SVG和电容器组配合解决复杂电能质量问题的研究

SVG和电容器组配合解决复杂电能质量问题的研究

尚保旗

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摘要：对现有解决方案进行了改进，以解决电力电子设备接入电网造成的电能问题，并为可变电容器和SVG的使用提供了一个综合无功补偿方案。介绍系统的工作原理。结果表明，该装置可以采用阶梯式补偿系统无功功率，提高功率因数，提高电能质量。

关键词：可变电容器组；控制策略；电能质量；ＳＶＧ

伴随着国家的经济，电力负荷、冲击和非线性负荷能力都在增加。电压波动、闪变和三相电源越来越引起人们对电能质量的关注。这些特点是评估能源质量的重要指标，为选择补偿方法、设备和技术措施提供了依据。电网非线性、不对称和冲击负荷的增加对非线性负荷向电力系统的增加产生了不利影响。不对称负载加剧了不平衡度；快速冲击载荷吸收电网无功，产生电压波动和闪变，降低有效出力，降低产品生产，缩短设备寿命。

一、电能质量问题及其发展

问题包括电压闪烁、瞬时电压或跌落、谐波畸变、相电压不平衡等；电流质量问题是电力电子设备及其他非线性负荷(包括谐波、无功、不平衡负荷电流等)造成的电流闪烁。电力系统各种干扰引起的电能质量问题可分为两部分稳态和暂态。稳态电力质量问题的特点是波形畸变，主要包括谐波、间谐波、波形凹陷和噪声；过渡电力的质量问题通常以过渡状态的频谱和持续时间为特点。电力系统中电能质量中断的性质、特点、原因、后果和解决办法。我国长期存在的电能质量问题，如非线性负荷、谐波、不对称和低(过度)电压等，已经进行了深入研究，并取得了相当大的进展电压质量下降可能造成巨大的经济损失，因此，人们越来越关注动态电压质量问题，这是近年来随着信息技术的传播而出现的一个新的电能质量问题。电力质量问题引起了全世界的严重关切对数量的需求不断变化。在影响系统的各种动态电压质量问题中，临时电压降和瞬时停电被认为是影响电气设备安全运行的最严重的电压质量问题。电压暂时下降严重影响到电气设备，特别是电子设备的正常运行。电压暂时下降的敏感度因电气设备的类型而异，这意味着电压暂时下降造成的损害与设备本身的特性和用户的要求密切相关。因此，需要电源、设备制造商和用户之间的协调，以消除或消除临时电压降的影响。在信息社会中，电能质量问题，特别是动态电压问题越来越重要。结果表明，电子设备、高度自动化的设备和复杂的生产过程更容易受到暂时的电压降的影响，而最新版本的电子产品则更容易受到电力质量的影响。电压降和电源中断的主要原因是大型配电网因高压电网故障引起的电压波动、雷击引起的绝缘子闪络或线路直接放电以及系统故障。

二、综合无功补偿装置控制策略

固定电容器(FC)可以提供无功补偿和谐波滤波，但当负载波动很大时，FC会在负载为空或重载产生补偿和欠补偿。同时，SVG装置本身是一种静态无功补偿装置，采用IGBT综合控制装置作为开关装置，具有动态无功补偿的灵活特性，没有足够的功率处理大负荷变化引起的无功变化，因此，电容器的灵活使用对综合补偿系统很重要，如图1所示，综合无功补偿装置由控制侧调节。当系统末端被缝合时，所有电容器都使用SVG设备进行调试。当系统端承受轻微负载时，电路端的电压会稍微增加。现阶段采取两种稳定电压的措施:一种不切断正在运行的电容器组，另一种依靠SVG装置产生敏感的无功调节，从而有效调节系统电压，具有较低的波动性；另一个原因是，直接切断电容器组正在运行，只能通过SVG装置补偿系统的无功功率，但由于电容器的切断产生了很大的谐波，而且切断电容器的数量有限，因此需要九区图来实现系统的灵活补偿。

图１综合无功补偿装置示意图

1.电容器组投切及容量分析单电容器组容量计算:

