SVG+FC混合型無功補償裝置的設計與優(yōu)化策略

摘要：介紹了SVG+FC混合型無功補償裝置的設計方案，包括投切型電容器組FC的組成及原理、靜止無功發(fā)生器SVG的組成及原理等，提出了SVG+FC混合型無功補償裝置的優(yōu)化策略。實踐表明，該補償裝置有效克服了FC不能連續(xù)無功補償以及大容量SVG成本高的問題，值得進一步推廣和應用。

關鍵詞：SVG;FC;無功補償裝置;優(yōu)化策略

1 研究背景

目前，配電網中最普遍的無功補償方式是采用直接并聯(lián)式電容器、接觸器復合開關、晶閘管等裝置進行無功補償。然而該方法已無法滿足快速變化的負荷對無功功率的需求。此外，每個電容器組的容量是固定的，不能進行連續(xù)的無功補償，補償效果不顯著。若僅采用單一的投切FC裝置的方式進行無功補償，極易造成無功欠補償或過補償，電容器的使用壽命與投切頻率相關，頻繁的開關操作使電容器的使用壽命大幅縮短。若采用晶閘管控制FC裝置的投切，會產生較為嚴重的低次諧波，為了減少諧波污染，還需增設額外的濾波器。基于此，本文提出一種SVG+FC混合型無功補償裝置，其中SVG裝置用于實現(xiàn)快速連續(xù)的無功功率調節(jié)，F(xiàn)C裝置實現(xiàn)無功功率的大容量分級調節(jié)，兩者協(xié)同工作，克服了FC裝置不能連續(xù)無功補償以及大容量SVG裝置成本高的問題。

2 SVG裝置及技術特點

2.1 ? ?SVG裝置

SVG裝置由VSC逆變器及直流電容器、連接變壓器、斷路器等組成。其在工作過程中將自換相橋式電路通過電抗器并聯(lián)，對橋式電路交流側輸出電壓、相位及幅值進行調整，或者直接對交流側電流進行控制，使電路吸收或者發(fā)出無功電流，達到快速動態(tài)無功補償?shù)哪康?。直流電控制過程中，SVG裝置不能利用LC回路濾波，需采用PWM電流技術進行濾波處理。若將電力系統(tǒng)看作一個電壓源，SVG裝置則可看作可控電壓源，連接電抗器則可看作線性阻抗元件。

2.2 ? ?技術特點

SVG裝置利用空間失量脈寬調制方法及瞬時無功功率理論的檢測方法，解決了電力系統(tǒng)在擾動因素的影響下產生的各種問題，完成無功補償目標。從技術層面看，SVG裝置具有以下特點：（1）動態(tài)補償，SVG裝置能同時對無功功率及諧波進行補償，實現(xiàn)連續(xù)、平滑地功率補償，滿足功率變化需求。（2）響應時間短，整機響應時間在5 ms以內，能對額定容性及感性輸出進行隨意切換，滿足沖擊性負載補償需求。（3）優(yōu)化諧波輸出，SVG裝置既能輸出近似于正弦波的無功電流，對電網進行補償，又能輸出設定次數(shù)的諧波，滿足無功無償及諧波綜合治理的需求。（4）可靠性高，SVG裝置具有電流源特性，系統(tǒng)參數(shù)的敏感性不足，輸出無功不會受電壓影響，利用鏈式結構模塊的設計方法，一個模塊在出現(xiàn)故障的情況下仍能繼續(xù)運行。（5）控制靈活，SVG裝置能單獨補償電壓及無功、功率因數(shù)，實現(xiàn)綜合控制、AVC控制以及各種模式的無縫切換。

3 SVG+FC混合型無功補償裝置設計方案

在實際工程應用中，感性和容性無功的需求不同，所需配備的設備也不同，靜止無功補償SVG和固定電容器組FC并聯(lián)應用，可以達到非常好的配合效果。SVG動態(tài)特性好，而FC可有效補償容性無功，成本低。當系統(tǒng)無功瞬間發(fā)生缺失突變時，通過SVG自啟，進行瞬態(tài)快速補償，而后再投入FC，最終完成無功的精確化補償。混合型SVG無功補償裝置包括有源無功發(fā)生模塊、多組晶閘管或接觸器投切電容器模塊，即SVG+投切型電容器組（FC）。

3.1 ? ?FC的組成及原理

投切型電容器組（FC）由三相相同的拓撲結構構成，每相包含4個分支，每條支路都是由電容器小電感器和反并聯(lián)晶閘管串聯(lián)而成，電容值比為8：4：2：1。通過控制每條支路上的晶閘管的開關狀態(tài)來控制所對應支路的通斷，以此改變整個電容器組的電容值。4個支路共有16種通斷組合，則單相投切型FC能夠實現(xiàn)16級無功功率的“粗”補償。以電網的某一相位為例，每個FC支路的電容值依次排列為8C、4C、2C及1C，忽略FC支路小電感的存在，那么FC產生的感應無功功率為：

