SVG動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置應(yīng)用與研究

王永強(qiáng) 李俊洋

摘 要：電力系統(tǒng)中保證電能質(zhì)量的有效方法就是保持無(wú)功功率的平衡，隨著無(wú)功補(bǔ)償裝置在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，其控制策略的研究、優(yōu)化及改進(jìn)更是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。控制策略是決定無(wú)功補(bǔ)償裝置補(bǔ)償效果的重要因素，選擇合適的控制策略可以起到快速調(diào)節(jié)電能質(zhì)量的作用，結(jié)合目前業(yè)內(nèi)常用補(bǔ)償裝置的控制方式，提煉出常規(guī)通用的控制策略并進(jìn)行優(yōu)化，改進(jìn)后的SVG（動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置）控制策略能夠針對(duì)電網(wǎng)電壓瞬變做出快速響應(yīng)，有效防止系統(tǒng)電壓大幅振蕩;同時(shí)解決多臺(tái)不同類型的SVG裝置協(xié)調(diào)控制問(wèn)題，為提升SVG接入電網(wǎng)穩(wěn)定性提供了新的解決思路。

關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置;控制策略;電能質(zhì)量

引言

無(wú)功補(bǔ)償是電能質(zhì)量的重要保障手段，在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著無(wú)可代替的作用。無(wú)功補(bǔ)償點(diǎn)的確定、補(bǔ)償容量計(jì)算是電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償方案的重要部分，合理選擇無(wú)功補(bǔ)償點(diǎn)，恰當(dāng)設(shè)置無(wú)功源，可以降低電力系統(tǒng)電壓越限問(wèn)題發(fā)生的概率，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。

1 工程概況

隨著我礦負(fù)荷的增加，造成功率因數(shù)降低和末端電壓偏低的現(xiàn)象，直接影響安全供電和全礦的用電考核，僅2019年因我礦電網(wǎng)功率因數(shù)偏低， 集團(tuán)公司對(duì)我礦罰款271萬(wàn)余元。同時(shí)，隨著我礦采掘機(jī)械化程度的提高，大功率用電設(shè)備不斷增加，尤其是大型負(fù)載啟動(dòng)時(shí)會(huì)造成電壓的波動(dòng)及閃變，損壞電氣設(shè)備，嚴(yán)重影響了我礦的安全生產(chǎn)和供電安全。2020年以來(lái)，機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行立項(xiàng)，對(duì)諧波電壓/電流、頻率、電壓偏差、功率因數(shù)等進(jìn)行核算，通過(guò)多次論證后，決定安裝SVG無(wú)功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置，該裝置投入運(yùn)行后，可達(dá)到降損節(jié)能、安全供電的目的，每年對(duì)我礦帶來(lái)200 萬(wàn)的直接經(jīng)濟(jì)效益。

2 研究?jī)?nèi)容

通過(guò)對(duì)6kV母線段電能質(zhì)量測(cè)試，母線段最大無(wú)功約為5.6Mvar左右。參考無(wú)功功率變化，考慮運(yùn)行方式、負(fù)荷調(diào)整以及諧波影響，并考慮一定的裕量，無(wú)功功率容量按8Mvar選擇，并對(duì)諧波電壓/電流、頻率、電壓偏差、功率因數(shù)等進(jìn)行核算，通過(guò)多次論證后，決定安裝SVG無(wú)功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置。四礦變電站SVG動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置改造，主要在四礦變電站6KV母線單雙號(hào)段各增加一臺(tái)SVG（高壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置），SVG動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償將補(bǔ)償對(duì)象為高壓母線下所有用電設(shè)備所產(chǎn)生的無(wú)功。SVG高壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置其工作原理是以可關(guān)斷電力電子器件（IGBT）為核心組成自換相橋式電路，經(jīng)過(guò)電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，實(shí)時(shí)跟蹤電網(wǎng)負(fù)荷變化，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)輸出電壓的幅值和相位，直接控制其交流側(cè)電流，迅速吸收或者發(fā)出電網(wǎng)所需的無(wú)功功率，實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)無(wú)功功率的目的。作為有源形補(bǔ)償裝置，不僅可以跟蹤沖擊型負(fù)載的沖擊電流，而且可以對(duì)諧波電流也進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償。

