新型混合動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器

1、新型混合動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器設(shè)計(jì)者:張敏,徐然,邊文浩,韓偲彬,汪競(jìng)之,王靜指導(dǎo)教師:尹忠東摘要 現(xiàn)配電系統(tǒng)中普遍存在的無(wú)功不足、功率因數(shù)過(guò)低等問(wèn)題，由于系統(tǒng)中存在消耗無(wú)功功率的電氣設(shè)備，在配電網(wǎng)絡(luò)中,用戶消耗的無(wú)功功率約占50% ,其余的則消耗在配電網(wǎng)中。因此，為了減少無(wú)功功率在網(wǎng)絡(luò)中的輸送，在配電網(wǎng)絡(luò)中分散的負(fù)荷區(qū)進(jìn)行無(wú)功就地補(bǔ)償，則可大大提高系統(tǒng)功率因數(shù)，減少線路損耗，降低能耗，提高設(shè)備利用率。通過(guò)分析可知，現(xiàn)有的無(wú)功補(bǔ)償裝置均有各自的缺點(diǎn)，因此在此基礎(chǔ)上提出了一種全新的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)，有別于常規(guī)的SVC，而是采用固定電容器或者電抗器串聯(lián)逆變器的結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓，改變固定電容器

2、上的電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)系統(tǒng)無(wú)功的目的。以系統(tǒng)無(wú)功最小為控制目標(biāo)設(shè)計(jì)控制算法，通過(guò)選擇逆變器元件參數(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。利用PSCAD仿真軟件建立仿真模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，對(duì)系統(tǒng)各部分提供無(wú)功曲線，補(bǔ)償裝置輸出的無(wú)功功率、電壓、電流波形曲線及頻譜圖進(jìn)行分析可知此補(bǔ)償裝置無(wú)需低通濾波器，注入系統(tǒng)的諧波含量很小，電流失真度小，動(dòng)態(tài)性能好，逆變器裝置容量小，且在設(shè)計(jì)容量范圍內(nèi)能精確的發(fā)出或吸收無(wú)功，將補(bǔ)償支路的功率因數(shù)提高到0.95 左右。通過(guò)設(shè)計(jì)和制作原理樣機(jī)并掛網(wǎng)運(yùn)行，可知該無(wú)功補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有一定的實(shí)用價(jià)值和可推廣性。關(guān)鍵詞 無(wú)功補(bǔ)償，功率因數(shù)，逆變器，動(dòng)態(tài)性能一、概述在現(xiàn)代用電企業(yè)中，在數(shù)量眾多、容

3、量大小不等的感性設(shè)備連接于電力系統(tǒng)中，以致電網(wǎng)傳輸功率除有功功率外，還需無(wú)功功率。如自然平均功率因數(shù)在0.700. 85之間。企業(yè)消耗電網(wǎng)的無(wú)功功率約占消耗有功功率的60%90% ，如果把功率因數(shù)提高到0. 95左右，則無(wú)功消耗只占有功消耗的30%左右。由于減少了電網(wǎng)無(wú)功功率的輸入，會(huì)給用電企業(yè)帶來(lái)效益。（1）節(jié)省企業(yè)電費(fèi)開(kāi)支提高功率因數(shù)對(duì)企業(yè)的直接經(jīng)濟(jì)效益是明顯的，因?yàn)閲?guó)家電價(jià)制度中，從合理利用有限電能出發(fā)，對(duì)不同企業(yè)的功率因數(shù)規(guī)定了要求達(dá)到的不同數(shù)值，低于規(guī)定的數(shù)值，需要多收電費(fèi)，高于規(guī)定數(shù)值，可相應(yīng)地減少電費(fèi)?？梢?jiàn)，提高功率因數(shù)對(duì)企業(yè)有著重要的經(jīng)濟(jì)意義。（2）提高設(shè)備的利用率對(duì)于原有供電

4、設(shè)備來(lái)講，在同樣有功功率下，因功率因數(shù)的提高，負(fù)荷電流減少，因此向負(fù)荷傳送功率所經(jīng)過(guò)的變壓器、開(kāi)關(guān)和導(dǎo)線等供配電設(shè)備都增加了功率儲(chǔ)備，從而滿足了負(fù)荷增長(zhǎng)的需要;如果原網(wǎng)絡(luò)已趨于過(guò)載，由于功率因數(shù)的提高，輸送無(wú)功電流的減少，使系統(tǒng)不至于過(guò)載運(yùn)行，從而發(fā)揮原有設(shè)備的潛力；對(duì)尚處于設(shè)計(jì)階段的新建企業(yè)來(lái)說(shuō)則能降低設(shè)備容量，減少投資費(fèi)用，在一定條件下，改善后的功率因數(shù)可以使所選變壓器容量降低。因此，使用無(wú)功補(bǔ)償不但減少初次投資費(fèi)用，而且減少了運(yùn)行后的基本電費(fèi)。（3）降低系統(tǒng)的能耗由于負(fù)荷無(wú)功得到就地補(bǔ)償，提高系統(tǒng)功率因數(shù)，使得傳輸線上的電流大大減小，系統(tǒng)只需要提供有功電流而不需要提供無(wú)功電流，線損得到降

