以提高天然气行业电能质量为目标的动态无功补偿装置设计

张 帆 ，岳理远 ，刘晶晶

（1.中海石油深圳天然气有限公司，广东 深圳 518000；2.思源清能电气电子有限公司，上海 201108）

0 引言

据2012年《中国能源发展报告》预计，到2020年，中国天然气（liquefied natural gas，LNG）供需缺口将达40%左右。积极开采天然气、发展天然气管道运输势在必行。因此，LNG接收站、增压运输站、调峰储运站等已成为目前国内天然气行业发展较快的供配电站点。该类站点负荷以异步电机和泵类为主，部分电机带有变频装置。由于该类负荷对供电可靠性要求比较高，但负荷造成的谐波和低功率因数往往使内部供配电系统达不到考核要求。同时，谐波作为电网的污染源以及大电机启动产生的电压冲击，会降低用电设备的使用寿命、增加故障率和线路损耗；低功率因数会降低设备出力、提高设备投资额、增大电费输出。这些问题不利于天然气行业的快速稳定发展，如何利用电力电子补偿装置改善该类站点的电能质量、提高稳定性和安全性，是近年来电能质量控制研究的热点问题之一。

美国的N.G.Hingorani博士提出的柔性交流输电系统 （Flexible AC Transmission System，FACTS）［1］是改善电能质量、提高系统稳定性，并获得节能效益的综合技术［2－3］。 相较于机械装置，FACTS 装置缩短了控制周期，并且能平稳、连续的作用于电力系统中［4］，对于要求高可靠性供电的LNG行业具有重要作用。

三相电压源型变流器是FACTS装置中应用较为广泛的一种拓扑结构［5］，本文分析了基于该结构的并联型FACTS装置——动态无功补偿装置（Static Var Generator，SVG），得出在采用分相瞬时控制策略时，SVG可以迅速响应系统变化，提高系统功率因数、降低系统损耗。因而SVG能改善LNG行业供电系统的电能质量，有利于该行业的快速稳定发展。

1SVG基本原理

SVG的核心部分是由大功率可关断电力电子器件组成的三相电压源型变流器，其拓扑结构如图 1所示，简化系统接线图如图 2所示，变流器经过电抗器并联在电网上，通过调节变流器的输出电压，使其和系统电压形成可调电压差，以此控制注入系统的无功电流，即吸收或者发出所需要的无功功率，实现快速动态调节无功的目的。

考虑连接电抗器和变流器本身损耗的SVG等效电路及工作原理如图 3（a）所示，其中ui为SVG输出电压、us为电网电压，连接电抗器L的阻抗值和等效损耗分别为jωL、R。通过调节逆变器交流侧输出电压ui及us和ui的夹角θ，使其和系统电压形成可调基波电压差，从而控制注入系统的无功电流iL，改变端电压夹角，电网的无功功率也随之改变。如图3（b）所示，当 ui大于 us时，电流超前电压 90°，SVG吸收容性无功功率；如图 3（c）所示，当ui小于us时，电流滞后电压90°，SVG吸收感性无功功率。

图1 三相电压源型变流器拓扑

图2 SVG接入系统示意图

图3 SVG等效电路及工作原理

由以上分析可知，SVG直接控制对象为注入系统的电流iL，如通过调节逆变器交流侧输出电压ui及us和ui的夹角θ，使其和系统电压形成谐波电压差，则可控制注入系统的谐波电流iL，使系统负载呈现阻性。因此，SVG可以动态补偿无功，改善系统功率因数，也可以作为有源滤波装置改善系统谐波。

