（b）所示。

圖4 單相半橋式電路及其簡化電路圖

因此，對鏈式SVG，三相控制方式一致，為簡化計算，按照單相模型分析。根據SVG基本原理，可得基于分相瞬時控制電流跟蹤控制方法的單相SVG系統控制框圖如圖 5所示，其中Ir（s）為參考輸出電流，Ur（s）為參考電壓，Uir（s）為參考可調基波電壓差，Us（s）、Ui（s）、IL（s）為 us、ui、iL的拉氏變換形式，Gc（s）為參考輸出電流 Ir（s）到參考電壓 Ur（s）的傳遞函數，Gr（s）參考可調基波電壓差 Uir（s）到 SVG 輸出電壓Ui（s）的傳遞函數，Gp（s）為 SVG 輸出電壓 Ui（s）到輸出電流 IL（s）的傳遞函數。

圖5 變流器等效電路及控制器

2.1 傳遞函數Gp（s）

由圖 4（a）可得單相系統數學模型

對式（1）進行拉氏變換，可得

由式（2）可得 Gp（s）的傳遞函數為

2.2 傳遞函數Gc（s）

忽略諧波影響，假設PWM調制結果使輸出電壓Ui（s）和輸入電壓 Uir（s）相同，即 Gr（s）為 1，則有

電流控制的目標是使輸出電流IL（s）緊跟參考電流Ir（s），理想情況下可認為兩者相同，可以得到

2.3 傳遞函數 Gr（s）

雙極性正弦波脈寬調制（SPWM）通過比較參考可調基波電壓差，即正弦波調制信號 uir（ωt）＝Uirsin（ωt）與三角波載波信號 utri（ωst）決定圖 4（a）中開關 S1、S2的狀態，如圖 6（a）所示。其中，正弦波調制信號頻率 ω＝2πf，三角載波信號頻率 ωs＝2πfs，三角載波信號峰值為 Utri。取 f=50Hz，fs=500Hz若 uir（ωt）＞utri（ωst），則 S1 導通，變流器輸出電壓 ui（ωt）＝udc；若 uir（ωt）≤utri（ωst），則 S2 導通，變流器輸出電壓 ui（ωt）＝－udc，ui（ωt）為一個正弦波脈寬調制的波形，如圖 6（b）所示。這時功率器件的開關頻率等于載波頻率。

因此，雙極型SPWM調制時，ui可以表示為

式中，S為開關函數。S1導通時，S＝1；S2導通時，S＝0。

圖6 雙極性SPWM方法原理示意圖

由于開關函數的存在，式（6）中ui不連續。對式（6）求開關周期平均，得到

這里〈ui〉Ts表述ui的開關周期平均值。而S的開關周期平均值

式中，D（t）為占空比，由圖 6（a）得到

把式（8）和式（9）代入式（7）得到

因此，參考可調基波電壓差Uir（s）到SVG輸出電壓 Ui（s）的傳遞函數 Gr（s）為

2.4 仿真分析

以上分析推導了各個環節的傳遞函數，從控制的角度看，Gc（s）是一個比例微分環節，一般認為容易受到噪聲的影響。然而，對于SVG電流控制來說，輸入參考電流信號在計算過程中需要經過濾波器處理，在一定程度上去除了噪聲的影響。圖7是分相瞬時電流控制器跟蹤參考電流的數字仿真結果，鏈式逆變器為8 H橋串聯，開關頻率500 Hz。0.6 s前參考電流相位超前電壓90°，幅值1000 A。0.6 s時參考電流改變為相位落后電壓90°，幅值1000 A。仿真結果顯示，輸出電流緊跟參考電流變化，幾乎重合，放大圖顯示兩者時間差為1 ms，顯示了分相瞬時電流控制器快速的動態響應性能。

