新型混合动态无功补偿器

1 新型混合动态无功补偿器新型混合动态无功补偿器 设计者 张敏 徐然 边文浩 韩偲彬 汪竞之 王静 指导教师 尹忠东 摘要 现配电系统中普遍存在的无功不足 功率因数过低等问题 由于系统中存在消耗无功功率 的电气设备 在配电网络中 用户消耗的无功功率约占 50 其余的则消耗在配电网中 因此 为了减少无功功率在网络中的输送 在配电网络中分散的负荷区进行无功就地补偿 则可大大 提高系统功率因数 减少线路损耗 降低能耗 提高设备利用率 通过分析可知 现有的无功 补偿装置均有各自的缺点 因此在此基础上提出了一种全新的动态无功补偿技术 有别于常规 的 SVC 而是采用固定电容器或者电抗器串联逆变器的结构 通过调节逆变器的输出电压 改 变固定电容器上的电压 实现调节系统无功的目的 以系统无功最小为控制目标设计控制算法 通过选择逆变器元件参数实现系统功能 利用 PSCAD 仿真软件建立仿真模型对系统进行仿真 对系统各部分提供无功曲线 补偿装置输出的无功功率 电压 电流波形曲线及频谱图进行分 析可知此补偿装置无需低通滤波器 注入系统的谐波含量很小 电流失真度小 动态性能好 逆变器装置容量小 且在设计容量范围内能精确的发出或吸收无功 将补偿支路的功率因数提 高到 0 95 左右 通过设计和制作原理样机并挂网运行 可知该无功补偿装置结构简单 具有 一定的实用价值和可推广性 关键词关键词 无功补偿 功率因数 逆变器 动态性能 一 概述 在现代用电企业中 在数量众多 容量大小不等的感性设备连接于电力系统中 以致电网 传输功率除有功功率外 还需无功功率 如自然平均功率因数在 0 70 0 85 之间 企业消耗 电网的无功功率约占消耗有功功率的 60 90 如果把功率因数提高到 0 95 左右 则无功 消耗只占有功消耗的 30 左右 由于减少了电网无功功率的输入 会给用电企业带来效益 1 节省企业电费开支 提高功率因数对企业的直接经济效益是明显的 因为国家电价制度中 从合理利用有限电 能出发 对不同企业的功率因数规定了要求达到的不同数值 低于规定的数值 需要多收电费 高于规定数值 可相应地减少电费 可见 提高功率因数对企业有着重要的经济意义 2 提高设备的利用率 对于原有供电设备来讲 在同样有功功率下 因功率因数的提高 负荷电流减少 因此向 2 负荷传送功率所经过的变压器 开关和导线等供配电设备都增加了功率储备 从而满足了负荷 增长的需要 如果原网络已趋于过载 由于功率因数的提高 输送无功电流的减少 使系统不 至于过载运行 从而发挥原有设备的潜力 对尚处于设计阶段的新建企业来说则能降低设备容 量 减少投资费用 在一定条件下 改善后的功率因数可以使所选变压器容量降低 因此 使 用无功补偿不但减少初次投资费用 而且减少了运行后的基本电费 3 降低系统的能耗 由于负荷无功得到就地补偿 提高系统功率因数 使得传输线上的电流大大减小 系统只 需要提供有功电流而不需要提供无功电流 线损得到降低 提高传输效率 二 系统构成及工作原理 2 1 方案选择 对目前应用较多的几种无功补偿技术进行相互比较分析 从而提出一种新颖的混合动态无 功补偿思路 2 1 1 固定电容器补偿 并联电容器是目前最主要的无功补偿方法 其主要特点是价格低 效率高 运行成本低 在保护完善的情况下可靠性也很高 在高压及中压系统中主要使用固定连接的并联电容器组 而在低压配电系统中则主要使用 自动控制电容器投切的自动无功补偿装置 自动无功补偿装置的结构则多种多样形形色色 适 用于各种不同的负荷情况 并联电容器的最主要缺点是其对谐波的敏感性 当电网中含有谐波时 电容器的电流会急 剧增大 还会与电网中的感性元件谐振使谐波放大 同时收到自动开关动作速度和次数的限制 固定电容器补偿不能迅速跟踪符合无功的变化 动态性能较差 另外 并联电容器属于恒阻抗 元件 在电网电压下降时其输出的无功电流也下降 因此不利于电网的无功安全 2 1 2 SVC 补偿 SVC 的全称是静止式无功补偿装置 