基于瞬时功率理论的电力无功补偿方法

基于瞬时功率理论的电力无功补偿方法

1无功补偿方式和设备的不足无功率是影响电压稳定的重要因素。这关系到整个电气系统是否安全稳定运行。随着技术的不断进步,各种电器设备工作时所需要的无功功率不断增大,并且无功功率在电力网络中的分布越来越复杂。因此对无功补偿的要求也越来越高,许多现有的无功补偿方式和设备不能适应发展的需要。本文介绍了一种以瞬时功率理论为基础的电网无功补偿方法,这是一种实时计算、动态补偿的方法,它能随着负荷的变化而变化,具有良好的性能和补偿效果。2稳定性条件根据瞬时功率理论(P-Q理论),三相坐标系的a轴与两相坐标系的α轴重合,三相坐标系中的各个向量投影到α轴和β轴,分别对α轴和β轴上的投影求和,即可将abc三相坐标系转变为α-β两相坐标系,如图1所示。基于瞬时功率理论的无功电流推导如下:[uαuβ]=√23[1-12-120√32-√32][uaubuc]=C32[uaubuc](1)[uαuβ]=23√[10−123√2−12−3√2]⎡⎣⎢uaubuc⎤⎦⎥=C32⎡⎣⎢uaubuc⎤⎦⎥(1)[iαiβ]=√23[1-12-120√32-√32][iaibic]=C32[iaibic](2)[iαiβ]=23√[10−123√2−12−3√2]⎡⎣⎢iaibic⎤⎦⎥=C32⎡⎣⎢iaibic⎤⎦⎥(2)在α-β坐标系中,瞬时功率可以表示为:[pq]=[uαuβ-uβuα][iαiβ](2)[pq]=[uα−uβuβuα][iαiβ](2)变换得:[iαiβ]=[uαuβ-uβuα]-1[pq]=[uαuβ-uβuα]-1[p0]+[uαuβ-uβuα]-1[0q](4)=[iαpiβp]+[iαqiβq][iαiβ]=[uα−uβuβuα]−1[pq]=[uα−uβuβuα]−1[p0]+[uα−uβuβuα]−1[0q](4)=[iαpiβp]+[iαqiβq]则无功电流分量为:[iαqiβq]=[uαuβ-uβuα]-1[0q](5)[iαqiβq]=[uα−uβuβuα]−1[0q](5)其中iαq=-uβu2α+u2βq(6)iβq=-uαu2α+u2βq(7)iαq=−uβu2α+u2βq(6)iβq=−uαu2α+u2βq(7)式中iαq,iβq——α-β两相坐标系中α轴和β轴上的无功电流分量。再通过从α-β坐标到abc三相坐标的转换,即可得到abc三相坐标下各相的无功电流分量:[iaqibqicq]=√23[10-12√32-12√32][iαqiβq]=C23[iαqiβq](8)⎡⎣⎢iaqibqicq⎤⎦⎥=23√⎡⎣⎢⎢⎢1−12−1203√23√2⎤⎦⎥⎥⎥[iαqiβq]=C23[iαqiβq](8)图2为基于瞬时功率理论的无功电流实时检测原理图。图中,检测计算得到α-β坐标下的无功分量电流i*αq,i*βq经式(8)转变成abc三相坐标的无功电流分量i*aq,i*bq,i*cq(即无功补偿时的指令电流信号i*a,i*b,i*c)。3滞环比较器输出控制功率开关器件通断以瞬时功率理论为基础的无功补偿器采用滞环比较控制方式的电流跟踪型脉宽调制(PWM)控制,将所要求输出的波形作为指令信号,把实际输出的信号作为反馈信号,通过对两个信号值进行比较,控制功率开关器件的通断,使实际输出跟踪指令信号,如图3所示。图中,指令电流信号i*a,i*b,i*c与实际输出电流信号ia,ib,ic之差,经偏差送入滞环比较器,通过滞环比较器的输出控制功率开关器件的导通与关断。当VT1,VT3,VT5导通时,ia,ib,ic增大;当VT2,VT4,VT6导通时,ia,ib,ic减小。4无功补偿器基础仿真本文采用离线电磁暂态仿真计算软件PSCAD/EMTDC对以瞬时功率理论为基础的无功补偿器进行了仿真研究。仿真分析所采用的典型交流系统模型见图4。图中,三相电源的相电压为0.2kV,频率f=50Hz,变比k=2,直流侧电容为600μF,滤波电容为10μF,滤波电感为0.2μH。4.1电源电压ua与负荷电流ia两波形的关系系统未装设补偿装置时,电源电压与电流波形如图5。从图5可以看出,由于负载是典型的感性负载,所以电源电压Ua与负荷电流Ia两波形在相位上存在明显的偏差,系统的功率因数较低。4.2电源电压与负载电流间的匹配系统装设补偿装置后,电源侧电压Ua与电源侧电流Ias波形如图6。从图5和图6可以看出,由于感性负载的存在,电源电压与负载电流之间存在相位差,功率因数较低,但是通过进行瞬时无功补偿,负荷侧需要的无功功率由静止无功发生器提供,电源侧基本不提供无功功率,所以补偿后电源电压与电源侧电流波形相位基本相同,功率因数得到很大的提高。这说明基于瞬时功率理论的动态无功补偿装置起到了明显的作用,实时地提供了负载需要的无功功率。4.3基于在一定程度上的体现考虑电源电压畸变时,电压与电源侧电流的波形如图7。由图7可以看出,当电源电压含有谐波分量而波形发生畸变时,电流波形也在一定程度上发生畸变,而基于瞬时无功理论的静止无功发生器对于功率的变化响应非常快,它的瞬时无功电流检测环节中不存在延时现象,能检测到瞬时无功电流中的基波和谐波分量,能将指令电流瞬时补偿回主电路,因而电源电压有无畸变对无功补偿的效果没有明显的影响,补偿后电源电压与电源侧电流的相位基本相同,即能得到准确的无功分量电流。4.4负载不平衡问题考虑三相负载不对称时,电源侧瞬时无功Qs与负载侧瞬时无功Ql的波形如图8。由图8可以知道,在三相负载不平衡的情况下,使用基于瞬时无功理论的静止无功发生器进行无功补偿,依然能获得良好的效果。尤其是从电源侧与负载侧瞬时无功的波形图中能更加清楚的看到这一点:在负荷侧需要一定的无功功率,通过补偿装置对这部分无功进行