3 動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置主要組成

系統(tǒng)主電路應(yīng)采用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu);星型或三角連接，每相由若干個(gè)換流鏈模塊組成，并采用冗余設(shè)計(jì)，滿足運(yùn)行要求;裝置大功率電力電子元器件具有完善的保護(hù)功能。

3.1 控制柜

控制系統(tǒng)由主控機(jī)箱、PLC（可編程邏輯控制器）和人機(jī)界面等幾個(gè)主要部分組成。各部分實(shí)現(xiàn)以下功能。主控機(jī)箱全數(shù)字化控制器，用DSP+FPGA組成的控制核心，充分發(fā)揮DSP超強(qiáng)的計(jì)算能力和FPGA出色的數(shù)據(jù)處理能力，實(shí)時(shí)計(jì)算電網(wǎng)所需的無(wú)功功率，動(dòng)態(tài)跟蹤與補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)算，高速響應(yīng)，精確補(bǔ)償?shù)男Ч?/p>

PLC實(shí)現(xiàn)整機(jī)的邏輯控制，實(shí)時(shí)與主控部分、觸摸屏通信，把裝置的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)地傳給觸摸屏顯示，并且完成觸摸屏、柜門(mén)按鈕對(duì)裝置的控制。人機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)，查詢與設(shè)定系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)以及整機(jī)邏輯控制等功能[1]。

3.2 功率柜

主要由功率單元組成，構(gòu)成無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹黧w。功率單元分三相安裝， 每相單元個(gè)數(shù)相等，單元輸出波形疊加成整機(jī)輸出波形。采用先進(jìn)的全控型器件IGBT，開(kāi)關(guān)頻率不低于500 Hz。裝置主回路元件，有足夠的電壓、電流裕度，有良好的dv/dt，di/dt特性。換流元件IGBT芯片應(yīng)選用德國(guó)英飛凌產(chǎn)品，耐壓1 700 V。

3.3 電抗器柜

通過(guò)電抗器接入電網(wǎng)，電流波形正弦度更好。電抗器平波的同時(shí)，也抑制了SVG的諧波，使其輸出的電流諧波符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

4 動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的應(yīng)用

通過(guò)安裝2臺(tái)6 KV/6 Mvar的SVG無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，以穩(wěn)定6 KV母線電壓為控制目標(biāo)運(yùn)行，使6KV電壓控制在±10%波動(dòng)范圍內(nèi)，功率因數(shù)在0.9以上，同時(shí)停運(yùn)6 KV側(cè)的SVC（TCR），轉(zhuǎn)為備用。當(dāng)降壓變壓器35KV側(cè)的功率因數(shù)低于0.85時(shí)，需將6KVⅡ段SVG轉(zhuǎn)為以35KV側(cè)的功率因數(shù)為控制目標(biāo)運(yùn)行，以提高35KV并網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)。為保證礦井供電系統(tǒng)2段6 KV側(cè)電壓穩(wěn)定，將以2段6KV電壓穩(wěn)定為主的補(bǔ)償方式運(yùn)行，兼顧35KV上網(wǎng)無(wú)功功率因數(shù)。當(dāng)檢測(cè)到35 KV供電系統(tǒng)功率因數(shù)為調(diào)節(jié)低于設(shè)定值0.85時(shí)， 6KVⅡ段無(wú)功補(bǔ)償SVG設(shè)備轉(zhuǎn)換為以35KV電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)為控制目標(biāo);同時(shí)監(jiān)控主變壓器6KV側(cè)的母線電壓，將其控制在礦井設(shè)備運(yùn)行所允許的波動(dòng)范圍±10%以內(nèi)。當(dāng)主變壓器6KV側(cè)的母線電壓超出設(shè)定值范圍時(shí)，再將無(wú)功補(bǔ)償SVG設(shè)備切換到以穩(wěn)定電壓控制方式補(bǔ)償運(yùn)行，補(bǔ)償這段6KV電壓穩(wěn)壓到標(biāo)準(zhǔn)值[2]。