静止两个字是与同步调相机的旋转相对应的 国际大电网会议将 SVC 定义为 7 个子类 机械投切电容器 MSC 机械投切电抗器 MSR 自饱和电抗器 SR 晶闸管控制电抗器 TCR 晶闸管投切电容器 TSC 晶闸管投切电抗器 TSR 自换向或电网换向转换器 SCC LCC 根据以上这些子类 我们可以看出 除调相机之外 用电感或电容进行无功补偿的装置几 乎均被定义 SVC 目前国内市场上被宣传为 SVC 的产品主要是晶闸管控制电抗器 TCR 和晶闸 管投切电容器 TSC TCR 的基本结构包括一组固定并联连接在线路中的电容器和一组并联连接在线路中用晶闸 管控制的电抗器 通常将电抗器的容量设计成与电容器一样 由于电抗器是用晶闸管控制的 其感性无功电流可以变化 当晶闸管关断时 电抗器没有电流 而电容器固定连接 因此整套 装置的补偿量最大 当调节晶闸管的导通角时 电抗器的感性电流就会抵消一部分电容器电流 3 因此补偿量减少 导通角越大 电抗器的电流越大 补偿量就越小 当晶闸管全通时 电抗器 电流就会将电容器电流全部抵消 此时补偿量为 0 在 TCR 中 当晶闸管的导通角小于 90 时 电抗器的电流非正弦含有谐波成分 因此必须 将固定电容器组设计成滤波器形式或者配备另外的滤波器 综上所述 可以看出 TCR 的结构复杂 损耗大 但其具有补偿量连续可调的特点 在高压 系统中还有应用 2 1 3 STATCOM STATCOM 是一种使用 IGBT GTO 或者 SIT 等全控型高速电力电子器件作为开关控制电流 的装置 其基本工作原理是 通过对系统电参数的检测 预测出一个与电源电压同相位的幅度适当的正弦电流波形 当 系统瞬时电流大于预测电流的时候 STATCOM 将大于预测电流的部分吸收进来 储存在内部的 储能电容器中 当系统瞬时电流小于预测电流的时候 STATCOM 将储存在电容器中的能量释放 出来 填补小于预测电流的部分 从而使得补偿后的电流变成与电压同相位的正弦波 根据 STATCOM 的工作原理 理论上 STATCOM 可以实现真正的动态补偿 不仅可以应用在感 性负荷场合 还可以应用在容性负荷的场合 并且可以进行谐波滤除 起到滤波器的作用 但 是实际的 STATCOM 由于技术的原因不可能达到理论要求 而且由于开关操作频率不够高等原因 还会向电网输出谐波 STATCOM 的结构十分复杂 价格昂贵 可靠性差 损耗大 目前仍处于研究试用阶段 没 有实际应用价值 2 1 4 新型混合动态无功补偿装置 通过前文所分析的三种补偿装置都有各自的优缺点 在此基础上提出了一种全新的动态无 功补偿技术 有别于常规的 SVC 而是采用固定电容器或者电抗器串联逆变器的结构 通过调 节逆变器的输出电压 改变固定电容器上的电压 实现调节系统无功的目的 该补偿装置具有 动态性能好 逆变器装置容量小等特点 新型混合动态无功补偿装置结构框图如下图 2 1 所示 图 2 2 为新型混合动态无功补偿器主电路图 L4 至接柜体 AC380V 输入 S3 S2S1 L3L2L1 KM0 FC FL KM2 KM1 图 2 1 新型混合动态无功补偿装置结构框图 4 1 S 4 S 5 S 2 S 3 S 6 S 7 S 8 S a L b L c L n L c C b C a C a e b e c e o dc C 2 KM 1 KM L C 图 2 2 新型无功补偿器电路图 2 2 仿真模型的建立 利用 PSCAD 电力系统仿真软件建立仿真模型 2 2 1 主电路仿真模型的建立 图 2 7 三相三桥臂仿真模型主电路 5 318 0 uF 2 I 2 I 0 001 H D D Ag1 Ag2 ECA UBusA ILoadA 2 ohm 0 001 H IsA 2 I 2 I D D Bg1 Bg2 2 I 2 I D D Cg1 Cg2 ILoadB IsB ILoadC IsC 318 0 uF 0 001 H 318 0 uF 0 