5、低，提高傳輸效率。二、系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理2.1 方案選擇對(duì)目前應(yīng)用較多的幾種無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行相互比較分析，從而提出一種新穎的混合動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償思路。2.1.1 固定電容器補(bǔ)償并聯(lián)電容器是目前最主要的無(wú)功補(bǔ)償方法。其主要特點(diǎn)是價(jià)格低，效率高，運(yùn)行成本低，在保護(hù)完善的情況下可靠性也很高。在高壓及中壓系統(tǒng)中主要使用固定連接的并聯(lián)電容器組，而在低壓配電系統(tǒng)中則主要使用自動(dòng)控制電容器投切的自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償裝置。自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)則多種多樣形形色色，適用于各種不同的負(fù)荷情況。并聯(lián)電容器的最主要缺點(diǎn)是其對(duì)諧波的敏感性。當(dāng)電網(wǎng)中含有諧波時(shí)，電容器的電流會(huì)急劇增大，還會(huì)與電網(wǎng)中的感性元件諧振使諧波放大。同時(shí)收到自

6、動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作速度和次數(shù)的限制，固定電容器補(bǔ)償不能迅速跟蹤符合無(wú)功的變化，動(dòng)態(tài)性能較差。另外，并聯(lián)電容器屬于恒阻抗元件，在電網(wǎng)電壓下降時(shí)其輸出的無(wú)功電流也下降，因此不利于電網(wǎng)的無(wú)功安全。2.1.2 SVC補(bǔ)償SVC的全稱是靜止式無(wú)功補(bǔ)償裝置，靜止兩個(gè)字是與同步調(diào)相機(jī)的旋轉(zhuǎn)相對(duì)應(yīng)的。國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議將SVC定義為7個(gè)子類：機(jī)械投切電容器（MSC）機(jī)械投切電抗器（MSR）自飽和電抗器（SR）晶閘管控制電抗器（TCR）晶閘管投切電容器（TSC）晶閘管投切電抗器（TSR）自換向或電網(wǎng)換向轉(zhuǎn)換器（SCC/LCC）根據(jù)以上這些子類，我們可以看出：除調(diào)相機(jī)之外，用電感或電容進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)难b置幾乎均被定義SVC。目

7、前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上被宣傳為SVC的產(chǎn)品主要是晶閘管控制電抗器（TCR）和晶閘管投切電容器（TSC）。TCR的基本結(jié)構(gòu)包括一組固定并聯(lián)連接在線路中的電容器和一組并聯(lián)連接在線路中用晶閘管控制的電抗器，通常將電抗器的容量設(shè)計(jì)成與電容器一樣。由于電抗器是用晶閘管控制的，其感性無(wú)功電流可以變化。當(dāng)晶閘管關(guān)斷時(shí)，電抗器沒(méi)有電流，而電容器固定連接，因此整套裝置的補(bǔ)償量最大。當(dāng)調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角時(shí)，電抗器的感性電流就會(huì)抵消一部分電容器電流，因此補(bǔ)償量減少，導(dǎo)通角越大，電抗器的電流越大，補(bǔ)償量就越小。當(dāng)晶閘管全通時(shí)，電抗器電流就會(huì)將電容器電流全部抵消，此時(shí)補(bǔ)償量為0。在TCR中，當(dāng)晶閘管的導(dǎo)通角小于90°時(shí)

8、，電抗器的電流非正弦含有諧波成分，因此必須將固定電容器組設(shè)計(jì)成濾波器形式或者配備另外的濾波器。綜上所述，可以看出TCR的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，損耗大。但其具有補(bǔ)償量連續(xù)可調(diào)的特點(diǎn)，在高壓系統(tǒng)中還有應(yīng)用。2.1.3 STATCOMSTATCOM是一種使用IGBT、GTO、或者SIT等全控型高速電力電子器件作為開(kāi)關(guān)控制電流的裝置。 其基本工作原理是：通過(guò)對(duì)系統(tǒng)電參數(shù)的檢測(cè)，預(yù)測(cè)出一個(gè)與電源電壓同相位的幅度適當(dāng)?shù)恼译娏鞑ㄐ巍．?dāng)系統(tǒng)瞬時(shí)電流大于預(yù)測(cè)電流的時(shí)候，STATCOM將大于預(yù)測(cè)電流的部分吸收進(jìn)來(lái)，儲(chǔ)存在內(nèi)部的儲(chǔ)能電容器中。當(dāng)系統(tǒng)瞬時(shí)電流小于預(yù)測(cè)電流的時(shí)候，STATCOM將儲(chǔ)存在電容器中的能量釋放

