SVG動態無功補償裝置應用與研究

王永強 李俊洋

摘 要：電力系統中保證電能質量的有效方法就是保持無功功率的平衡，隨著無功補償裝置在電力系統中的廣泛應用，其控制策略的研究、優化及改進更是一個亟待解決的問題。控制策略是決定無功補償裝置補償效果的重要因素，選擇合適的控制策略可以起到快速調節電能質量的作用，結合目前業內常用補償裝置的控制方式，提煉出常規通用的控制策略并進行優化，改進后的SVG（動態無功補償裝置）控制策略能夠針對電網電壓瞬變做出快速響應，有效防止系統電壓大幅振蕩;同時解決多臺不同類型的SVG裝置協調控制問題，為提升SVG接入電網穩定性提供了新的解決思路。

關鍵詞：動態無功補償裝置;控制策略;電能質量

引言

無功補償是電能質量的重要保障手段，在電力系統中發揮著無可代替的作用。無功補償點的確定、補償容量計算是電力系統無功補償方案的重要部分，合理選擇無功補償點，恰當設置無功源，可以降低電力系統電壓越限問題發生的概率，提高電力系統運行穩定性。

1 工程概況

隨著我礦負荷的增加，造成功率因數降低和末端電壓偏低的現象，直接影響安全供電和全礦的用電考核，僅2019年因我礦電網功率因數偏低， 集團公司對我礦罰款271萬余元。同時，隨著我礦采掘機械化程度的提高，大功率用電設備不斷增加，尤其是大型負載啟動時會造成電壓的波動及閃變，損壞電氣設備，嚴重影響了我礦的安全生產和供電安全。2020年以來，機電系統進行立項，對諧波電壓/電流、頻率、電壓偏差、功率因數等進行核算，通過多次論證后，決定安裝SVG無功動態補償裝置，該裝置投入運行后，可達到降損節能、安全供電的目的，每年對我礦帶來200 萬的直接經濟效益。

2 研究內容

通過對6kV母線段電能質量測試，母線段最大無功約為5.6Mvar左右。參考無功功率變化，考慮運行方式、負荷調整以及諧波影響，并考慮一定的裕量，無功功率容量按8Mvar選擇，并對諧波電壓/電流、頻率、電壓偏差、功率因數等進行核算，通過多次論證后，決定安裝SVG無功動態補償裝置。四礦變電站SVG動態無功補償裝置改造，主要在四礦變電站6KV母線單雙號段各增加一臺SVG（高壓動態無功補償裝置），SVG動態無功補償將補償對象為高壓母線下所有用電設備所產生的無功。SVG高壓動態無功補償裝置其工作原理是以可關斷電力電子器件（IGBT）為核心組成自換相橋式電路，經過電抗器并聯在電網上，實時跟蹤電網負荷變化，適當地調節輸出電壓的幅值和相位，直接控制其交流側電流，迅速吸收或者發出電網所需的無功功率，實現快速動態調節無功功率的目的。作為有源形補償裝置，不僅可以跟蹤沖擊型負載的沖擊電流，而且可以對諧波電流也進行跟蹤補償。

3 動態無功補償裝置主要組成

系統主電路應采用鏈式結構;星型或三角連接，每相由若干個換流鏈模塊組成，并采用冗余設計，滿足運行要求;裝置大功率電力電子元器件具有完善的保護功能。

3.1 控制柜

控制系統由主控機箱、PLC（可編程邏輯控制器）和人機界面等幾個主要部分組成。各部分實現以下功能。主控機箱全數字化控制器，用DSP+FPGA組成的控制核心，充分發揮DSP超強的計算能力和FPGA出色的數據處理能力，實時計算電網所需的無功功率，動態跟蹤與補償，實現準確計算，高速響應，精確補償的效果。

PLC實現整機的邏輯控制，實時與主控部分、觸摸屏通信，把裝置的運行狀態實時地傳給觸摸屏顯示，并且完成觸摸屏、柜門按鈕對裝置的控制。人機界面實時顯示系統運行狀態和數據，查詢與設定系統運行參數以及整機邏輯控制等功能[1]。

