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      基于二極管箝位式SVG的電能質(zhì)量綜合控制技術(shù)研究

      2020-11-09 11:34:22王智勇沐欣欣覃日升敖剛吳遠密李冬東
      云南電力技術(shù) 2020年5期
      關(guān)鍵詞:箝位樣機二極管

      王智勇,沐欣欣,覃日升,敖剛,吳遠密,李冬東

      (1.云南電網(wǎng)有限責任公司安寧供電局,昆明 650300;2.云南電網(wǎng)有限責任公司玉溪供電局,云南 玉溪 653100;3.云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學(xué)研究院,昆明 650217;4.云南電網(wǎng)有限責任公司西雙版納供電局,云南 景洪 666100)

      0 前言

      功率因數(shù)低、諧波含有率高和三相電流不平衡是中低壓配電網(wǎng)電能質(zhì)量的三個主要問題。無功功率在電力系統(tǒng)運行中不可或缺,無功不足會引起系統(tǒng)電壓降低甚至崩潰,損壞用電設(shè)備,破壞系統(tǒng)穩(wěn)定[1]。諧波電流將引發(fā)公用電網(wǎng)污染、中性線過熱,影響變壓器工作和絕緣保護可靠性等問題,產(chǎn)生大量負面影響[2-3]。三相不平衡系統(tǒng)的長期運行,會導(dǎo)致增大線路的電能消耗、増大配電變壓器的電能消耗等,影響電力器件安全[4]。綜合以上分析,將電力系統(tǒng)運行時電能質(zhì)量各指標控制在一定范圍內(nèi),保證對用戶的供電質(zhì)量是電業(yè)部門的主要職責之一。傳統(tǒng)研究表明,無功缺失、諧波電流和三相不對稱問題均可通過定量補償?shù)姆桨笇崿F(xiàn)減小或消除[5]。

      靜止無功發(fā)生器(Static Var Generator,SVG)是現(xiàn)代無功補償裝置和電力電子器件在無功補償上的應(yīng)用,其補償原理是通過裝置檢測電網(wǎng)所需要的無功電流,然后通過逆變裝置將補償?shù)闹绷鱾?cè)電壓逆變?yōu)榕c電網(wǎng)電壓具有相同性質(zhì)的補償電壓[6-7]。SVG通常具有響應(yīng)速度快[8]、補償能力強[9-11]、可靠性高[12]等優(yōu)點。

      當前SVG尚未廣泛應(yīng)用到低壓系統(tǒng)中,尤其配電網(wǎng)系統(tǒng)。若能將SVG技術(shù)應(yīng)用到低壓三相四線制的配電網(wǎng)中,實現(xiàn)無功補償、諧波和三相不平衡的治理,可以優(yōu)化電壓分布、提高用戶側(cè)電能質(zhì)量、降低電能損耗,從而降低供電公司在運營中的成本,増大企業(yè)利潤,滿足各級用戶需求。

      結(jié)構(gòu)選擇方面,由于三相全橋拓撲結(jié)構(gòu)SVG不能滿足配網(wǎng)條件下的靈活補償要求,而四橋臂結(jié)構(gòu)和三橋臂半橋結(jié)構(gòu)SVG具有完全相同的端口條件,但四橋臂結(jié)構(gòu)成本有所增加。僅管三橋臂半橋式拓撲結(jié)構(gòu)SVG存在直流側(cè)電容均壓控制問題,但是其電容電壓可以利用反饋來控制解決,制定相應(yīng)控制策略即可。故綜合考慮,選取三橋臂半橋拓撲結(jié)構(gòu)作為改進研究重點。

      綜上所述,低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用SVG補償裝置,以提升電能質(zhì)量這一方案將日益受到關(guān)注重視[13]。本文將基于這一背景,結(jié)合可靠性和經(jīng)濟性以及補償不平衡電流的能力,研究設(shè)計二極管箝位式三相半橋結(jié)構(gòu)的SVG,并在云南電網(wǎng)實際低壓工況下開展仿真運用,并進行策略分析。