9、出來(lái)，填補(bǔ)小于預(yù)測(cè)電流的部分，從而使得補(bǔ)償后的電流變成與電壓同相位的正弦波。根據(jù)STATCOM的工作原理，理論上STATCOM可以實(shí)現(xiàn)真正的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，不僅可以應(yīng)用在感性負(fù)荷場(chǎng)合，還可以應(yīng)用在容性負(fù)荷的場(chǎng)合。并且可以進(jìn)行諧波濾除，起到濾波器的作用。但是實(shí)際的STATCOM由于技術(shù)的原因不可能達(dá)到理論要求，而且由于開(kāi)關(guān)操作頻率不夠高等原因，還會(huì)向電網(wǎng)輸出諧波。STATCOM的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，價(jià)格昂貴，可靠性差，損耗大，目前仍處于研究試用階段，沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。2.1.4 新型混合動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置通過(guò)前文所分析的三種補(bǔ)償裝置都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上提出了一種全新的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)，有別于常規(guī)的SV

10、C，而是采用固定電容器或者電抗器串聯(lián)逆變器的結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓，改變固定電容器上的電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)系統(tǒng)無(wú)功的目的，該補(bǔ)償裝置具有動(dòng)態(tài)性能好，逆變器裝置容量小等特點(diǎn)。新型混合動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)框圖如下圖2-1所示，圖2-2為新型混合動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器主電路圖。圖2.1 新型混合動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)框圖圖2-2 新型無(wú)功補(bǔ)償器電路圖2.2 仿真模型的建立利用PSCAD電力系統(tǒng)仿真軟件建立仿真模型。2.2.1 主電路仿真模型的建立圖2-7 三相三橋臂仿真模型主電路圖2-8 三相四橋臂仿真模型主電路2.2.2 控制電路仿真模型的建立圖2-9 三相電壓鎖相環(huán)節(jié)圖2-10 A相同步電壓產(chǎn)生環(huán)節(jié)圖2

11、-11 利用DQ及無(wú)功檢測(cè)環(huán)節(jié)圖2-12 指令電壓產(chǎn)生環(huán)節(jié)圖2-13 SPWM交截及生成死區(qū)環(huán)節(jié)圖2-14 電壓電流FFT變換環(huán)節(jié)2.3 控制算法的分析和研究采用的控制算法是以系統(tǒng)無(wú)功最小為控制目標(biāo)，控制系統(tǒng)框圖如下圖2-15所示。圖2-15 電壓指令產(chǎn)生控制框圖根據(jù)系統(tǒng)、新型混合動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置及負(fù)荷間的無(wú)功功率平衡關(guān)系為：為系統(tǒng)提供的無(wú)功，為新型混合動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置提供的無(wú)功，為固定電容器補(bǔ)償無(wú)功，為負(fù)荷需要的無(wú)功，我們的控制目標(biāo)是使系統(tǒng)向負(fù)荷提供的無(wú)功為0，負(fù)荷所需無(wú)功全部由新型混合動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置來(lái)補(bǔ)償。以為控制量，給定值設(shè)為0，形成閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，最終使穩(wěn)定為0，此時(shí) 裝置投入運(yùn)行

12、后，逆變器輸出電壓、與母線電壓、相位相同，裝置向負(fù)荷補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功主要由電容產(chǎn)生。其大小為：根據(jù)上式就可以得到逆變器輸出電壓信號(hào)幅值大小具體控制過(guò)程為：（a）首先采集母線三相電壓信號(hào)和電流信號(hào)，用瞬時(shí)無(wú)功功率理論計(jì)算出。 （2-1） （2-2） （2-3）（b）與給定值0的差送入PI調(diào)節(jié)器中進(jìn)行運(yùn)算得到需要補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功量。（c）由計(jì)算補(bǔ)償電容上需要的電壓。（d）母線電壓減去得到逆變器輸出電壓，再根據(jù)鎖相環(huán)得到的逆變器輸出電壓相位信息，通過(guò)SPWM控制得到IGBT的觸發(fā)脈沖信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無(wú)功閉環(huán)控制。2.4 仿真結(jié)果及分析a、仿真條件：新型混合動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置輸出容性無(wú)功。給出系統(tǒng)仿真時(shí)域波形圖以

