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      以提高天然氣行業(yè)電能質(zhì)量為目標的動態(tài)無功補償裝置設(shè)計

      2013-10-15 03:24:12岳理遠劉晶晶
      山東電力技術(shù) 2013年4期
      關(guān)鍵詞:變流器傳遞函數(shù)導(dǎo)通

      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(jù)2012年《中國能源發(fā)展報告》預(yù)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(fā)展天然氣管道運輸勢在必行。因此,LNG接收站、增壓運輸站、調(diào)峰儲運站等已成為目前國內(nèi)天然氣行業(yè)發(fā)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(shù)往往使內(nèi)部供配電系統(tǒng)達不到考核要求。同時,諧波作為電網(wǎng)的污染源以及大電機啟動產(chǎn)生的電壓沖擊,會降低用電設(shè)備的使用壽命、增加故障率和線路損耗;低功率因數(shù)會降低設(shè)備出力、提高設(shè)備投資額、增大電費輸出。這些問題不利于天然氣行業(yè)的快速穩(wěn)定發(fā)展,如何利用電力電子補償裝置改善該類站點的電能質(zhì)量、提高穩(wěn)定性和安全性,是近年來電能質(zhì)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(tǒng) (Flexible AC Transmission System,F(xiàn)ACTS)[1]是改善電能質(zhì)量、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性,并獲得節(jié)能效益的綜合技術(shù)[2-3]。 相較于機械裝置,F(xiàn)ACTS 裝置縮短了控制周期,并且能平穩(wěn)、連續(xù)的作用于電力系統(tǒng)中[4],對于要求高可靠性供電的LNG行業(yè)具有重要作用。

      三相電壓源型變流器是FACTS裝置中應(yīng)用較為廣泛的一種拓撲結(jié)構(gòu)[5],本文分析了基于該結(jié)構(gòu)的并聯(lián)型FACTS裝置——動態(tài)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(yīng)系統(tǒng)變化,提高系統(tǒng)功率因數(shù)、降低系統(tǒng)損耗。因而SVG能改善LNG行業(yè)供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量,有利于該行業(yè)的快速穩(wěn)定發(fā)展。

      1SVG基本原理

      SVG的核心部分是由大功率可關(guān)斷電力電子器件組成的三相電壓源型變流器,其拓撲結(jié)構(gòu)如圖 1所示,簡化系統(tǒng)接線圖如圖 2所示,變流器經(jīng)過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上,通過調(diào)節(jié)變流器的輸出電壓,使其和系統(tǒng)電壓形成可調(diào)電壓差,以此控制注入系統(tǒng)的無功電流,即吸收或者發(fā)出所需要的無功功率,實現(xiàn)快速動態(tài)調(diào)節(jié)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(wǎng)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(diào)節(jié)逆變器交流側(cè)輸出電壓ui及us和ui的夾角θ,使其和系統(tǒng)電壓形成可調(diào)基波電壓差,從而控制注入系統(tǒng)的無功電流iL,改變端電壓夾角,電網(wǎng)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(tǒng)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(tǒng)的電流iL,如通過調(diào)節(jié)逆變器交流側(cè)輸出電壓ui及us和ui的夾角θ,使其和系統(tǒng)電壓形成諧波電壓差,則可控制注入系統(tǒng)的諧波電流iL,使系統(tǒng)負載呈現(xiàn)阻性。因此,SVG可以動態(tài)補償無功,改善系統(tǒng)功率因數(shù),也可以作為有源濾波裝置改善系統(tǒng)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(yīng)速度快,對系統(tǒng)電壓的適應(yīng)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(tǒng)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(guān)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(cè)電壓,S1、S2為半導(dǎo)體開關(guān)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(tǒng)的電流。將單相變流器輸出電壓ui和電網(wǎng)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(jù)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(tǒng)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(diào)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(shù),Gr(s)參考可調(diào)基波電壓差 Uir(s)到 SVG 輸出電壓Ui(s)的傳遞函數(shù),Gp(s)為 SVG 輸出電壓 Ui(s)到輸出電流 IL(s)的傳遞函數(shù)。

      圖5 變流器等效電路及控制器

      2.1 傳遞函數(shù)Gp(s)