（1）

式中:QN是补偿单个电容器组所需的无功功率。PL是最大负荷下的平均有功功率；cosρ1是补偿前的功率因数；功率因数cosρ2是补偿后；补偿系数k是单个电容器；负荷概率q０是无牵引。理想情况下，FC投切过程不是过渡过程。FC投入时间等于电网的极性和电压幅度，切除时电流为零。在实践中，当电压过高时，无法保证电容器连接到电网，同时切断电容器相当于电网中注入谐波，因此电容器的切断不应太频繁。

2.本文描述的参数化电容器组是一种基于SVG设备控制的无功补偿装置。通过分析电网的无功功率和功率因数，确定了电容器组的数目，并实现了更好的电源管理目标。通过电流检测分析，利用ｄｑ变换器采集输入信号，利用多级反馈阶梯式控制策略实现可变电容器组切换控制。在系统运行过程中，可以通过九区图法看到如图2所示，当工作点落在5、6区时，无功补偿装置断路器放入电容器组，由SVG装置补偿。当工作点落在4、8、9区时，无功补偿装置中使用的电容器组保持不变，只调整SVG装置；当工作点落在5、6区时，无功补偿装置断路器关闭在电容器组中，SVG装置使用并且当工作点落在1、2、2区时，无功补偿装置切断投入使用的电容器组，由SVG装置补偿；当工作点落在7区时，为了保证系统电压稳定在安全范围内，可变电容器组控制侧断路器上安装了真空保护装置，防止电容器组工作；当工作点落在区域3时，应确保电容器组处于可变状态，由SVG设备进行容量补偿，并调整变压器连接。

图2九区运行状态图

在控制补偿阶梯式过程中，为了综合完全补偿，需要将变压器检测到的电流切换到电网补偿点，获得补偿点处的不平衡电流Idq输入，并将Iq与额定电流相比较，计算出以下所需的电容器组的最小数量

（２）

（３）

在公式中，uce是单组电容的额定电压，c是单组电容的电容值，ice是单组电容的额定电流，n是正在运行的电容数。SVG设备的补偿电流是电容器组的补偿电流总量与非补偿电流的智Iq之差。

（４）

（５）

其中I q１是电容器组的总电流值，Iq２是SVG设备应补偿的电流值。比较电容器组和SVG装置的总补偿电流与Iq值，得到反馈值，结合Iq值形成闭环反馈系统，进行系统反馈调节计算。

（６）

（７）

（８）

2.验证测试。为了验证结论的正确性和调试的可行性，本文建立了一个试验性的仿真平台进行验证，记录了不同负载状态下可变电容器组补偿后系统的开关状态和电压幅度，并建立了等效电路，如图3所示。

图3综合补偿装置等效电路

表１补偿前不同负荷状态下Ａ相电压、电流

表２补偿后不同负荷状态下Ａ相电压、电流和功率因数

根据仿真平台补偿前后的测量数据，参见表1和表2，以220V低压线为例。表1是测量电压和相位Ａ电流补偿前不同负荷条件下电能质量的重要指标。根据国家规定，功率因数必须达到0.95±0.03，另一个指标是电压幅值。对试验数据的比较分析表明，补偿后制度的基本指标符合反应性补偿要求和相关的国家标准。与此同时，可变电容器降低了无功补偿成本，具有良好的经济效益。

为了改进综合无功补偿装置，提出了一种基于SVG和可变电容器组的综合无功补偿装置，以满足大规模无功变化的要求，提高系统的电能质量。该系统采用循序渐进的控制策略，实现系统的关联和补偿动态。

参考文献：

［１］吴那．ＳＶＧ＋ＦＣ混合无功补偿装置的应用研究［Ｄ］．鞍山：辽宁科技大学，2019．

［２］姚七．交流输电线路静止无功补偿器（ＳＶＣ）控制系统［Ｊ］．现代电子技术，2019（１１）：９３～９５

［３］李凯．电压无功综合控制装置控制原理的新讨论———由“九区图”到“五区图”［Ｊ］．电力系统自动化，2019，２８（１９）：９２～９５．