13、及頻域波形圖： 圖2-16 系統(tǒng)各部分無(wú)功曲線 圖2-16中的波形一次分別為QLoad負(fù)荷需要的無(wú)功、QFC固定電容器輸出無(wú)功、Qsvc新型混合動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置輸出的無(wú)功和Qsys系統(tǒng)提供的無(wú)功，由圖2-16我們可以知道，裝置投入運(yùn)行之后，系統(tǒng)提供的無(wú)功基本等于零，負(fù)荷需要的無(wú)功完全由固定補(bǔ)償電容器和新型無(wú)功補(bǔ)償裝置提供，實(shí)現(xiàn)了無(wú)功補(bǔ)償?shù)墓δ堋D2-17 系統(tǒng)提供無(wú)功功率圖2-17給出的是系統(tǒng)提供無(wú)功的放大圖，從上圖我們可以清楚的看到，無(wú)功波動(dòng)的范圍在以內(nèi)，可以認(rèn)為系統(tǒng)提供的無(wú)功基本為零，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)提供最小無(wú)功的控制目的。 圖2-18 補(bǔ)償裝置輸出無(wú)功圖2-18給出的是新型無(wú)功補(bǔ)償輸出無(wú)功放大

14、波形，知道新型無(wú)功補(bǔ)償裝置提供的無(wú)功功率為左右。b、仿真條件：新型混合動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置輸出感性無(wú)功。下面給出系統(tǒng)仿真時(shí)域波形圖以及頻域波形圖： 圖2-19 系統(tǒng)各部分無(wú)功曲線 圖2-19中的波形一次分別為QLoad負(fù)荷需要的無(wú)功、QFC固定電容器輸出無(wú)功、Qsvc新型無(wú)功補(bǔ)償裝置輸出的無(wú)功和Qsys系統(tǒng)提供的無(wú)功，由圖2-19我們可以知道，裝置投入運(yùn)行之后，系統(tǒng)提供的無(wú)功基本等于零，負(fù)荷需要的無(wú)功完全由固定補(bǔ)償電容器和新型無(wú)功補(bǔ)償裝置提供，實(shí)現(xiàn)了無(wú)功補(bǔ)償?shù)墓δ堋D2-20 系統(tǒng)提供無(wú)功功率圖2-20給出的是系統(tǒng)提供無(wú)功的放大圖，從上圖我們可以清楚的看到，無(wú)功波動(dòng)的范圍在以內(nèi)，可以認(rèn)為系統(tǒng)提供的

15、無(wú)功基本為零，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)提供最小無(wú)功的控制目的。 圖2-21 補(bǔ)償裝置輸出無(wú)功圖2-21給出的是新型無(wú)功補(bǔ)償輸出無(wú)功放大波形，知道新型無(wú)功補(bǔ)償裝置提供的無(wú)功功率為左右。圖2-22 新型混合動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置輸出電流波形圖2-23 新型混合動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置輸出電流頻譜圖2-22和圖2-23分別給出了裝置輸出的補(bǔ)償電流時(shí)域波形圖和頻譜分析圖，從上兩圖可以得到，補(bǔ)償電流波形非常好，電流失真度THD小于3%，幾乎不會(huì)給系統(tǒng)注入諧波電流。由上面的理論分析和仿真分析可以得到，本課題所研究的新型SVC裝置能夠很好的實(shí)現(xiàn)負(fù)荷無(wú)功得補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無(wú)功的最優(yōu)控制，大大降低系統(tǒng)能耗，提高設(shè)備的利用率和傳輸效率，在補(bǔ)償

16、負(fù)荷無(wú)功的同時(shí)并沒(méi)有給系統(tǒng)注入諧波電流，因而本SVC裝置無(wú)需外加濾波器就能很好的滿足各項(xiàng)指標(biāo)的要求。- 23 -三、系統(tǒng)特性及功能實(shí)現(xiàn)3.1 逆變器容量的確定根據(jù)裝置設(shè)計(jì)補(bǔ)償容量為，則逆變器的主電路設(shè)計(jì)容量也必須大于等于，并作為主電路各主要器件的選型依據(jù)。當(dāng)負(fù)荷需補(bǔ)償無(wú)功超過(guò)設(shè)計(jì)容量，再算法中需考慮容量限制，防止裝置長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載?？紤]容量限制后，逆變器參考電流無(wú)功檢測(cè)的框圖如下。圖3-1 考慮容量限制逆變器參考電流檢測(cè)框圖3.2 功率單元主電路設(shè)計(jì)考慮中線電流補(bǔ)償要求，電路如圖3-1所示。圖3-2 單相主電路結(jié)構(gòu)示意圖在功率單元設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵的在于電力電子器件的選型及散熱設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)已知條件：l 裝