001 H ECC UBusB UBusC ECB A B C A B C Power A BQ 0 001 ohm 0 001 ohm 0 001 ohm SQ A B C A B C Power A BQ 0 001 ohm 0 001 ohm 0 001 ohm QLoad A B C A B C Power A BQ 0 001 ohm 0 001 ohm 0 001 ohm OUTQ 1 0 1 ohm 2 ohm 0 001 H 0 001 H Iinva Iinva 2 I 2 I D D Ng1 Ng2 0 001 H R 0 R 0 R 0 INsys INsvc Q 0 004623 V A Q 0 003264 V A Q 0 003882 V A N N Ec Eb Ea N N UN 图 2 8 三相四桥臂仿真模型主电路 2 2 2 控制电路仿真模型的建立 Va Vb Vc PLL theta UBusA UBusB UBusC PhaseA Sin SINB e sT e sT SINA SINC 图 2 9 三相电压锁相环节 314 159265 theta Clear 1 sT A B Compar ator 6 28 Zero Detector Mono T stable UBusA 图 2 10 A 相同步电压产生环节 ILoadA ILoadB ILoadC ID IQ ILoadARef ILoadBRef ILoadCRef RMS RMS RMS ILoadARefRMS ILoadBRefRMS ILoadCRefRMS IQ1 ID1 iaid ibiq ic theta abc to dq idia iqib thetaic dq to abc theta theta G 1 sT G 1 sT 图 2 11 利用 DQ 及无功检测环节 6 D F 0 0 SQ D F N D N D 100 0 03 X UBusARMS 1 detaU 3 14 detaQ G 1 sT I P U instruct 图 2 12 指令电压产生环节 F 6000 0 Ag1 Ag2 URefA A B Compar ator Delay T Delay T 图 2 13 SPWM 交截及生成死区环节 Mag Ph dc F F T F 50 0 Hz Ea Mag Ph dc 15 15 F F T F 50 0 Hz Iinva Iinva Harmonic Distortion Total Individual 127 127 eaTHDeaTHD RMS Harmonic Distortion Total Individual 127 127 IinvaTHD IinvaTHD RMS 图 2 14 电压电流 FFT 变换环节 7 2 3 控制算法的分析和研究 采用的控制算法是以系统无功最小为控制目标 控制系统框图如下图 2 15 所示 Ref Q Sam Q N D Bus U C x k PLL a U Ref U PI Q 图 2 15 电压指令产生控制框图 根据系统 新型混合动态无功补偿装置及负荷间的无功功率平衡关系为 SVCsysFCLoad QQQQ sys Q 为系统提供的无功 SVC Q 为新型混合动态无功补偿装置提供的无功 FC Q 为固定 电容器补偿无功 Load Q 为负荷需要的无功 我们的控制目标是使系统向负荷提供的无功为 0 负荷所需无功全部由新型混合动态无功补偿装置来补偿 以 sys Q 为控制量 给定值设为 0 形成闭环反馈控制系统 最终使 sys Q 稳定为 0 此时 SVCFCLoad QQQ 装置投入运行后 逆变器输出电压 a E b E c E 与母线电压 BusA U BusB U BusC U 相位相同 装置向负荷补偿的无功主要由电容产生 其大小为 2 SVCFC Q3Q BusAa UEC 根据上式就可以得到逆变器输出电压信号幅值大小 