2 分相瞬时电流跟踪控制方法

分相瞬时电流跟踪控制方法具有快速跟踪负荷电流变化的特点，响应速度快，对系统电压的适应性强。采用电流跟踪算法［6-7］可以大大提高装置承受冲击的能力，降低其对系统电压突变的敏感性，从而提高装置的可靠性。对于三相电压源型变流器，其中每一相都是独立的，相互之间不存在耦合关系，因而可以把三相电压源型变流器看成三个输出电压相位互差 120°的单相半桥式电路分析［8］，电路如图 4（a）所示，其中udc为单相变流器直流侧电压，S1、S2为半导体开关器件，L为连接电抗器，R为连接电抗器等效阻抗，iL为注入系统的电流。将单相变流器输出电压ui和电网电压us看作电压源，可得简化电路图如图 4（b）所示。

图4 单相半桥式电路及其简化电路图

因此，对链式SVG，三相控制方式一致，为简化计算，按照单相模型分析。根据SVG基本原理，可得基于分相瞬时控制电流跟踪控制方法的单相SVG系统控制框图如图 5所示，其中Ir（s）为参考输出电流，Ur（s）为参考电压，Uir（s）为参考可调基波电压差，Us（s）、Ui（s）、IL（s）为 us、ui、iL的拉氏变换形式，Gc（s）为参考输出电流 Ir（s）到参考电压 Ur（s）的传递函数，Gr（s）参考可调基波电压差 Uir（s）到 SVG 输出电压Ui（s）的传递函数，Gp（s）为 SVG 输出电压 Ui（s）到输出电流 IL（s）的传递函数。

图5 变流器等效电路及控制器

2.1 传递函数Gp（s）

由图 4（a）可得单相系统数学模型

对式（1）进行拉氏变换，可得

由式（2）可得 Gp（s）的传递函数为

2.2 传递函数Gc（s）

忽略谐波影响，假设PWM调制结果使输出电压Ui（s）和输入电压 Uir（s）相同，即 Gr（s）为 1，则有

电流控制的目标是使输出电流IL（s）紧跟参考电流Ir（s），理想情况下可认为两者相同，可以得到

2.3 传递函数 Gr（s）

双极性正弦波脉宽调制（SPWM）通过比较参考可调基波电压差，即正弦波调制信号 uir（ωt）＝Uirsin（ωt）与三角波载波信号 utri（ωst）决定图 4（a）中开关 S1、S2的状态，如图 6（a）所示。其中，正弦波调制信号频率 ω＝2πf，三角载波信号频率 ωs＝2πfs，三角载波信号峰值为 Utri。取 f=50Hz，fs=500Hz若 uir（ωt）＞utri（ωst），则 S1 导通，变流器输出电压 ui（ωt）＝udc；若 uir（ωt）≤utri（ωst），则 S2 导通，变流器输出电压 ui（ωt）＝－udc，ui（ωt）为一个正弦波脉宽调制的波形，如图 6（b）所示。这时功率器件的开关频率等于载波频率。

因此，双极型SPWM调制时，ui可以表示为

式中，S为开关函数。S1导通时，S＝1；S2导通时，S＝0。

图6 双极性SPWM方法原理示意图

由于开关函数的存在，式（6）中ui不连续。对式（6）求开关周期平均，得到

这里〈ui〉Ts表述ui的开关周期平均值。而S的开关周期平均值

式中，D（t）为占空比，由图 6（a）得到

把式（8）和式（9）代入式（7）得到

因此，参考可调基波电压差Uir（s）到SVG输出电压 Ui（s）的传递函数 Gr（s）为

2.4 仿真分析

以上分析推导了各个环节的传递函数，从控制的角度看，Gc（s）是一个比例微分环节，一般认为容易受到噪声的影响。然而，对于SVG电流控制来说，输入参考电流信号在计算过程中需要经过滤波器处理，在一定程度上去除了噪声的影响。图7是分相瞬时电流控制器跟踪参考电流的数字仿真结果，链式逆变器为8 H桥串联，开关频率500 Hz。0.6 s前参考电流相位超前电压90°，幅值1000 A。0.6 s时参考电流改变为相位落后电压90°，幅值1000 A。仿真结果显示，输出电流紧跟参考电流变化，几乎重合，放大图显示两者时间差为1 ms，显示了分相瞬时电流控制器快速的动态响应性能。

