基于逆变调压型双向动态无功补偿装置研究

李勇刚，王晓梅，李鹏，宋祺鹏，李文锋

（1. 国网日照供电公司，山东 日照 276800；2. 中国电力科学研究院，北京 100192）

在电能传输过程中，无功功率是必不可少的，并且直接影响电能传输效率和系统的电压稳定。无功功率的传输加大了电网总电流，使得功率因数降低、设备容量和有功损耗增大[1-3]。为了减少无功功率在电网中的传输，就要尽可能地实现无功功率就地补偿；无功补偿，就是借助于无功补偿设备提供必要的无功功率，以减少无功传输，提高系统的功率因数、降低能耗，改善电网电压质量。另外由于风能、太阳能等可再生能源发电功率的不可预知性和随机性，其大量接入电网势必对电网的稳定性和可靠性带来挑战[4-5]，这就要求补偿的无功功率要动态的调整，以便能够适应电网状态的变化，提高系统的稳定性。

目前，常用的无功补偿装置有同步调相机（Synchronous Condenser，SC）、固定电容器（Fixed Capacitor，FC）、机械开关投切电容器（Mechanically Switched Capacitor，MSC）、晶闸管投切电容器（Thyristor Switched Capacitor，TSC）、晶闸管控制电抗器（Thyristor Controlled Reactor，TCR）等[6-10]，但存在无功功率动态性能不好、控制目标单一、性价比较低等缺点，难以适应系统功率平衡波动频繁的现状。随着电力电子技术、控制技术、计算机技术、数字控制技术的发展，出现了一些先进的无功补偿方法和设备，其主要的优势是能够提供动态的无功补偿，最大化地减小了系统的无功消耗[11-13]。

本文提出了一种新型的快速动态无功功率补偿装置，其采用调节补偿设备两端电压来调节无功的控制策略，与传统的TCR相比，其动态性能更好，且其谐波含量更低；与静态同步无功补偿器（STATCOM）相比，该装置的逆变容量更小，逆变器承受电压更低。另外，通过调节逆变器输出反向电压，可保证在系统电压较低时的无功输出容量，提高电压支撑能力。

1 新型无功补偿装置的原理

目前，系统中常用的无功补偿设备为固定电容器或电感器，以固定的电容器为例，假设三相电容器组为星型联结时，其每相电容器的补偿容量为：

式中，U为装设点电网线电压，V；IC为电容器组的线电流，A；C为电容器组的电容量，F。

从式（1）可以看出，装置的补偿容量与自身的电容值C和加在其两端的电压有关，而固定补偿电容器的电容值一般是不能动态改变的，TSC或MSC就是通过改变其电容值来调节无功补偿容量，但其缺点是谐波较大，寿命和可靠性也不高。本文转换了一个角度，通过用逆变器动态调节电容器（或电抗器）下端的电压基准值调节其两端电压，从而动态的调节其发出（或吸收）的无功功率。

如图1所示，为该新型补偿装置的结构框图，整流模块为逆变模块提供所需的直流电压。PWM逆变控制模块通过检测母线的无功电流和电压的相位，控制逆变器提供与母线电压相位一致的可调电压，这样就改变了图1中电容或电感两端的电压，从而改变了其提供的无功容量。控制器可根据系统的无功电流的性质改变开关K的状态，如假设开始时电容器在投入状态，随着系统无功缺额的减小，逆变器输出最大电压不提高，最后和母线电压相同时，电容器发出无功为零，如果系统无功变继续减小为负值时，开关K就动作，将电感投入，从而吸收系统无功；由于转换是在逆变器电压最大时发生的，故补偿装置的转换很平稳，也即补偿装置能平稳的发出和吸收无功。

图1 无功补偿装置结构框图Fig. 1 Block diagram of the SVC structure

2 补偿装置的控制算法的分析和研究

本无功补偿装置采用的控制算法是以系统无功最小为控制目标，控制系统框图如图2所示。

图2 补偿装置电压指令产生控制框图Fig. 2 Control block diagram of the voltage instruction generation for the compensation device

系统、SVC装置及负荷间的无功功率平衡关系为：

式中，QSYS为系统提供的无功；QSVC为新型SVC补偿装置提供的无功；QFC为固定电容器补偿无功；QLoad为负荷需要的无功，我们的控制目标是使系统向负荷提供的无功为0，负荷所需无功全部由SVC装置来补偿。以QSYS为控制量，给定值设为0，形成闭环反馈控制系统，最终使QSYS稳定为0，此时：

假设此时系统需要容性无功，装置投入运行后，逆变器输出电压Ea、Eb、Ec与母线电压UBUSA、UBUSB、UBUSC相位相同，装置向负荷补偿的无功主要由电容产生。其大小为：