a E 具体控制过程为 a 首先采集母线三相电压信号和电流信号 用瞬时无功功率理论计算出 sys Q 11 1 2 22 33 3 0 22 a b c e e e e e 2 1 8 11 1 2 22 33 3 0 22 a b c i i i i i 2 2 eei p iqee 2 3 b sys Q 与给定值 0 的差送入 PI 调节器中进行运算得到需要补偿的无功量 Q c 由 Q 计算补偿电容上需要的电压 U d 母线电压 BusA U 减去 U 得到逆变器输出电压 a E 再根据锁相环得到的逆变器输 出电压相位信息 通过 SPWM 控制得到 IGBT 的触发脉冲信号 最终实现系统无功闭环控制 2 4 仿真结果及分析 a 仿真条件 新型混合动态无功补偿装置输出容性无功 0kVar2 给出系统仿真时域波形图以及频域波形图 M ain 三三三三三三三 S 0 70 0 80 0 90 1 00 2 5 0 0 2 5 5 0 7 5 10 0 12 5 15 0 17 5 20 0 22 5 kVa Q svcQ LoadQ sys 图 2 16 系统各部分无功曲线 图 2 16 中的波形一次分别为 QLoad 负荷需要的无功 QFC 固定电容器输出无功 Qsvc 新 型混合动态无功补偿装置输出的无功和 Qsys 系统提供的无功 由图 2 16 我们可以知道 装置 投入运行之后 系统提供的无功基本等于零 负荷需要的无功完全由固定补偿电容器和新型无 功补偿装置提供 实现了无功补偿的功能 9 M ain 三三三三三三三三三三三三 S 0 800 0 850 0 900 0 950 1 000 0 20 0 10 0 00 0 10 0 20 kVa Q sys 图 2 17 系统提供无功功率 图 2 17 给出的是系统提供无功的放大图 从上图我们可以清楚的看到 无功波动的范围 在以内 可以认为系统提供的无功基本为零 实现了系统提供最小无功的控制目 0 05kVar 的 三三三三三三三三三 0 700 0 750 0 800 0 850 0 900 0 950 1 000 19 20 19 60 20 00 20 40 20 80 y Q svc 图 2 18 补偿装置输出无功 图 2 18 给出的是新型无功补偿输出无功放大波形 知道新型无功补偿装置提供的无功功 率为左右 20kVar b 仿真条件 新型混合动态无功补偿装置输出感性无功 20kVar 下面给出系统仿真时域波形图以及频域波形图 10 M ain 三三三三三三三 S 0 700 0 750 0 800 0 850 0 900 0 950 1 000 25 0 20 0 15 0 10 0 5 0 0 0 5 0 10 0 15 0 20 0 25 0 kVa Q svcQ LoadQ sys 图 2 19 系统各部分无功曲线 图 2 19 中的波形一次分别为 QLoad 负荷需要的无功 QFC 固定电容器输出无功 Qsvc 新 型无功补偿装置输出的无功和 Qsys 系统提供的无功 由图 2 19 我们可以知道 装置投入运行 之后 系统提供的无功基本等于零 负荷需要的无功完全由固定补偿电容器和新型无功补偿装 置提供 实现了无功补偿的功能 M ain G raphs 0 700 0 750 0 800 0 850 0 900 0 950 1 000 0 40 0 30 0 20 0 10 0 00 0 10 0 20 0 30 0 40 y Q sys 图 2 20 系统提供无功功率 图 2 20 给出的是系统提供无功的放大图 从上图我们可以清楚的看到 无功波动的范围 在以内 可以认为系统提供的无功基本为零 实现了系统提供最小无功的控制目的 0 2kVar 11 三三三三三三三三三 0 700 0 750 0 800 0 850 0 900 0 950 1 000 20 20 20 40 20 60 20 80 21 00 y