5 SVG控制策略

5.1 電壓無(wú)功綜合控制

電壓無(wú)功綜合控制策略是母線電壓在遭受負(fù)荷的擾動(dòng)后仍然可以維持電壓穩(wěn)定的需求。電壓無(wú)功控制模式下的控制策略，其中U T為負(fù)荷點(diǎn)附近的等效母線PCC電壓，I q為無(wú)功電流參考指令，U ref為被控母線的參考電壓。

在電壓控制模式下，將被控母線的PCC電壓作為控制的唯一目標(biāo)，當(dāng)SVG裝置接入點(diǎn)的母線電壓位于電壓合格區(qū)間范圍內(nèi)時(shí)，保持無(wú)功出力不變，控制均以三相母線線電壓均值進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋調(diào)節(jié)。電壓不合格是指電壓合格區(qū)間以外區(qū)域，無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備輸出相應(yīng)感性或容性無(wú)功控制電壓， 電壓低于下限時(shí)輸出容性無(wú)功，電壓高于上限時(shí)輸出感性無(wú)功。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，選擇恒電壓模式，不能使系統(tǒng)無(wú)功目標(biāo)控制，即無(wú)論電壓處于何區(qū)域（滯環(huán)內(nèi)除外），均僅控目標(biāo)點(diǎn)電壓[3]。

5.2 恒功率因數(shù)控制

該方式用于將系統(tǒng)的功率因數(shù)控制在一定范圍的場(chǎng)合，裝置以系統(tǒng)的功率因數(shù)穩(wěn)定在用戶設(shè)定值為目標(biāo)，調(diào)節(jié)裝置的無(wú)功輸出。根據(jù)生成的裝置無(wú)功指令，除以當(dāng)前電壓得到電流指令，屬于自動(dòng)控制模式。通過(guò)引入PI 控制器，無(wú)功功率換算出的無(wú)功實(shí)際值和指令值的偏差經(jīng)PI調(diào)節(jié)后，轉(zhuǎn)換為參考無(wú)功電流Iq，實(shí)現(xiàn)恒定無(wú)功功率的控制[4]。

6 結(jié)束語(yǔ)

電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用，可以有效彌補(bǔ)電力資源過(guò)度損耗缺口。為避免電力設(shè)備無(wú)功損耗過(guò)量導(dǎo)致的電力系統(tǒng)運(yùn)行癱瘓問(wèn)題，可以通過(guò)確定局部電壓穩(wěn)定L指標(biāo)，對(duì)可識(shí)別電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定弱節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓穩(wěn)定裕度進(jìn)行定義，將其作為無(wú)功補(bǔ)償點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，利用整數(shù)二次規(guī)劃模型，確定無(wú)功補(bǔ)償點(diǎn)的補(bǔ)償量，提升電網(wǎng)運(yùn)行安全、穩(wěn)定性， 經(jīng)濟(jì)性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張存文.靜止無(wú)功補(bǔ)償器在煤礦企業(yè)中的應(yīng)用研究[J].電力電子技術(shù)，2013， 47（10）：55-56，59.

[2] 馮文軼.FC+SVG動(dòng)態(tài)補(bǔ)償濾波裝置在煤礦供電中的應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械，2019， 35（6）：173-175.

[3] 羅安.電網(wǎng)諧波治理和無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)及裝備[M].北京：中國(guó)電力出版社， 2019，12-15.

[4] 許鵬.一種基于電壓穩(wěn)定性的SVG控制方法的研究[D].石家莊：河北工業(yè)大學(xué)，2019.

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