3.2 功率柜

主要由功率單元組成，構成無功補償的主體。功率單元分三相安裝， 每相單元個數相等，單元輸出波形疊加成整機輸出波形。采用先進的全控型器件IGBT，開關頻率不低于500 Hz。裝置主回路元件，有足夠的電壓、電流裕度，有良好的dv/dt，di/dt特性。換流元件IGBT芯片應選用德國英飛凌產品，耐壓1 700 V。

3.3 電抗器柜

通過電抗器接入電網，電流波形正弦度更好。電抗器平波的同時，也抑制了SVG的諧波，使其輸出的電流諧波符合國家標準。

4 動態無功補償裝置的應用

通過安裝2臺6 KV/6 Mvar的SVG無功補償設備，以穩定6 KV母線電壓為控制目標運行，使6KV電壓控制在±10%波動范圍內，功率因數在0.9以上，同時停運6 KV側的SVC（TCR），轉為備用。當降壓變壓器35KV側的功率因數低于0.85時，需將6KVⅡ段SVG轉為以35KV側的功率因數為控制目標運行，以提高35KV并網側的功率因數。為保證礦井供電系統2段6 KV側電壓穩定，將以2段6KV電壓穩定為主的補償方式運行，兼顧35KV上網無功功率因數。當檢測到35 KV供電系統功率因數為調節低于設定值0.85時， 6KVⅡ段無功補償SVG設備轉換為以35KV電網側功率因數為控制目標;同時監控主變壓器6KV側的母線電壓，將其控制在礦井設備運行所允許的波動范圍±10%以內。當主變壓器6KV側的母線電壓超出設定值范圍時，再將無功補償SVG設備切換到以穩定電壓控制方式補償運行，補償這段6KV電壓穩壓到標準值[2]。

5 SVG控制策略

5.1 電壓無功綜合控制

電壓無功綜合控制策略是母線電壓在遭受負荷的擾動后仍然可以維持電壓穩定的需求。電壓無功控制模式下的控制策略，其中U T為負荷點附近的等效母線PCC電壓，I q為無功電流參考指令，U ref為被控母線的參考電壓。

在電壓控制模式下，將被控母線的PCC電壓作為控制的唯一目標，當SVG裝置接入點的母線電壓位于電壓合格區間范圍內時，保持無功出力不變，控制均以三相母線線電壓均值進行實時反饋調節。電壓不合格是指電壓合格區間以外區域，無功補償設備輸出相應感性或容性無功控制電壓， 電壓低于下限時輸出容性無功，電壓高于上限時輸出感性無功。實際運行時，選擇恒電壓模式，不能使系統無功目標控制，即無論電壓處于何區域（滯環內除外），均僅控目標點電壓[3]。

5.2 恒功率因數控制

該方式用于將系統的功率因數控制在一定范圍的場合，裝置以系統的功率因數穩定在用戶設定值為目標，調節裝置的無功輸出。根據生成的裝置無功指令，除以當前電壓得到電流指令，屬于自動控制模式。通過引入PI 控制器，無功功率換算出的無功實際值和指令值的偏差經PI調節后，轉換為參考無功電流Iq，實現恒定無功功率的控制[4]。

6 結束語

電力系統無功補償技術的應用，可以有效彌補電力資源過度損耗缺口。為避免電力設備無功損耗過量導致的電力系統運行癱瘓問題，可以通過確定局部電壓穩定L指標，對可識別電力系統電壓穩定弱節點的負荷節點電壓穩定裕度進行定義，將其作為無功補償點。在此基礎上，利用整數二次規劃模型，確定無功補償點的補償量，提升電網運行安全、穩定性， 經濟性。

參考文獻：

[1] 張存文.靜止無功補償器在煤礦企業中的應用研究[J].電力電子技術，2013， 47（10）：55-56，59.

[2] 馮文軼.FC+SVG動態補償濾波裝置在煤礦供電中的應用[J].煤礦機械，2019， 35（6）：173-175.

[3] 羅安.電網諧波治理和無功補償技術及裝備[M].北京：中國電力出版社， 2019，12-15.

[4] 許鵬.一種基于電壓穩定性的SVG控制方法的研究[D].石家莊：河北工業大學，2019.

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