根据式（4）就可以得到逆变器输出电压信号幅值大小Ea。具体控制过程如下。

1）首先采集母线三相电压信号和电流信号，用瞬时无功功率理论计算出。

2）与给定值0的差送入PI调节器中进行运算，得到需要补偿的无功量。

3）由ΔQ计算补偿电容上需要的电压。

4）母线电压UBUSA减去ΔU得到逆变器输出电压Ea，再根据锁相环得到的逆变器输出电压相位信息，通过SPWM控制得到IGBT的触发脉冲信号，最终实现系统无功闭环控制。

3 补偿装置的特点与安装容量

由式（1）可知该补偿装置的最大补偿容量，由图1中逆变器与母线间的电容或电感值决定，而逆变器只需能维持电容或电感下端的电压即可，所以该装置所需逆变容量小，无需耦合变压器件。又由于该补偿器能够在吸收和发出无功之间动态的平稳过渡，故它可以在实际的使用中只补偿系统中无功的变化部分，而无功的恒定部分由固定电容器或电感器来补偿，具体的固定补偿装置需要由系统中缺少的无功性质决定。下面来举例说明。图3为某市电业局办公大楼的配电系统图。

图3 某市电业局办公大楼的配电系统图Fig.3 The distribution system diagram of an office building

从图3中可以看出，该系统总的固定补偿容量为300 kV·A，通过用TOPAS2000电能质量分析仪对图中测量点进行了24 h的测量，对象分别为三相无功Q、三相有功P和功率因数PF。由测得数据可以得到无功如图4所示的波动曲线。

图4 三相无功日变化曲线Fig. 4 Three phase reactive power curve in one day

从实测的波形曲线可以看出，该系统每相的无功容量在40～140 kV·A之间波动，利用本文提出的思路，其固定电容器的容量仅需90 kV·A，动态无功补偿装置的容量为50 kV·A就可满足系统无功的完全动态补偿。

4 补偿装置的仿真与分析

基于EMTDC/PSCAD仿真软件对该新型无功补偿设备进行了仿真（仿真模型主电路见图5），仿真参数见表1。

图5 仿真模型主电路图Fig. 5 Main circuit diagram of simulation model

表1 仿真参数表Tab. 1 Simulation parameters

下面给出系统仿真时域波形图以及频域波形图。图6中的波形依次分别为QLoad负荷需要的无功、QFC固定电容器输出的无功、Qsvc新型无功补偿装置输出的无功和Qsys系统提供的无功，由图6可知，装置投入运行之后，系统提供的无功基本等于零，负荷需要的无功完全由固定补偿电容器和新型无功补偿装置提供，实现了无功就地补偿的功能。

图6 系统中各部分无功大小波形图Fig. 6 Waveform of reactive power in eachpart of the system

图7为补偿装置和系统提供无功局部放大图。由图7可知，新型无功补偿装置提供的无功功率稳定在52.7 kV·A左右。无功波动的范围在±0.2 kV·A以内，可以认为系统提供的无功基本为零，实现了系统提供最小无功的控制目的。

图7 补偿装置和系统提供无功局部放大图Fig. 7 Reactive power provided by SVC and systems

从图8可以看出，逆变器的输出电压波形完全跟踪了系统母线电压波形，相位一致，保证了控制算法中无功补偿的精确性。图9给出的是逆变器的输出电压频谱图，由频谱分析可以得到该逆变器装置输出的电压波形正弦度非常好，谐波含量很低。

图10给出的是负荷电流、系统电流装置和补偿电流的波形，由仿真波形知，补偿电流正弦度很好，由图11的装置输出电流频谱可以看出，电流失真度ηTHD<5%，补偿之后的系统电流有较大的减小。

图8 母线电压波形和逆变器的输出电压波形Fig. 8 Voltage waveform of the bus and the inverter

图9 逆变器输出电压频谱图Fig. 9 Spectrum of the inverter output voltage

图10 负荷、系统和装置输出电流波形Fig. 10 Current waveform of the load，the system and the SVC

图11 新型SVC装置输出电流频谱Fig. 11 The current spectrum of the SVC

由理论分析和仿真分析可以看出，本文所研究的新型SVC装置能够很好的实现负荷无功补偿，同样，如果系统无功缺额为负值时，动态补偿装置自动将电感投入，实现动态的吸收无功和系统无功的最优控制。大大降低系统能耗，提高设备的利用率和传输效率，在补偿负荷无功的同时，并没有给系统注入谐波电流，因而该SVC装置无需外加滤波器就能很好的满足各项指标的要求。

5 结语

本文提出的新型无功补偿装置基于改变补偿电容（电抗）两端电压的思路，其能自动跟踪系统无功大小，动态的发出和吸收无功，扩大了动态无功补偿的范围；具有逆变容量小，补偿范围大，注入谐波小等优点。是配电系统提高功率因数，减小设备容量理想的无功补偿装置。

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