图7 分相瞬时电流控制器仿真效果

3 实验验证

为验证控制模型的有效性，对SVG抑制电压波动的响应速度进行实验。实验中SVG运行在感性输出状态（－4 Mvar），断开SVG控制柜高压侧PT电压输入，利用继电保护试验装置外加高压侧PT电压，采用空气开关快速断开的方式瞬时改变电压值，模拟造成系统电压跌落，SVG装置监测到电压跌落后应及时发出最大无功（＋8 Mvar），用以支撑系统电压，实验过程如图8所示，实测最大闭环响应时间6.8ms。

图8 系统电压暂态变化的闭环响应测试

4 节能降耗分析

4.1 SVG损耗分析

SVG的损耗主要为阀组损耗，包括IGBT、二极管等功率器件损耗。下面以分相瞬时电流跟踪控制方法10 Mvar SVG为例，分别对IGBT、二极管的导通和开关损耗进行计算并得出输出容量与损耗的关系曲线。

1）IGBT导通损耗计算。

式中：

i（t）＝I sin（ωt），正弦的输出电流；

VCE（t）＝VCE0＋r×i（t），为导通情况下的 IGBT 的压降，其中VCE0为门槛电压，r为斜率电阻；

τ′（t）为逆变桥输出的占空比（导通时为 1，关断时为 0），一般情况下，该变量的波形为 τ′（t）＝ 1（1＋2 m sin（ωt＋Φ）），m 为调制比，Φ为输出信号与电流之间的相位差。

2）二极管导通损耗与IGBT的导通损耗类似，只是针对二极管而言，上桥臂的IGBT导通意味着下桥臂的二极管关断，反之，上桥臂的IGBT关断意味着下桥臂的二极管导通。因此对于二极管来说

3）IGBT开关损耗计算。

4）二极管开关损耗中的导通损耗可忽略不计，须考虑的是关断损耗。

计算中，Eoff，DIODE与DIODE的反向恢复能量并不成正比，以式（15）进行等同。

综合式（14）和式（15）可得

根据上述公式和器件的参数资料，算得10 Mvar STATCOM功率部分损耗与输出容量的关系曲线如图9所示。

图9 10 Mvar SVG功率部分损耗与输出容量的关系

由以上分析可知，SVG自身损耗不大于额定容量的0.9%。

4.2 SVG节能分析

根据以上损耗分析，对已投入运行的某工程2套6 Mvar SVG产生的经济效益进行分析。根据现场实测数据，可得投运前后，功率因数和谐波电压数据检测如表1所示。

1）线损减小产生的经济效益。

通过采取SVG型无功补偿方式后，满额运行下减小的无功功率为

取平均运行系数为0.5，无功经济当量0.09 kW／kvar，年平均运行时间7200 h（年检修时间60天），可得年减小损耗为

取动力电的平均费率按0.40元／kWh计算，则年度线损节约收益为

2）力率电费减小产生的经济效益。

按照以0.90为标准值的功率因数调整电费表可知，系统功率因数为0.72时，月电费需多缴纳9%的电费罚款，系统功率因数为0.99时，月电费可得到减免0.75%的奖励，以负荷总有功功率按8000 kW计算，电价按照0.40元／kWh计算，根据图9，SVG总损耗按照总容量的0.9%计算，可得力率电费调整的经济收益为

综合以上分析可知，SVG能够减小系统的无功电流和谐波电流从而降低系统有功损耗，并且能够提升系统的功率因数、降低电费，同时SVG自身产生的损耗远小于给用户带来的收益。

5 结语

采用基于分相瞬时控制策略的SVG系统响应时间小于10 ms，能动态跟踪系统负荷变化、快速提供无功电流并稳定母线电压、补偿系统功率因数，同时SVG自身损耗远小于带来的节能降耗收益，因此SVG的投入能够使电力系统更加清洁、高效、安全、可靠，是改善LNG行业供电系统电能质量的最佳选择。

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