大功率沖擊性負載的無功補償裝置設計與仿真*

任榮榮 ， 楊媛媛

（四川信息職業技術學院，四川 廣元 628040）

0 引言

近年來，我國的電力事業發展迅猛，隨著電子設備的廣泛應用，電力產業已經成為國民經濟發展中的重要組成部分，電能消耗也越來越大。與此同時，自動化的工業生產中增加了很多復雜的器材儀表，這些用電設備對電能的質量提出了更高的要求，但是在系統中存在大量的無功功率制約著電能的質量，使功率因數變得很低，進而導致電網的安全性不可靠，因此需要采用無功補償技術對其進行補償[1-3]。靜止無功發生器（SVG）是我國繼補償電容器和SVC之后的一種新型無功補償裝置，其因體積小、運行范圍大、動態調節性能好、響應速度快等特點，在配電網中獲得了廣泛的運用[4-5]。通過對風電場和光伏電站的無功補償要求、諧波治理和電能質量改善情況進行系統分析，本文首先分析了靜止無功發生器（SVG）裝置的特點，詳細闡述了SVG無功補償裝置在風能和光伏電站中的應用和發展前景[6]。其次對靜止無功發生器的工作原理和控制方式進行了介紹。最后，研究了其在高壓供電系統中使用的相關問題，包括無功發生器諧波消除的多重技術和曲折變壓器的接線方式，通過仿真驗證了該控制方法的有效性[7-8]。

SVG和傳統無功器件相比，具有響應速度快、抑制電壓閃變能力強、工作范圍廣、能夠使系統中的諧波功率得到補償、提高電能的質量、節省空間、降低線路損耗、維持和控制節點電壓等優勢。SVG既能使無功得到補償，又能抑制諧波，系統直流供電電壓的穩定性需要通過直流電容來維持，且直流電容的成本低于交流電容。當系統中出現低電壓時，采用靜止無功補償技術會連續地輸出額定無功電流。供電部門規定，高壓供電工業用戶的功率因數必須達到0.9，但對于使用100 kVA（kW）及以上的用戶，功率因數最低為0.85。如果有電力用戶的功率因數不符合標準，供電部門將切斷對他們的供電。若要使功率因數由原來的0.85提高到0.9必須安裝無功補償裝置，也就是使用電容補償柜，利用電容器來補償無功損耗，才可以將功率因數補償到需要的數值。所以，及時有效地進行無功補償具有重要的現實意義。

1 靜止無功發生器SVG概述及工作原理

1.1 靜止無功發生器SVG概述

靜止無功發生器（Static Var Generator, SVG）是一種利用自整流功率半導體橋式變換器實現動態無功補償的裝置。相對于SVC元件而言，SVG擁有調制速度更快、工作范圍更廣等優點，且SVG在采用多重化、多電平或脈寬調制（PWM）技術等措施后能夠使得補償電流的諧波含量得到降低。此外，SVG能夠使用較小的電抗器和電容元件，來減小器件的使用體積，節省生產成本。

電力系統無功補償不僅可以降低輸電系統的無功損耗、提高供電系統的無功補償系數，還可以提高供電效率，使得供電環境得到改善。如果補償裝置能合理地達到預期的效果，就可以降低電網損耗，使得電網能夠高質量運行。靜止無功發生器有直接與間接電流控制兩種無功補償方式，直流控制常用于低壓配電網，SVG可以有效地提高低壓配電網供電質量。基于這一優勢，采用SVG對系統的無功功率進行有效補償。

1.2 靜止無功發生器SVG工作原理

SVG可以提供兩個無功功率值，即超前和落后。SVG的基本原理是將自耦變壓器與橋型電路，直接或通過交流電抗器串聯在電網上。通過直接利用橋型電路調節交流或無功的信號幅值，可以檢測交流或無功信號幅值，進而實現檢測交流或無功功率值的目的。SVG可視為可控交流電壓源，其頻率和電網相同且電網電壓相位超前SVG器件90°。電壓型SVG的單相等效電路和工作原理如圖1所示[9-10]，幅值由補償的無功電流的大小決定。SVG設備通過電感連接到電網，由電感的電壓超前電流90°可知，此時SVG發出電容電流，說明電網電壓電流滯后于該電流。如果電感上的電壓與電網電壓相同，SVG輸出電壓的幅值則會超前于電網電壓。因此，改變SVG的輸出電壓，可以使SVG發出電感電流或電容電流，從而達到補償感性或容性無功負載的目的。