17、置總?cè)萘?；l 功率單元輸出額定電壓為；l 功率單元直流側(cè)額定電壓為；l 設(shè)定最高開(kāi)關(guān)頻率。1 串聯(lián)功率單元數(shù)(3-1)式中為逆變器所接入的系統(tǒng)電壓等級(jí)。以上的計(jì)算只考慮了逆變器承受基波下的要求，由于逆變器在補(bǔ)償時(shí)需要發(fā)出相應(yīng)的補(bǔ)償電壓，因此為防止調(diào)制過(guò)程的越限，在設(shè)計(jì)串聯(lián)數(shù)要留有足夠的裕量。2 逆變器輸出電流(3-2)3 逆變器直流側(cè)電壓功率單元采用單相半橋構(gòu)成的三相四橋臂，根據(jù)PWM調(diào)制規(guī)律直流電壓可計(jì)算如下(3-3)其中1.1為直流電壓裕量系數(shù)，1.15為注入零序次諧波后直流電壓利用率提高系數(shù)。由于諧波補(bǔ)償?shù)囊?，直流電壓要盡可能留有裕量。因此通常在滿足式(3-3)的前提下，盡可能將充分利

18、用功率器件的耐壓水平。因此，當(dāng)選擇額定電壓為1700V的IGBT管時(shí)，直流電壓可選擇為1000V。IGBT的型號(hào)選擇好后還必須根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況對(duì)其安全工作區(qū)(SOA)進(jìn)行驗(yàn)證。其詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)參考資料。散熱器選型計(jì)算散熱器必須為逆變電路提供良好的散熱條件，因此散熱器的選型非常關(guān)鍵。其選擇主要根據(jù)其電路損耗功率來(lái)定，但I(xiàn)GBT在PWM調(diào)制方式下，開(kāi)關(guān)過(guò)程比較復(fù)雜，很難精確的計(jì)算各種損耗。工程中通常按照經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算IGBT損耗功率。 在逆變器主電路中，功率器件工作在高頻狀態(tài)，器件的開(kāi)關(guān)損耗占全部損耗的絕大部分。一般廠家會(huì)給出各種典型參數(shù)方便計(jì)算。IGBT模塊的開(kāi)關(guān)損耗計(jì)算如下：(3-4)其中：、根據(jù)

19、實(shí)際運(yùn)行的工況從參考資料中的相應(yīng)曲線查出。按照以上計(jì)算結(jié)果根據(jù)下式可計(jì)算得到選擇散熱器的熱阻為：(3-5)其中：IGBT允許的最大結(jié)溫；環(huán)境溫度；損耗功率。直流電容容量計(jì)算由于功率單元采用隔離變壓器串聯(lián)，功率單元直流側(cè)可以共用直流電容。直流電容的作用是穩(wěn)定電壓，理論上電容值越大越有利于電壓的穩(wěn)定，但大電容成本高，體積大，不利于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。工程實(shí)踐中確定電容量的主要依據(jù)是直流電壓的低頻脈動(dòng)率。所需濾波電容量可按工程經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:(3-6)式中I為逆變器的額定輸出電流有效值，為直流電壓平均值，為逆變器的最低輸出頻率，為允許的直流電壓波動(dòng)峰值的紋波因數(shù)，是裕量系數(shù)。 連接電抗器設(shè)計(jì)連接電抗器一方面將功

20、率單元與電網(wǎng)隔離，另一方面其漏感可以濾除逆變器輸出電壓中開(kāi)關(guān)次諧波。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，可以將級(jí)聯(lián)型逆變器等效為一個(gè)三相橋式逆變器。如圖3-2所示，此時(shí)變壓器等效為一個(gè)連接電感，起到低通濾波器（LPF）的作用，LPF對(duì)于逆變器的性能具有決定性的影響。在LPF的參數(shù)確定前，可以把逆變器與系統(tǒng)相連的部分看成是一個(gè)黑匣子，從而可以根據(jù)巴特沃斯濾波器設(shè)計(jì)原則進(jìn)行確定漏感參數(shù)。圖3-3 并聯(lián)型逆變器與電網(wǎng)連接的基本結(jié)構(gòu)1）巴特沃斯低通濾波器的設(shè)計(jì)按給定的指標(biāo)設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器，重點(diǎn)是尋找一個(gè)恰當(dāng)?shù)慕坪瘮?shù)來(lái)逼近理想特性。這種基于不同類似近似函數(shù)的綜合方法，長(zhǎng)期以來(lái)得到廣泛應(yīng)用的已有許多，其中具有優(yōu)良性能的

