基于無功發生器的電力系統電壓穩定性

文/王燁

基于無功發生器的電力系統電壓穩定性

文/王燁

電網中非線性負荷的存在造成電網系統的無功功率不足，也引起電網中大量諧波出現，對電網系統造成越來越多的電能質量問題。靜止無功發生器（SVG）通過自換相的電力器件橋式變換器來控制開關的導通與關斷時間，以此改變橋式電路交流側發出或吸收無功功率，能夠實時性對電網無功功率進行補償，提高了電網系統電壓的穩定性，也減少了電力系統中諧波的損耗。

SVG無功發生器 無功補償 電壓穩定

目前，隨著電力行業與工業方面大量電力電子設備的出現，使電網系統的電能質量問題越來越嚴重，對電網系統安全造成威脅。同時，在很多行業出現大量精密儀器對電能質量要求高，隨著工業中自動化和智能化設備的發展，對電網的要求更高。因此，提高電網電能質量是至關重要的問題。在電網系統中無功功率的存在對電能質量的影響非常大。電網中大量無功功率的存在使電網安全性與穩定性降低，也使電網中的損耗增大等。因此對電力系統進行無功補償具有至關重要的意義。

1 SVG無功發生器

靜止無功發生器（SVG）是電網中對無功功率實現快速準確補償、降低電網諧波含量的裝置，它的基本工作原理是通過自換相的電力器件橋式變換器來控制開關的導通與關斷時間，以此來改變橋式電路交流側發出或吸收無功功率的補償裝置。SVG的主要部分由交流側部分與直流側部分組成；電網通過交流側部分傳輸交流電，然后橋式變換器將交流電變換為直流電為儲能元件充電；在裝置對電網進行補償時，儲能元件發出電網所需的無功功率，并且儲能元件的電壓電流利用變換器轉換為交流方式，然后輸送到電網達到補償效果。

在電力系統中，SVG主電路設計結構形式主要為電壓型橋式電路，電網通過電感與補償裝置相連接，直流側采用電容方式。SVG裝置并聯于電網中，在運行為穩定狀態時，直流側電壓保持穩定相當于交流側的電壓源，在實際應用中這個等效電壓源與主電路電壓頻率和相位相一致，再通過電抗器連接電網。作為當前較為新型的補償裝置，其在電網中補償原理就是通過改變直流側等效的電壓幅值來調節電網電流幅值和相位，使補償后電網中電壓與電流相位相同步，實現對電網無功功率的補償。

2 PWM追蹤控制

本文采用電流內環和電壓外環控制方式來實現對電流信號的追蹤。電壓外環控制方式主要是使變流器直流側電容電壓保持不變，這樣在實際中可以作為穩定電壓電源。從原理可以看出直流側電壓參考值與實際值進行相比較做差，再通過PI調節，輸出信號作為系統有功電流信號，電路中無功電流通過無功電流檢測法來實現無功電流信號檢測。

采用電流控制方式通常是跟蹤型PWM控制技術，通過期望輸出與采集信號的瞬時值相對比來判斷開關器件導通或者關斷，實現信號追蹤指令信號變化。本設計采用空間矢量法作為跟蹤型控制技術，空間矢量法是使用正交變換法把三相交流信號通過兩相坐標系空間矢量表示，再將兩相平面上電壓、電流矢量劃分為六個區域，判斷電網系統中電流誤差矢量所在區域來選擇開關組合，選擇合適的組合使輸出電壓矢量改變電流誤差方向，這樣就使得變流器輸出電流和無功參考電流信號相跟蹤。

3 SVG穩壓模塊設計

3.1 穩壓原理分析

在電網系統中，系統中存在的無功容量越大，對于電壓的穩定性影響越大。在系統投入無功發生器對存在的無功進行補償后，系統中的無功即為負載與補償無功之和。如果無功發生器能實時補償與負載性質相反的無功即可使系統的無功不發生變化，從而保持系統電壓不變。由于在系統補償前后會存在時段與負荷性質的不同從而使整個網絡不同，本次設計的重點就是在能夠達到系統補償效果的同時也可以保持系統網絡相一致。

3.2 穩壓模塊分析

在利用matlab對本系統建立仿真模塊時，對以下方面進行詳細分析：

（1）本次設計利用空間矢量法，根據系統電流誤差矢量所處的區域以此來選擇開關組合，使變流器輸出電流能夠很好地跟蹤無功參考電流的變化。還需要使用PI模塊來對對控制對象進行調節，使補償效果更好。

（2）在模塊建立中考慮到采集abc三相電流在時刻不停地變化，設計中利用派克變換將abc坐標系轉換為dqo中進行變量控制，可以更好處理信號，經過一系列變換，最后再將信號轉換為abc三相電流形式。

（3）本次設計重點是對電流控制模塊與直流側電壓穩定模塊的設計，在電流模塊設計中，由于電力電子設備本身引進諧波信號，會損耗部分能量，因此需要在設計中考慮負載需要的電流控制量，也需消除設備產生的諧波含量，以避免影響整個電力系統；在直流側電壓模塊中，直流側電壓的穩定性直接影響補償效果，對整個補償系統至關重要。

4 仿真結果分析

為了對此方法進行證實，建立SVG模型來證實補償效果的完整性，在建立的模型中選用容性負載與感性負載相互切換來對補償效果進行證實，圖1為系統模型；整個系統在0.02s前存在一些振蕩現象，在此以后開始穩定運行。系統從開始振蕩到穩定這段時間和SVG系統開始對系統無功進行補償的時間相一致，說明設計的控制模塊在此系統中精度比較高。圖2為補償后的電流電壓波形，從圖2中可以看出感性負載與容性負載相互切換后補償效果，補償后系統的電壓和電流相位相一致，達到系統要求的補償效果，系統中的諧波含量也較少。

圖1：系統仿真圖

圖2：補償后電壓電流波形

5 結論

本設計從電力系統無功補償方面進行研究，搭建SVG模型并對提出方法進行了證實。經過分析，證實了SVG在對電網系統無功進行補償時可以達到很好的效果，使補償后電壓與電流相位相一致。同時，在證實過程中能夠明顯看出SVG對電網中存在的無功具有實時跟蹤性，可以實時性地對無功進行補償，對電網電壓的穩定性具有明顯效果。

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