      1 三相半橋SVG及其改進

      三相半橋拓撲是三相四線制系統(tǒng)中常用的電壓型SVG結(jié)構(gòu),圖1為三相半橋SVG拓撲結(jié)構(gòu),各節(jié)點、支路和器件的電氣量標識如圖1。其直流側(cè)電容電壓控制應(yīng)滿足直流側(cè)電容電壓恒定和兩側(cè)電容電壓相對平衡這兩點要求。

      圖1 三相半橋SVG拓撲結(jié)構(gòu)

      假設(shè)系統(tǒng)電壓不含諧波分量,進一步得:

      故三相半橋SVG逆變器的N相輸出能力為:

      不平衡電流補償能力是衡量三相四線制SVG功能的另一個重要指標,三相半橋SVG在克服直流側(cè)電容均壓控制問題基礎(chǔ)上,可通過拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化實現(xiàn)。對此,本文提出了二極管箝位式三相半橋SVG結(jié)構(gòu),其拓撲電路如圖2。

      圖2 二極管箝位式三相半橋SVG拓撲結(jié)構(gòu)

      二極管箝位式三相半橋SVG以電網(wǎng)電壓相位角θ為基準,對檢測電流ia、ib、ic分別做正序Park變換和負序Park變換,變換輸出正序有功、正序無功和負序有功、負序無功四個電流分量,以作為反饋值開展閉環(huán)控制。調(diào)制波信號各序分量控制框圖如圖3。

      正序分量中直流側(cè)電壓目標值Udcref與直流側(cè)電壓反饋值Udc做PI調(diào)節(jié),輸出正序電流有功指令值。進一步對SVG輸出電流做Park變換,將輸出的dq正序檢測值作為反饋值,進行閉環(huán)控制。該電流控制閉環(huán)的輸出為電壓調(diào)制信號的有功分量和無功分量,經(jīng)過解耦后輸出再通過dq/abc逆變換輸出正序的三相調(diào)制波

      根據(jù)圖1可列出等效電路狀態(tài)方程為:

      零序分量則以0作為兩極電壓Udc1和Udc2的差值的控制目標值做閉環(huán)PI調(diào)節(jié),再以調(diào)節(jié)后的輸出值為指令與零序電流做閉環(huán)PI調(diào)節(jié),生成零序調(diào)制波信號mz。

      基于上述正負零序控制策略,加入并聯(lián)重復(fù)控制和串聯(lián)重復(fù)控制,最終形成總控制框圖3。

      圖3 加入重復(fù)控制的總控制框圖

      2 SVG治理效果仿真分析

      為了驗證前文提出的二極管箝位式SVG及其控制策略的理論的可行性,本文在PSCAD環(huán)境下搭建了SVG主電路仿真模型,如圖4。結(jié)合某10 kV現(xiàn)場工況,負載側(cè)三相有功負載分別為85 A,100 A,120 A,即存在三相負載不平衡情況。

      圖4 二極管箝位式SVG主電路仿真模型

      基于圖3控制框圖策略,在PSCAD環(huán)境下的電能治理仿真結(jié)果如圖5至7,治理后三相負載電流均為100 A。

      圖5 補償前電網(wǎng)電流

      圖6 補償后電網(wǎng)電流

      對比圖5和圖6,二極管箝位式SVG實現(xiàn)了系統(tǒng)的三相不平衡治理;由圖7知,二極管箝位式SVG的調(diào)制信號沒有飽和并且具有很好的正弦度,具備適應(yīng)該10 kV負載不平衡工況電能質(zhì)量治理的能力,能運用于該場合。