21、濾波器，如巴特沃斯、切比雪夫和橢圓濾波器。而在這三種濾波器當(dāng)中，巴特沃斯濾波器在線形相位、衰減斜率和加載特性三個(gè)方面具有特性均衡的優(yōu)點(diǎn)。特別是隨著階數(shù)的增加，濾波器的衰減斜率會(huì)逐步增加，而且具有“最大平坦”的特性。因此在實(shí)際使用中，巴特沃斯濾波器被列為首選。圖3-4 巴特沃斯低通濾波器的幅度平方頻率響應(yīng)所謂巴特沃斯濾波器就是以巴特沃斯近似函數(shù)作為濾波器的系統(tǒng)函數(shù)，該函數(shù)以最高階泰勒級(jí)數(shù)的形式來(lái)逼近理想矩形特性，式(3-7)即為其通用模方函數(shù)表達(dá)式：， N=1，2，3- (3-7)可見(jiàn)，它的分子等于常數(shù)，分母是的多項(xiàng)式，是一個(gè)正實(shí)常數(shù)，由它導(dǎo)出的系統(tǒng)函數(shù)在物理上是可以實(shí)現(xiàn)的。式中N表示濾波器的階

22、數(shù)是正整數(shù)，為截止頻率，為與通帶衰耗有關(guān)的參數(shù)，為與阻帶衰耗有關(guān)的參數(shù)，如圖3-4所示，圖中是截止頻率，也是通帶的邊界頻率，是阻帶的邊界頻率，所以有：通帶： (3-8)阻帶： (3-9)當(dāng)則濾波特性趨近于理想的矩形。顯然，參數(shù)與主要取決于設(shè)計(jì)指標(biāo)容限范圍。若指標(biāo)規(guī)定在通帶邊界頻率，通帶允許的最大衰耗為，則根據(jù)式(3-9)有：， ， 故得(3-10)對(duì)于巴特沃斯濾波器，通常取帶寬作為截止頻率，所以。若規(guī)定在帶阻邊界頻率，帶阻允許的最小衰耗為，則根據(jù)式(3-10)有： 故得 (3-11) 圖3-5 歸一化巴特沃斯低通濾波器的幅度特性曲線巴特沃斯低通濾波器在設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了通用性，模方函數(shù)往往用歸一

23、化形式表示，其中為歸一化頻率，則式(3-11)改寫(xiě)成：(3-12)從上圖3-5可以看出，歸一化模方函數(shù)其幅度隨著N的增加，通帶愈益平坦，愈接近理想特性，當(dāng)則逼近矩形。當(dāng)然在實(shí)際的濾波器設(shè)計(jì)中，一方面要考慮濾波器的濾波特性，另一方面也需考慮隨著濾波器階數(shù)增加，實(shí)際濾波裝置的成本也將隨之增加。所以在性能和成本間取一個(gè)平衡點(diǎn)，令濾波裝置達(dá)到最佳的性能價(jià)格比，是設(shè)計(jì)濾波器過(guò)程中必須予以考慮的一個(gè)問(wèn)題。2）LPF的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則低通濾波器階數(shù)對(duì)通帶特性，過(guò)渡帶寬窄以及阻帶衰耗大小影響很大。因此如何根據(jù)給定的通、阻帶指標(biāo)，恰當(dāng)?shù)剡x擇濾波器的階數(shù)是首先需要考慮的問(wèn)題。設(shè)計(jì)逆變器與電網(wǎng)連接處濾波電感和濾波電容的

24、參數(shù)按照巴特沃斯低通濾波器逼近原則統(tǒng)一的設(shè)計(jì)，各項(xiàng)給定指標(biāo)如下：（1）輸出電流只含有應(yīng)補(bǔ)償25次及以下的諧波電流，對(duì)于25次以上的諧波分量應(yīng)有效的濾除；（2）通帶截止頻率，通帶最大衰耗為；（3）阻帶截止頻率，阻帶最小衰耗為。按巴特沃斯逼近方法，首先需要確定低通濾波器的階數(shù)。由已知條件，可得： 歸一化頻率： 階數(shù)：取階數(shù)階。得到3階低通濾波器歸一化傳遞函數(shù)為：(3-13)歸一化參考角頻率即截止角頻率，將帶入(3-13)式進(jìn)行反歸一化可得巴特沃斯系統(tǒng)函數(shù)：(3-14)(3-14)式即為所需設(shè)計(jì)低通濾波器的實(shí)際傳遞函數(shù)。上面的環(huán)節(jié)我們通過(guò)給定巴特沃斯低通濾波器的性能指標(biāo)求出其在逆變器中的傳遞函數(shù)，而