圖7 分相瞬時電流控制器仿真效果

3 實驗驗證

為驗證控制模型的有效性，對SVG抑制電壓波動的響應速度進行實驗。實驗中SVG運行在感性輸出狀態（－4 Mvar），斷開SVG控制柜高壓側PT電壓輸入，利用繼電保護試驗裝置外加高壓側PT電壓，采用空氣開關快速斷開的方式瞬時改變電壓值，模擬造成系統電壓跌落，SVG裝置監測到電壓跌落后應及時發出最大無功（＋8 Mvar），用以支撐系統電壓，實驗過程如圖8所示，實測最大閉環響應時間6.8ms。

圖8 系統電壓暫態變化的閉環響應測試

4 節能降耗分析

4.1 SVG損耗分析

SVG的損耗主要為閥組損耗，包括IGBT、二極管等功率器件損耗。下面以分相瞬時電流跟蹤控制方法10 Mvar SVG為例，分別對IGBT、二極管的導通和開關損耗進行計算并得出輸出容量與損耗的關系曲線。

1）IGBT導通損耗計算。

式中：

i（t）＝I sin（ωt），正弦的輸出電流；

VCE（t）＝VCE0＋r×i（t），為導通情況下的 IGBT 的壓降，其中VCE0為門檻電壓，r為斜率電阻；

τ′（t）為逆變橋輸出的占空比（導通時為 1，關斷時為 0），一般情況下，該變量的波形為 τ′（t）＝ 1（1＋2 m sin（ωt＋Φ）），m 為調制比，Φ為輸出信號與電流之間的相位差。

2）二極管導通損耗與IGBT的導通損耗類似，只是針對二極管而言，上橋臂的IGBT導通意味著下橋臂的二極管關斷，反之，上橋臂的IGBT關斷意味著下橋臂的二極管導通。因此對于二極管來說

3）IGBT開關損耗計算。

4）二極管開關損耗中的導通損耗可忽略不計，須考慮的是關斷損耗。

計算中，Eoff，DIODE與DIODE的反向恢復能量并不成正比，以式（15）進行等同。

綜合式（14）和式（15）可得

根據上述公式和器件的參數資料，算得10 Mvar STATCOM功率部分損耗與輸出容量的關系曲線如圖9所示。

圖9 10 Mvar SVG功率部分損耗與輸出容量的關系

由以上分析可知，SVG自身損耗不大于額定容量的0.9%。

4.2 SVG節能分析

根據以上損耗分析，對已投入運行的某工程2套6 Mvar SVG產生的經濟效益進行分析。根據現場實測數據，可得投運前后，功率因數和諧波電壓數據檢測如表1所示。

1）線損減小產生的經濟效益。

通過采取SVG型無功補償方式后，滿額運行下減小的無功功率為

取平均運行系數為0.5，無功經濟當量0.09 kW／kvar，年平均運行時間7200 h（年檢修時間60天），可得年減小損耗為

取動力電的平均費率按0.40元／kWh計算，則年度線損節約收益為

2）力率電費減小產生的經濟效益。

按照以0.90為標準值的功率因數調整電費表可知，系統功率因數為0.72時，月電費需多繳納9%的電費罰款，系統功率因數為0.99時，月電費可得到減免0.75%的獎勵，以負荷總有功功率按8000 kW計算，電價按照0.40元／kWh計算，根據圖9，SVG總損耗按照總容量的0.9%計算，可得力率電費調整的經濟收益為

綜合以上分析可知，SVG能夠減小系統的無功電流和諧波電流從而降低系統有功損耗，并且能夠提升系統的功率因數、降低電費，同時SVG自身產生的損耗遠小于給用戶帶來的收益。

5 結語

采用基于分相瞬時控制策略的SVG系統響應時間小于10 ms，能動態跟蹤系統負荷變化、快速提供無功電流并穩定母線電壓、補償系統功率因數，同時SVG自身損耗遠小于帶來的節能降耗收益，因此SVG的投入能夠使電力系統更加清潔、高效、安全、可靠，是改善LNG行業供電系統電能質量的最佳選擇。

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