Q svc 图 2 21 补偿装置输出无功 图 2 21 给出的是新型无功补偿输出无功放大波形 知道新型无功补偿装置提供的无功功 率为左右 20kVar M ain G raphs 0 800 0 850 0 900 0 950 1 000 50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 y Iinva 图 2 22 新型混合动态无功补偿装置输出电流波形 12 Iinva 50 0 0 0 11 0 0171237 图 2 23 新型混合动态无功补偿装置输出电流频谱 图 2 22 和图 2 23 分别给出了装置输出的补偿电流时域波形图和频谱分析图 从上两图可 以得到 补偿电流波形非常好 电流失真度 THD 小于 3 几乎不会给系统注入谐波电流 由上面的理论分析和仿真分析可以得到 本课题所研究的新型 SVC 装置能够很好的实现负 荷无功得补偿 实现系统无功的最优控制 大大降低系统能耗 提高设备的利用率和传输效率 在补偿负荷无功的同时并没有给系统注入谐波电流 因而本 SVC 装置无需外加滤波器就能很好 的满足各项指标的要求 13 三 系统特性及功能实现 3 1 逆变器容量的确定 根据装置设计补偿容量为 则逆变器的主电路设计容量也必须大于等于 0kVA20kVA2 并作为主电路各主要器件的选型依据 当负荷需补偿无功超过设计容量 再算法中需考虑容量 限制 防止装置长时间过载 考虑容量限制后 逆变器参考电流无功检测的框图如下 锁相倍频 电路 PLL 正弦信号 发生器 3 2变换 无功计算 无功计算 2 3dq反变 换 系统 电压 a i b i c i an i bn i cn i 补偿容量 越限检测 修正系数 图 3 1 考虑容量限制逆变器参考电流检测框图 3 2 功率单元主电路设计 考虑中线电流补偿要求 电路如图 3 1 所示 d u 1 E 2 E C 1 L o u 1 i N o u 图 3 2 单相主电路结构示意图 在功率单元设计中 关键的在于电力电子器件的选型及散热设计 设计已知条件 装置总容量 e S 14 功率单元输出额定电压为 oe U 功率单元直流侧额定电压为 dc U 设定最高开关频率 s f 1串联功率单元数M oe e U U M 3 3 1 式中为逆变器所接入的系统电压等级 以上的计算只考虑了逆变器承受基波下的要求 e U 由于逆变器在补偿时需要发出相应的补偿电压 因此为防止调制过程的越限 在设计串联数要 留有足够的裕量 2逆变器输出电流 oe I e e oe U S I 3 3 2 3逆变器直流侧电压 dc U 功率单元采用单相半桥构成的三相四桥臂 根据 PWM 调制规律直流电压可计算如下 15 1 1 12 oe dc U U 3 3 其中 1 1 为直流电压裕量系数 1 15 为注入零序次谐波后直流电压利用率提高系数 由 于谐波补偿的要求 直流电压要尽可能留有裕量 因此通常在满足式 3 3 的前提下 尽可能 将充分利用功率器件的耐压水平 因此 当选择额定电压为 1700V 的 IGBT 管时 直流电压可 选择为 1000V IGBT 的型号选择好后还必须根据实际运行工况对其安全工作区 SOA 进行验证 其详细参数见参考资料 散热器选型计算 散热器必须为逆变电路提供良好的散热条件 因此散热器的选型非常关键 其选择主要根 据其电路损耗功率来定 但 IGBT 在 PWM 调制方式下 开关过程比较复杂 很难精确的计算各 种损耗 工程中通常按照经验公式来计算 IGBT 损耗功率 在逆变器主电路中 功率器件工作在高频状态 器件的开关损耗占全部损耗的绝大部分 一般厂家会给出各种典型参数方便计算 IGBT 模块的开关损耗计算如下 4 jdcT UIoffonswswIGBT EEfP 3 4 其中 根据实际运行的工况从参考资料中的相应曲线查出 on E off E 按照以上计算结果根据下式可计算得到选择散热器的热阻为 P TT