25、巴特沃斯濾波器具體的結(jié)構(gòu)和參數(shù)還要根據(jù)有源濾波器實(shí)際使用情況來(lái)制定和調(diào)整。3）LPF參數(shù)的確定根據(jù)巴特沃斯濾波器設(shè)計(jì)原則以及逆變器對(duì)低通濾波器的設(shè)計(jì)要求得出LPF的傳遞函數(shù)式(3-14)，在接下來(lái)就要根據(jù)低通濾波器的實(shí)際結(jié)構(gòu)確定其具體參數(shù)。圖3-6為逆變器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3-6 有源濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖圖3-6中，為系統(tǒng)等效內(nèi)電感；低通濾波器傳遞函數(shù)如(3-14)式所示。根據(jù)前面的計(jì)算，我們確定選用三階巴特沃斯低通濾波器，那么實(shí)際的電路結(jié)構(gòu)如圖3-7所示，其中為逆變環(huán)節(jié)等效電阻。圖3-7 低通濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖圖3-7中的虛線框內(nèi)為低通濾波器，電阻包括開(kāi)關(guān)元件的等效電阻和電感線圈電阻在內(nèi)。考慮到

26、系統(tǒng)可以認(rèn)為是線性對(duì)稱的，因此可以采用疊加原理進(jìn)行分析，其單相諧波等效電路如圖3-8所示。 圖3-8a電壓源等效電路 圖3-8b電流源等效電路圖3-8 單相諧波等效電路圖3-8a中，為諧波電壓源，即有源濾波器逆變器輸出的一系列等幅不等寬的方波電壓，其波形頻譜包括用于補(bǔ)償作用的低次諧波分量和高頻開(kāi)關(guān)諧波。其中可以用一個(gè)電流源來(lái)等效如圖3-8b所示。低通濾波器的作用就是把中的高頻分量濾除，因此根據(jù)圖3-8可以得到傳遞函數(shù)如下：(3-15)對(duì)比（3-14)式和（3-15)式可得：其中主要是逆變器等效內(nèi)阻，這個(gè)阻值比較小，在這里我們按照經(jīng)驗(yàn)值取其為0.8歐姆(該電阻大小可根據(jù)IGBT的伏安特性來(lái)確定)

27、，這樣可以計(jì)算得到：，以上數(shù)值是根據(jù)巴特沃斯低通濾波器的設(shè)計(jì)原理和逆變器的結(jié)構(gòu)給出的低通濾波器參數(shù)，在實(shí)際裝置中該參數(shù)還要依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和其他因素給予適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和優(yōu)化。調(diào)整后參數(shù)為，3.3 實(shí)驗(yàn)分析和驗(yàn)證3.3.1 電感支路實(shí)驗(yàn)圖3-9 電感支路投入100輸出 (紅色為系統(tǒng)電壓波形350V/格，藍(lán)色為輸出電流波形30A/格)圖3-10 輸出電流頻譜分析結(jié)果上圖3-8給出的是新型混合動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置工作在感性額定無(wú)功功率輸出時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形，其中圖中波形1為系統(tǒng)電壓波形，波形2為裝置輸出電流波形，電壓波形超前電流波形90度，從圖中我們可以得到裝置輸出電流波形具有非常好的正弦度，諧波電流含量很小，對(duì)系統(tǒng)

28、基本沒(méi)有影響。圖3-10給出的是裝置輸出電流頻譜分析柱狀圖，其中橫坐標(biāo)是各次諧波，縱坐標(biāo)是基波及各次諧波相對(duì)于基波的百分?jǐn)?shù)，從FFT分析得到的結(jié)果中也可以清楚地得到，裝置只輸出無(wú)功補(bǔ)償需要的基波電流分量，電流失真度THD=1.2% ，注入系統(tǒng)的各次諧波含量很小。3.3.2電容支路實(shí)驗(yàn)圖3-11 電容支路投入100輸出 附注1：紅色為系統(tǒng)電壓波形350V/格，藍(lán)色為輸出電流波形30A/格圖3-12 輸出電流頻譜分析結(jié)果上圖3-11給出的是新型混合動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置工作在容性額定無(wú)功功率輸出時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形，其中圖中波形1為系統(tǒng)電壓波形，波形2為裝置輸出電流波形，電壓波形滯后電流波形90度，從圖中我們可

29、以得到裝置輸出電流波形相對(duì)于電感之路工作要差一些。 圖3-12給出的是裝置輸出電流頻譜分析柱狀圖，其中橫坐標(biāo)是各次諧波，縱坐標(biāo)是基波及各次諧波相對(duì)于基波的百分?jǐn)?shù)，從FFT分析得到的結(jié)果中也可以清楚地得到，裝置輸出無(wú)功補(bǔ)償需要的基波電流分量之外還帶有額外的五、七次諧波，電流失真度也有所增加為T(mén)HD=5.2%。上述諧波增加的原應(yīng)是由于電容之路工作時(shí)相互之間的阻抗發(fā)生變化，使得連接系統(tǒng)地阻抗變小，導(dǎo)致少量諧波注入系統(tǒng)，但其含量不是很大，可以通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)逆變器的濾波器以及改變控制策略來(lái)消除諧波，可以滿足設(shè)計(jì)要求。3.3.3 逆變器輸出電壓實(shí)驗(yàn)圖3-13 電容支路投入10050%輸出突變附注2：紅色為系