圖1 SVG簡化電路與等效相量圖

2 硬件電路設計

2.1 SVG硬件系統結構

圖2為SVG系統結構圖，硬件系統中有主電路、采樣電路、控制電路和驅動保護電路。其中，主電路又包括三相交流電源、連接電感、IGBT三相橋式變換器和直流側電容；而采樣調理電路主要包括三相負載電流采樣電路、SVG發出電流采樣電路、電網A相電壓過零檢測電路以及直流母線電壓檢測電路；控制電路由TMS320F2812DSP以及相關的外圍電路組成[11]。

圖2 SVG系統結構圖

由圖2可知，當SVG工作時，首先通過調理電路將采樣信號發送到DSP，然后基于瞬時無功功率理論設計DSP，計算電網中相應瞬時無功電流的補償。此外，通過控制PWM信號，能夠確保主電路中開關器件的可靠通斷，并且SVG交流側的輸出可以被驅動電路放大后改變。最后，對電網中的無功功率進行有效補償。

2.2 PWM整流器

PWM整流器的工作原理是使用全控功率開關器件，利用PWM變流器控制方法，有效控制功率因數、電網側正弦電流和電能的雙向傳輸，從而加快系統動態控制的響應速度。用一個三角波與一個交流電流比較輸出PWM波來驅動IGBT橋，搭建的一個比較器如圖3所示。

圖3 PWM仿真模塊

由圖3可知，利用三角波與正弦波之差得到的矩形波，當輸出高電平時置為1時，輸出低電平時置為0，觀察其運行波形圖，如圖4所示。

圖4 PWM波形圖

3 SVG系統仿真

電力電子系統的有效性需要通過軟件仿真來驗證。本文利用MATLAB/Simulink搭建仿真系統，模擬在不同性質的負載下的補償效果，有效地驗證設計方案。

3.1 SVG系統仿真模型構建

SVG的仿真由六大模塊組成，即主電路模塊、負載模塊、檢測模塊以及PWM產生模塊等。本文重點介紹負載模塊系統的部分仿真模塊，如圖5所示。仿真用到的SVG主電路參數設置：給定直流側電壓為700 V，三相電源為380 V/50 Hz，SVG設備的容性負載為電阻6 Ω、電容1 100 μF，SVG設備的感性負載為電阻6 Ω、電感8.5 mH。主要來驗證SVG負載模塊的電壓電流、有功功率和無功功率以及功率因數的仿真結果。

圖5 SVG系統的部分仿真

3.2 負載模塊

為了使實際情況和模擬的工作環境相似，同時對本文采用的控制策略在各種工況下的正確性與可行性進行檢驗。仿真中提供了兩種不同的負載屬性，即阻感性和阻容性，如圖6所示。

圖6 負載模塊

由圖6可知，電阻性感性負載是電力系統中經常使用的負載。當電網中的負載由電阻電感變為電阻電容時，SVG從電網中吸收電容無功功率；相反，SVG吸收來自電網的感性無功功率。

3.3 負載模塊的仿真結果及分析

為了驗證SVG在容性負載下的補償效果以及系統后續的性能，這里選用時間分界點0.5 s，將阻感性負載變為阻容性負載，且兩種不同屬性的負載都采用星形連接方式。在感性負載的情況下，選擇6 kW阻性負載和4 kvar容性負載；在阻容負載的情況下，選擇7 kW的阻性負載和4 kvar的感性負載。圖7為電網A相電壓電流仿真結果，圖8為有功和無功功率仿真結果，圖9為功率因數波形，圖10為直流側母線電壓。

圖8 有功功率、無功功率波形

圖9 功率因數波形

由圖7～圖10可知，以0.5 s為分隔點，觀察三個時刻的變化得出以下結論：

圖7 電網電壓電流波形

圖10 直流側電壓曲線

1）在0.5 s前，負載為阻感性，電網A相電壓和電流同步，電網中的有功功率和無功功率保持平穩，功率因數穩定在0.87左右，表明SVG系統補償效果較好。

2）在0.5 s時，切換負載，無功功率和功率因數隨電流波動也發生短時波動，此時SVG動態補償的無功功率很大、速度很快，具有很好的動態補償效果。

3）在0.5 s后，負載由阻感性變為阻容性，在SVG動態補償下短時波動后電壓、電流相位一致，直流總線電壓穩定在700 V，功率因數穩定，且符合經濟運行要求，說明SVG系統在阻感性與阻容性兩種負載條件下補償效果均較好。

通過分析以上仿真結果可知，在阻感性或阻容性負載條件下，本文所介紹的SVG系統的補償效果較好；并且在負載切換時具有良好的動態補償無功功率的能力，驗證了本設計方案的可行性。