R aj thha 5 1 3 5 其中 IGBT 允许的最大结温 环境温度 损耗功率 j T a T P 直流电容容量计算 由于功率单元采用隔离变压器串联 功率单元直流侧可以共用直流电容 直流电容的作用 是稳定电压 理论上电容值越大越有利于电压的稳定 但大电容成本高 体积大 不利于现场 15 应用 工程实践中确定电容量的主要依据是直流电压的低频脉动率 所需滤波电容量可按工程 经验公式计算 d I CKF afU 3 6 式中 I 为逆变器的额定输出电流有效值 d U 为直流电压平均值 为逆变器的最低输出 f 频率 为允许的直流电压波动峰值的纹波因数 是裕量系数 aK 连接电抗器设计 连接电抗器一方面将功率单元与电网隔离 另一方面其漏感可以滤除逆变器输出电压中开 关次谐波 为了简化设计过程 可以将级联型逆变器等效为一个三相桥式逆变器 如图 3 2 所 示 此时变压器等效为一个连接电感 起到低通滤波器 LPF 的作用 LPF 对于逆变器的性能 具有决定性的影响 在 LPF 的参数确定前 可以把逆变器与系统相连的部分看成是一个黑匣子 从而可以根据巴特沃斯滤波器设计原则进行确定漏感参数 N d u A B C 1 E 2 E s u s L LC低通 滤波器 图 3 3 并联型逆变器与电网连接的基本结构 1 巴特沃斯低通滤波器的设计 按给定的指标设计一个低通滤波器 重点是寻找一个恰当的近似函数来逼近理想特性 这 种基于不同类似近似函数的综合方法 长期以来得到广泛应用的已有许多 其中具有优良性能 的滤波器 如巴特沃斯 切比雪夫和椭圆滤波器 而在这三种滤波器当中 巴特沃斯滤波器在 线形相位 衰减斜率和加载特性三个方面具有特性均衡的优点 特别是随着阶数的增加 滤波 器的衰减斜率会逐步增加 而且具有 最大平坦 的特性 因此在实际使用中 巴特沃斯滤波 器被列为首选 2 H 1 2 1 1 2 1 1 0c r 通带阻带过渡带 容限范围 图 3 4 巴特沃斯低通滤波器的幅度平方频率响应 所谓巴特沃斯滤波器就是以巴特沃斯近似函数作为滤波器的系统函数 该函数以最高阶泰 勒级数的形式来逼近理想矩形特性 式 3 7 即为其通用模方函数表达式 16 N 1 2 3 N c H 2 2 2 1 1 3 7 可见 它的分子等于常数 分母是的多项式 是一个正实常数 由它导出的系统函数 2 在物理上是可以实现的 式中 N 表示滤波器的阶数是正整数 为截止频率 为与通带衰耗 c 有关的参数 为与阻带衰耗有关的参数 如图 3 4 所示 图中是截止频率 也是通 p A r A c 带的边界频率 是阻带的边界频率 所以有 r 通带 2 2 1 1 H c 3 8 阻带 2 2 1 1 H c 3 9 当则滤波特性趋近于理想的矩形 cr 0 显然 参数与主要取决于设计指标容限范围 若指标规定在通带边界频率 通带允许 的最大衰耗为 则根据式 3 9 有 p A cp 2 2 1 1 c H 1lg 10 1 1 lg10 2 2 p A 故得 110 1 0 p A 3 10 对于巴特沃斯滤波器 通常取带宽作为截止频率 所以 若规定在带阻边 dBAp3 1 界频率 带阻允许的最小衰耗为 则根据式 3 10 有 r A cp N cr r H 222 2 1 1 1 1 故得 110 1 0 r A 3 11 1 0 8 0 6 0 4 0 2 12340 c N 1 2 3 10 2 n H 图 3 5 归一化巴特沃斯低通滤波器的幅度特性曲线 巴特沃斯低通滤波器在设计过程中 为了通用性 模方函数往往用归一化形式表示 其中 为归一化频率 则式 3 11 改写成 cc 1 1 17 N n H 2 2 1 1 3 12 从上图 3 5 可以看出 归一化模方函数其幅度随着 N 的增加 通带愈益平坦 愈接近理想 特性 当则逼近矩形 当然在实际的滤波器设计中 一方面要考虑滤波器的滤波特性 N 另一方面也需考虑随着滤波器阶数增加 实际滤波装置的成本也将随之增加 