30、統(tǒng)電壓波形350V/格，藍(lán)色為逆變器輸出電壓波形350V/格圖3-14 電感支路投入10050%輸出突變 附注3：紅色為系統(tǒng)電壓波形350V/格，藍(lán)色為逆變器輸出電壓波形350V/格上圖3-13和3-14給出新型混合動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置感性和容性二分之一容量階越動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)波形，上兩圖中波形1為系統(tǒng)電壓波形，波形2為裝置輸出電壓波形，從上兩圖中我們可以清楚地看到裝置具有非?？焖俚膭?dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，裝置從滿載突變二分之一容量的動(dòng)態(tài)相應(yīng)時(shí)間不到1/4個(gè)工頻周期，表明裝置能夠及時(shí)跟蹤負(fù)荷變化，并且在裝置輸出容量突變過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)電壓基本沒(méi)有影響。圖3-15 補(bǔ)償前后功率因數(shù)曲線上圖3-15給出的是新型混合動(dòng)態(tài)無(wú)功

31、補(bǔ)償裝置投運(yùn)前后補(bǔ)償支路功率因數(shù)變化曲線，上圖參數(shù)曲線是通過(guò)測(cè)量?jī)x器采用TOPAS2000電能質(zhì)量分析儀得到的，其中圖中上面曲線為補(bǔ)償之后的功率因數(shù)曲線，下面的曲線給出的補(bǔ)償之前的功率因數(shù)曲線，表明在裝置投入之后確實(shí)能夠?qū)⒀a(bǔ)償支路的功率因數(shù)提高到0.95左右，達(dá)到補(bǔ)償負(fù)荷無(wú)功功率的目的。從上述仿真分析和實(shí)驗(yàn)分析表明，本新型混合動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置具有良好的性能，在設(shè)計(jì)容量范圍能能夠精確的補(bǔ)償負(fù)荷無(wú)功，從而保證補(bǔ)償支路的功率因數(shù)接近為1，給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，并大大減小電力系統(tǒng)傳輸線路中的損耗，提高低壓配電系統(tǒng)運(yùn)行的效率和可靠性。四、總結(jié)我們研究的新型混合動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，既能實(shí)現(xiàn)發(fā)

32、出無(wú)功，也能吸收無(wú)功，且與傳統(tǒng)SVC相比不需要低通濾波器，與STATCOM相比具有器件承受電壓應(yīng)力小、工作容量小的特點(diǎn)，其控制策略簡(jiǎn)單易行。在PSCAD/EMTDC仿真環(huán)境下，建立了系統(tǒng)仿真模型，通過(guò)仿真分析驗(yàn)證了理論分析的正確性，最后通過(guò)設(shè)計(jì)和制作了一套 /380V的原理樣機(jī)，掛網(wǎng)運(yùn)行，效果良好。我們提出的新型無(wú)功補(bǔ)償裝置能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)無(wú)功大小，動(dòng)態(tài)的發(fā)出和吸收無(wú)功，具有以下特點(diǎn)：（1）新型SVC補(bǔ)償器能夠在較大范圍內(nèi)補(bǔ)償動(dòng)態(tài)負(fù)荷無(wú)功，具有補(bǔ)償容量小，逆變器工作容量小，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)范圍寬；（2）逆變器采用高頻SPWM控制，具有輸出電壓失真度小，注入系統(tǒng)諧波電流??；（3）仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本裝置能夠?qū)?dòng)態(tài)負(fù)荷進(jìn)行很好的補(bǔ)償，保證節(jié)點(diǎn)電壓在短時(shí)間內(nèi)得到補(bǔ)償，提高節(jié)點(diǎn)電壓穩(wěn)定參考文獻(xiàn)：1電網(wǎng)技術(shù), 1999,(07) . 周群,張益,黃家裕. 靜止無(wú)功補(bǔ)償器對(duì)提高陽(yáng)城送電穩(wěn)定水平的研究J電網(wǎng)技術(shù), 1999,(08) .2 顧曉榮,方勇杰,薛禹勝. 柔性交流輸電系統(tǒng)穩(wěn)定控制綜述J電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 1999,(12) 3 陳賢明,許和平,王小紅,王彤,田杰. ±500kvar靜止無(wú)功發(fā)生