      圖7 SVG輸出電流

      此外,通過整個仿真時長統(tǒng)計,直流電壓穩(wěn)定在780 V左右,正負極直流電壓均穩(wěn)定在390 V附近。故圖3中的控制策略適用于二極管箝位式SVG,具有良好的穩(wěn)定性和控制精度。仿真結(jié)果顯示,本文提出的二極管箝位式SVG治理效果及控制策略理論層面有效,可在工程中進一步實踐運用。

      3 SVG樣機實現(xiàn)及運用

      為了驗證前文提出的控制策略在實際工程中的可行性,本文搭建了低壓SVG樣機實用平臺。樣機的額定容量為40 kVar,額定電壓為400 V,額定電流為60 A,其安裝10 kV某低壓臺區(qū)。基于仿真分析,本節(jié)將分析樣機的電能治理補償效果,以驗證工程實用性。

      3.1 不平衡補償效果

      通過樣機開機前調(diào)整三相可調(diào)電阻,從而使三相電流不平衡,通過功率分析儀記錄此時三相電流;設(shè)置樣機運行于補償不平衡模式,待輸出穩(wěn)定,測量三相電流。SVG樣機投入前后三相電流及不平衡度對比如表1和表2所示,樣機投入前后電網(wǎng)電流趨于三相平衡,不平衡度治理效果顯著。

      表1 SVG樣機投入前三相電流及不平衡度

      表2 SVG樣機投入后三相電流及不平衡度

      3.2 無功補償效果

      在試驗電路中調(diào)節(jié)交流電源輸出線電壓值為400 V±3%,調(diào)整負載發(fā)出大于樣機50%額定容量、小于額定容量的無功功率。待負載輸出穩(wěn)定無功,通過功率分析儀測量電網(wǎng)側(cè)三相基波無功功率。SVG樣機投入前后無功功率、功率因數(shù)對比及無功補償度如表3和表4所示,樣機投入前后電網(wǎng)無功明顯增加,功率因素也達到正常值,有利于電壓的穩(wěn)定,無功補償效果明顯。

      表3 SVG樣機投入前無功功率及功率因數(shù)

      表4 SVG樣機投入后無功功率、功率因數(shù)及無功補償率

      3.3 諧波補償效果

      通過交流電源投入諧波電流運行,記錄此時的三相諧波電流。投入樣機并運行于諧波補償功能,穩(wěn)定后記錄三相諧波電流。SVG樣機投入前后各次諧波電流值對比及諧波補償度如表5、表6和表7所示,樣機投入前后各次諧波含量明顯降低,諧波補償率均達到95%以上,諧波治理效果明顯。

      表5 SVG樣機投入前各次諧波電流

      表6 SVG樣機投入后各次諧波電流

      表7 SVG樣機投入后各次諧波補償率

      基于以上試驗數(shù)據(jù)的分析,SVG樣機對系統(tǒng)電能質(zhì)量進行補償后,三相不平衡度低于5%,無功補償率大于99%,諧波補償率大于95%。這些數(shù)據(jù)驗證了本文設(shè)計的二極管箝位式SVG拓撲與控制策略的可行性,具有工程實用性。

      4 結(jié)束語

      配電網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量關(guān)乎用電效益,SVG的補償治理是當前解決這一問題的主要措施。本文基于可靠性和經(jīng)濟性,結(jié)合理論模型分析,提出設(shè)計了旨在解決10 kV及以下配電網(wǎng)系統(tǒng)補償治理的二極管箝位式SVG拓撲,制定了相應(yīng)的補償控制策略,在實際工況數(shù)據(jù)下開展了仿真分析,結(jié)果顯示了策略的可行性。此外,基于樣機試驗分析,設(shè)計的樣機實現(xiàn)了三相不平衡補償、無功功率補償和諧波電流治理,展現(xiàn)出了工程可行,具有良好的動態(tài)性能,具有精確補償效果。綜合而言,本文從理論模型、仿真分析、工程運用角度,驗證了提出的二極管箝位式SVG的可行性和實用性。

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