      由圖 4(a)可得單相系統(tǒng)數(shù)學(xué)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(shù)為

      2.2 傳遞函數(shù)Gc(s)

      忽略諧波影響,假設(shè)PWM調(diào)制結(jié)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(shù) Gr(s)

      雙極性正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)通過比較參考可調(diào)基波電壓差,即正弦波調(diào)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(guān) S1、S2的狀態(tài),如圖 6(a)所示。其中,正弦波調(diào)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(dǎo)通,變流器輸出電壓 ui(ωt)=udc;若 uir(ωt)≤utri(ωst),則 S2 導(dǎo)通,變流器輸出電壓 ui(ωt)=-udc,ui(ωt)為一個正弦波脈寬調(diào)制的波形,如圖 6(b)所示。這時功率器件的開關(guān)頻率等于載波頻率。

      因此,雙極型SPWM調(diào)制時,ui可以表示為

      式中,S為開關(guān)函數(shù)。S1導(dǎo)通時,S=1;S2導(dǎo)通時,S=0。

      圖6 雙極性SPWM方法原理示意圖

      由于開關(guān)函數(shù)的存在,式(6)中ui不連續(xù)。對式(6)求開關(guān)周期平均,得到

      這里〈ui〉Ts表述ui的開關(guān)周期平均值。而S的開關(guān)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(diào)基波電壓差Uir(s)到SVG輸出電壓 Ui(s)的傳遞函數(shù) Gr(s)為

      2.4 仿真分析

      以上分析推導(dǎo)了各個環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù),從控制的角度看,Gc(s)是一個比例微分環(huán)節(jié),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?yún)⒖茧娏餍盘栐谟嬎氵^程中需要經(jīng)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(shù)字仿真結(jié)果,鏈式逆變器為8 H橋串聯(lián),開關(guān)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?yōu)橄辔宦浜箅妷?0°,幅值1000 A。仿真結(jié)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(tài)響應(yīng)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(yīng)速度進行實驗。實驗中SVG運行在感性輸出狀態(tài)(-4 Mvar),斷開SVG控制柜高壓側(cè)PT電壓輸入,利用繼電保護試驗裝置外加高壓側(cè)PT電壓,采用空氣開關(guān)快速斷開的方式瞬時改變電壓值,模擬造成系統(tǒng)電壓跌落,SVG裝置監(jiān)測到電壓跌落后應(yīng)及時發(fā)出最大無功(+8 Mvar),用以支撐系統(tǒng)電壓,實驗過程如圖8所示,實測最大閉環(huán)響應(yīng)時間6.8ms。

      圖8 系統(tǒng)電壓暫態(tài)變化的閉環(huán)響應(yīng)測試

      4 節(jié)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(dǎo)通和開關(guān)損耗進行計算并得出輸出容量與損耗的關(guān)系曲線。

      1)IGBT導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)通時為 1,關(guān)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(diào)制比,Φ為輸出信號與電流之間的相位差。

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

      3)IGBT開關(guān)損耗計算。

      4)二極管開關(guān)損耗中的導(dǎo)通損耗可忽略不計,須考慮的是關(guān)斷損耗。

      計算中,Eoff,DIODE與DIODE的反向恢復(fù)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(jù)上述公式和器件的參數(shù)資料,算得10 Mvar STATCOM功率部分損耗與輸出容量的關(guān)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(guān)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(jié)能分析

      根據(jù)以上損耗分析,對已投入運行的某工程2套6 Mvar SVG產(chǎn)生的經(jīng)濟效益進行分析。根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù),可得投運前后,功率因數(shù)和諧波電壓數(shù)據(jù)檢測如表1所示。

      1)線損減小產(chǎn)生的經(jīng)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(shù)為0.5,無功經(jīng)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(jié)約收益為

      2)力率電費減小產(chǎn)生的經(jīng)濟效益。

      按照以0.90為標準值的功率因數(shù)調(diào)整電費表可知,系統(tǒng)功率因數(shù)為0.72時,月電費需多繳納9%的電費罰款,系統(tǒng)功率因數(shù)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(jù)圖9,SVG總損耗按照總?cè)萘康?.9%計算,可得力率電費調(diào)整的經(jīng)濟收益為

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

      5 結(jié)語

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

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