大功率冲击性负载的无功补偿装置设计与仿真*

任荣荣 ， 杨媛媛

（四川信息职业技术学院，四川 广元 628040）

0 引言

近年来，我国的电力事业发展迅猛，随着电子设备的广泛应用，电力产业已经成为国民经济发展中的重要组成部分，电能消耗也越来越大。与此同时，自动化的工业生产中增加了很多复杂的器材仪表，这些用电设备对电能的质量提出了更高的要求，但是在系统中存在大量的无功功率制约着电能的质量，使功率因数变得很低，进而导致电网的安全性不可靠，因此需要采用无功补偿技术对其进行补偿[1-3]。静止无功发生器（SVG）是我国继补偿电容器和SVC之后的一种新型无功补偿装置，其因体积小、运行范围大、动态调节性能好、响应速度快等特点，在配电网中获得了广泛的运用[4-5]。通过对风电场和光伏电站的无功补偿要求、谐波治理和电能质量改善情况进行系统分析，本文首先分析了静止无功发生器（SVG）装置的特点，详细阐述了SVG无功补偿装置在风能和光伏电站中的应用和发展前景[6]。其次对静止无功发生器的工作原理和控制方式进行了介绍。最后，研究了其在高压供电系统中使用的相关问题，包括无功发生器谐波消除的多重技术和曲折变压器的接线方式，通过仿真验证了该控制方法的有效性[7-8]。

SVG和传统无功器件相比，具有响应速度快、抑制电压闪变能力强、工作范围广、能够使系统中的谐波功率得到补偿、提高电能的质量、节省空间、降低线路损耗、维持和控制节点电压等优势。SVG既能使无功得到补偿，又能抑制谐波，系统直流供电电压的稳定性需要通过直流电容来维持，且直流电容的成本低于交流电容。当系统中出现低电压时，采用静止无功补偿技术会连续地输出额定无功电流。供电部门规定，高压供电工业用户的功率因数必须达到0.9，但对于使用100 kVA（kW）及以上的用户，功率因数最低为0.85。如果有电力用户的功率因数不符合标准，供电部门将切断对他们的供电。若要使功率因数由原来的0.85提高到0.9必须安装无功补偿装置，也就是使用电容补偿柜，利用电容器来补偿无功损耗，才可以将功率因数补偿到需要的数值。所以，及时有效地进行无功补偿具有重要的现实意义。

1 静止无功发生器SVG概述及工作原理

1.1 静止无功发生器SVG概述

静止无功发生器（Static Var Generator, SVG）是一种利用自整流功率半导体桥式变换器实现动态无功补偿的装置。相对于SVC元件而言，SVG拥有调制速度更快、工作范围更广等优点，且SVG在采用多重化、多电平或脉宽调制（PWM）技术等措施后能够使得补偿电流的谐波含量得到降低。此外，SVG能够使用较小的电抗器和电容元件，来减小器件的使用体积，节省生产成本。

电力系统无功补偿不仅可以降低输电系统的无功损耗、提高供电系统的无功补偿系数，还可以提高供电效率，使得供电环境得到改善。如果补偿装置能合理地达到预期的效果，就可以降低电网损耗，使得电网能够高质量运行。静止无功发生器有直接与间接电流控制两种无功补偿方式，直流控制常用于低压配电网，SVG可以有效地提高低压配电网供电质量。基于这一优势，采用SVG对系统的无功功率进行有效补偿。

1.2 静止无功发生器SVG工作原理

SVG可以提供两个无功功率值，即超前和落后。SVG的基本原理是将自耦变压器与桥型电路，直接或通过交流电抗器串联在电网上。通过直接利用桥型电路调节交流或无功的信号幅值，可以检测交流或无功信号幅值，进而实现检测交流或无功功率值的目的。SVG可视为可控交流电压源，其频率和电网相同且电网电压相位超前SVG器件90°。电压型SVG的单相等效电路和工作原理如图1所示[9-10]，幅值由补偿的无功电流的大小决定。SVG设备通过电感连接到电网，由电感的电压超前电流90°可知，此时SVG发出电容电流，说明电网电压电流滞后于该电流。如果电感上的电压与电网电压相同，SVG输出电压的幅值则会超前于电网电压。因此，改变SVG的输出电压，可以使SVG发出电感电流或电容电流，从而达到补偿感性或容性无功负载的目的。