所以在性能和成 本间取一个平衡点 令滤波装置达到最佳的性能价格比 是设计滤波器过程中必须予以考虑的 一个问题 2 LPF 的结构设计原则 低通滤波器阶数对通带特性 过渡带宽窄以及阻带衰耗大小影响很大 因此如何根据给 N 定的通 阻带指标 恰当地选择滤波器的阶数是首先需要考虑的问题 设计逆变器与电网连 N 接处滤波电感和滤波电容的参数按照巴特沃斯低通滤波器逼近原则统一的设计 各项给定指标 如下 1 输出电流只含有应补偿 25 次及以下的谐波电流 对于 25 次以上的谐波分量应有效 的滤除 2 通带截止频率 通带最大衰耗为 Hzfc1500 dBAp3 3 阻带截止频率 阻带最小衰耗为 Hzfr4500 dBAr23 按巴特沃斯逼近方法 首先需要确定低通滤波器的阶数 由已知条件 可得 N 归一化频率 3 c r f f 09 14110 1 0 r A 阶数 4 2 3lg 09 14lg N 取阶数阶 得到 3 阶低通滤波器归一化传递函数为 3 N 122 1 23 SSS SH 3 13 归一化参考角频率即截止角频率 将带入 3 13 式进 sradHz c 942412502 c 行反归一化可得巴特沃斯系统函数 1101222 2102 2101948 1 1 428312 SSS SH 3 14 3 14 式即为所需设计低通滤波器的实际传递函数 上面的环节我们通过给定巴特沃斯低通滤波器的性能指标求出其在逆变器中的传递函数 而巴特沃斯滤波器具体的结构和参数还要根据有源滤波器实际使用情况来制定和调整 3 LPF 参数的确定 根据巴特沃斯滤波器设计原则以及逆变器对低通滤波器的设计要求得出 LPF 的传递函数式 3 14 在接下来就要根据低通滤波器的实际结构确定其具体参数 图 3 6 为逆变器的结构示 意图 N d u A B C 1 E 2 E s u s L LC低通 滤波器 图 3 6 有源滤波器的结构示意图 18 图 3 6 中 为系统等效内电感 低通滤波器传递函数如 3 14 式所示 根据前面的 s L LC 计算 我们确定选用三阶巴特沃斯低通滤波器 那么实际的电路结构如图 3 7 所示 其中为 R 逆变环节等效电阻 N d u A B C 1 E 2 E s u s L C 1 L 2 L LC低通滤波器 s i R 图 3 7 低通滤波器的结构示意图 图 3 7 中的虚线框内为低通滤波器 电阻包括开关元件的等效电阻和电感线圈电阻 LCR 在内 考虑到系统可以认为是线性对称的 因此可以采用叠加原理进行分析 其单相谐波等效 电路如图 3 8 所示 1 L C h u LR sh i 1 L C h i L R sh i 图 3 8a 电压源等效电路 图 3 8b 电流源等效电路 图 3 8 单相谐波等效电路 图 3 8a 中 为谐波电压源 即有源滤波器逆变器输出的一系列等幅不等 s LLL 2h u 宽的方波电压 其波形频谱包括用于补偿作用的低次谐波分量和高频开关谐波 其中可以 h u 用一个电流源来等效如图 3 8b 所示 低通滤波器的作用就是把中的高频分量滤除 因此 h i h i 根据图 3 8 可以得到传递函数如下 1 1 1231 S R LL CLSS R CLL SI SI h sh 3 15 对比 3 14 式和 3 15 式可得 121 101948 1 R CLL 8 102 2 CL 19 41 101222 2 R LL 其中主要是逆变器等效内阻 这个阻值比较小 在这里我们按照经验值取其为 0 8 欧姆 R 该电阻大小可根据 IGBT 的伏安特性来确定 这样可以计算得到 HL 4 1 1042 0 HL 4 1028 1 FC 6 10174 以上数值是根据巴特沃斯低通滤波器的设计原理和逆变器的结构给出的低通滤波器参数 在实际装置中该参数还要依据现场情况和其他因素给予适当的调整和优化 调整后参数为 HL 3 1 1045 0 HL 3 1015 0 FC 6 106 3 3 