3.2 ? ?SVG的組成及原理

靜止無功發(fā)生器SVG主要由三相逆變器直流側儲能電容器和交流側電感構成，直流側電容為逆變器提供直流電壓。在不同開關狀態(tài)下，通過控制三相逆變器的導通角的方式，改變系統(tǒng)注入的補償電流，對系統(tǒng)無功進行調整，實現(xiàn)各相無功功率的精確補償。

式中，R為SVG的等效電阻，是SVG輸出端電壓與電網電壓的差值;U為SVG輸出端電壓與電網電壓的差值;δ為電壓和電流的相位差。只有選擇合適的FC和SVG器件參數(shù)，才能在保證較大補償容量的基礎上，實現(xiàn)連續(xù)、精確動態(tài)補償。

4 SVG+FC混合型無功補償裝置的優(yōu)化策略

4.1 ? ?補償容量的選擇

針對不同的負荷特點，SVG+FC混合型裝置需要合理選擇無功補償設備，具體如下：

（1）對于承受力弱的工業(yè)用戶，推薦使用SVG+FC混合型裝置，補償容量可選150 kvar和240 kvar。

（2）箱變用戶往往是新建的大規(guī)模住宅區(qū)商業(yè)辦公大樓、百貨商場等，其負荷曲線相對來說較為穩(wěn)定，無功需求量變化不大。故而建議使用小容量SVG+FC混合型無功補償裝置，補償容量為45 kvar、75 kvar或90 kvar。這種補償策略無需投入巨大的成本，即可取得不錯的補償效果。

（3）桿變用戶可以分為舊式工房的居民區(qū)用戶和小型工業(yè)用戶，常用的桿變容量為400 kVA。居民區(qū)和小型工業(yè)用戶同樣對無功有著較大的需求，而桿變的電能質量普遍存在功率因數(shù)低、電壓跌落和閃變負荷不平衡的特點，建議采用小容量抽屜式的柱上式SVG+FC混合補償裝置。

4.2 ? ?總體調控策略

本文提出了一種SVG+FC的總體調控策略，F(xiàn)C承擔大部分靜態(tài)無功功率補償功能，而SVG主要承擔小部分的動態(tài)無功功率補償功能。不管是從設備的經濟實用性，還是從工作效率、穩(wěn)定性、安全性等方面考慮，選取的SVG容量應越小越好，同時還必須保證SVG能夠連續(xù)補償FC的最大補償差，且留有一定的裕度。該控制策略既能保證單元間的無功功率分配的穩(wěn)定性，避免由于SVG承擔過多的無功功率觸發(fā)限流限制，又可以避免FC承擔的無功功率過小的現(xiàn)象。

4.3 ? ?最優(yōu)補償?shù)膶崿F(xiàn)

SVG+FC混合型無功補償裝置無功補償控制的實現(xiàn)，首先通過采集模塊采集電氣信號，主要是采集系統(tǒng)的瞬時電壓和電流，通過計算單元計算系統(tǒng)側功率因數(shù)和無功功率，分析系統(tǒng)的無功輸出情況以及無功分配基準。無功功率優(yōu)化分配模塊再根據(jù)需要的補償量，制定最優(yōu)補償策略，確定FC和SVG的補償容量。SVG再根據(jù)補償無功功率量，調節(jié)PWM波形，控制IGBT的導通，改變逆變器的輸出，對系統(tǒng)進行快速補償。SVG+FC混合型無功補償系統(tǒng)流程如圖1所示。

5 結語

針對無功功率補償不足的問題，傳統(tǒng)的補償方式大多數(shù)是直接投切電容器與電抗器，雖然能夠控制成本，但是不能進行連續(xù)補償，且頻繁投切會縮短設備使用壽命。因此，本文提出使用一種SVG+FC混合型無功補償裝置的建議，該補償裝置不僅具備SVG快速連續(xù)無功補償?shù)墓δ?，還兼具FC大容量無功補償?shù)墓δ埽朔薋C不能連續(xù)無功補償以及大容量SVG成本高的問題。

[參考文獻]

[1] 鄒良鴻.混合型無功補償裝置及其應用研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2013.

[2] 聞杰杰.基于有源電力濾波器的無功補償裝置研究[D].上海：上海交通大學，2017.

[3] 劉濤.基于阻抗變化的容性無功補償裝置故障監(jiān)測方法[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2018.

收稿日期：2020-04-29

作者簡介：昝德承（1984—），男，河南洛陽人，工程師，研究方向：電力設計。