图1 SVG简化电路与等效相量图

2 硬件电路设计

2.1 SVG硬件系统结构

图2为SVG系统结构图，硬件系统中有主电路、采样电路、控制电路和驱动保护电路。其中，主电路又包括三相交流电源、连接电感、IGBT三相桥式变换器和直流侧电容；而采样调理电路主要包括三相负载电流采样电路、SVG发出电流采样电路、电网A相电压过零检测电路以及直流母线电压检测电路；控制电路由TMS320F2812DSP以及相关的外围电路组成[11]。

图2 SVG系统结构图

由图2可知，当SVG工作时，首先通过调理电路将采样信号发送到DSP，然后基于瞬时无功功率理论设计DSP，计算电网中相应瞬时无功电流的补偿。此外，通过控制PWM信号，能够确保主电路中开关器件的可靠通断，并且SVG交流侧的输出可以被驱动电路放大后改变。最后，对电网中的无功功率进行有效补偿。

2.2 PWM整流器

PWM整流器的工作原理是使用全控功率开关器件，利用PWM变流器控制方法，有效控制功率因数、电网侧正弦电流和电能的双向传输，从而加快系统动态控制的响应速度。用一个三角波与一个交流电流比较输出PWM波来驱动IGBT桥，搭建的一个比较器如图3所示。

图3 PWM仿真模块

由图3可知，利用三角波与正弦波之差得到的矩形波，当输出高电平时置为1时，输出低电平时置为0，观察其运行波形图，如图4所示。

图4 PWM波形图

3 SVG系统仿真

电力电子系统的有效性需要通过软件仿真来验证。本文利用MATLAB/Simulink搭建仿真系统，模拟在不同性质的负载下的补偿效果，有效地验证设计方案。

3.1 SVG系统仿真模型构建

SVG的仿真由六大模块组成，即主电路模块、负载模块、检测模块以及PWM产生模块等。本文重点介绍负载模块系统的部分仿真模块，如图5所示。仿真用到的SVG主电路参数设置：给定直流侧电压为700 V，三相电源为380 V/50 Hz，SVG设备的容性负载为电阻6 Ω、电容1 100 μF，SVG设备的感性负载为电阻6 Ω、电感8.5 mH。主要来验证SVG负载模块的电压电流、有功功率和无功功率以及功率因数的仿真结果。

图5 SVG系统的部分仿真

3.2 负载模块

为了使实际情况和模拟的工作环境相似，同时对本文采用的控制策略在各种工况下的正确性与可行性进行检验。仿真中提供了两种不同的负载属性，即阻感性和阻容性，如图6所示。

图6 负载模块

由图6可知，电阻性感性负载是电力系统中经常使用的负载。当电网中的负载由电阻电感变为电阻电容时，SVG从电网中吸收电容无功功率；相反，SVG吸收来自电网的感性无功功率。

3.3 负载模块的仿真结果及分析

为了验证SVG在容性负载下的补偿效果以及系统后续的性能，这里选用时间分界点0.5 s，将阻感性负载变为阻容性负载，且两种不同属性的负载都采用星形连接方式。在感性负载的情况下，选择6 kW阻性负载和4 kvar容性负载；在阻容负载的情况下，选择7 kW的阻性负载和4 kvar的感性负载。图7为电网A相电压电流仿真结果，图8为有功和无功功率仿真结果，图9为功率因数波形，图10为直流侧母线电压。

图8 有功功率、无功功率波形

图9 功率因数波形

由图7～图10可知，以0.5 s为分隔点，观察三个时刻的变化得出以下结论：

图7 电网电压电流波形

图10 直流侧电压曲线

1）在0.5 s前，负载为阻感性，电网A相电压和电流同步，电网中的有功功率和无功功率保持平稳，功率因数稳定在0.87左右，表明SVG系统补偿效果较好。

2）在0.5 s时，切换负载，无功功率和功率因数随电流波动也发生短时波动，此时SVG动态补偿的无功功率很大、速度很快，具有很好的动态补偿效果。

3）在0.5 s后，负载由阻感性变为阻容性，在SVG动态补偿下短时波动后电压、电流相位一致，直流总线电压稳定在700 V，功率因数稳定，且符合经济运行要求，说明SVG系统在阻感性与阻容性两种负载条件下补偿效果均较好。

通过分析以上仿真结果可知，在阻感性或阻容性负载条件下，本文所介绍的SVG系统的补偿效果较好；并且在负载切换时具有良好的动态补偿无功功率的能力，验证了本设计方案的可行性。