实验分析和验证 3 3 1 电感支路实验 图 3 9 电感支路投入 100 输出 红色为系统电压波形 350V 格 蓝色为输出电流波形 30A 格 20 图 3 10 输出电流频谱分析结果 上图 3 8 给出的是新型混合动态无功补偿装置工作在感性额定无功功率输出时的实验波形 其中图中波形 1 为系统电压波形 波形 2 为装置输出电流波形 电压波形超前电流波形 90 度 从图中我们可以得到装置输出电流波形具有非常好的正弦度 谐波电流含量很小 对系统基本 没有影响 图 3 10 给出的是装置输出电流频谱分析柱状图 其中横坐标是各次谐波 纵坐标是基波 及各次谐波相对于基波的百分数 从 FFT 分析得到的结果中也可以清楚地得到 装置只输出无 功补偿需要的基波电流分量 电流失真度 THD 1 2 注入系统的各次谐波含量很小 3 3 2 电容支路实验 图 3 11 电容支路投入 100 输出 附注 1 红色为系统电压波形 350V 格 蓝色为输出电流波形 30A 格 21 图 3 12 输出电流频谱分析结果 上图 3 11 给出的是新型混合动态无功补偿装置工作在容性额定无功功率输出时的实验波 形 其中图中波形 1 为系统电压波形 波形 2 为装置输出电流波形 电压波形滞后电流波形 90 度 从图中我们可以得到装置输出电流波形相对于电感之路工作要差一些 图 3 12 给出的是装置输出电流频谱分析柱状图 其中横坐标是各次谐波 纵坐标是基波 及各次谐波相对于基波的百分数 从 FFT 分析得到的结果中也可以清楚地得到 装置输出无功 补偿需要的基波电流分量之外还带有额外的五 七次谐波 电流失真度也有所增加为 THD 5 2 上述谐波增加的原应是由于电容之路工作时相互之间的阻抗发生变化 使得连接系统地阻 抗变小 导致少量谐波注入系统 但其含量不是很大 可以通过优化设计逆变器的滤波器以及 改变控制策略来消除谐波 可以满足设计要求 3 3 3 逆变器输出电压实验 22 图 3 13 电容支路投入 100 50 输出突变 附注 2 红色为系统电压波形 350V 格 蓝色为逆变器输出电压波形 350V 格 图 3 14 电感支路投入 100 50 输出突变 附注 3 红色为系统电压波形 350V 格 蓝色为逆变器输出电压波形 350V 格 上图 3 13 和 3 14 给出新型混合动态无功补偿装置感性和容性二分之一容量阶越动态 实验波形 上两图中波形 1 为系统电压波形 波形 2 为装置输出电压波形 从上两图中我们可 以清楚地看到装置具有非常快速的动态响应过程 装置从满载突变二分之一容量的动态相应时 间不到 1 4 个工频周期 表明装置能够及时跟踪负荷变化 并且在装置输出容量突变过程中对 系统电压基本没有影响 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 00 20 40 60 81 图 3 15 补偿前后功率因数曲线 上图 3 15 给出的是新型混合动态无功补偿装置投运前后补偿支路功率因数变化曲线 上 图参数曲线是通过测量仪器采用 TOPAS2000 电能质量分析仪得到的 其中图中上面曲线为补偿 之后的功率因数曲线 下面的曲线给出的补偿之前的功率因数曲线 表明在装置投入之后确实 能够将补偿支路的功率因数提高到 0 95 左右 达到补偿负荷无功功率的目的 23 从上述仿真分析和实验分析表明 本新型混合动态无功补偿装置具有良好的性能 在设计 容量范围能能够精确的补偿负荷无功 从而保证补偿支路的功率因数接近为 1 给企业带来巨 大的经济效益 并大大减小电力系统传输线路中的损耗 提高低压配电系统运行的效率和可靠 性 四 总结 我们研究的新型混合动态无功补偿器主电路拓扑结构 既能实现发出无功 也能吸收无功 且与传统 SVC 相比不需要低通滤波器 与 STATCOM 相比具有器件承受电压应力小 工作容量小 的特点 其控制策略简单易行 在 PSCAD EMTDC 仿真环境下 建立了系统仿真模型