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《大容量無(wú)功快速補(bǔ)償方法的研究》
陳 靜1 ，,涂夢(mèng)潔1，王一飛2 ，袁估新1 ，程琪惟2
(1.武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,湖北武漢430070 ；2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所,湖北武漢430205)
摘要: 隨著配電網(wǎng)和負(fù)載的功率日益增加及波動(dòng)頻繁,對(duì)無(wú)功補(bǔ)償方法的容量和快速性提出了更高的需求 。針對(duì)現(xiàn)有無(wú)功補(bǔ)償方法無(wú)法滿足 配電網(wǎng)和名載對(duì)無(wú)功補(bǔ)償容量大 、快速性的需求,文章提出一種大容量無(wú)功快速補(bǔ)償方法 。該方法采用分級(jí)投切電容器和連續(xù)可調(diào)電容器協(xié)調(diào)配合,分級(jí)投切電容器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行大容量的基準(zhǔn)無(wú)功補(bǔ)償 ，連續(xù)可調(diào)電容器進(jìn)行快速精準(zhǔn)的微調(diào)無(wú)功補(bǔ)償 ，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，使大容量配電網(wǎng)或負(fù)載的功率因數(shù)維持在目標(biāo)值 。利用Matlab/Simulink完成了補(bǔ)償系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)和分析, 驗(yàn)證了大容量無(wú)功快速補(bǔ)償方法的合理性和有效性 。
關(guān)鍵詞:無(wú)功補(bǔ)償；分級(jí)投切電容器 ；連續(xù)可調(diào)電容器 ；仿真分析
0 引言 配電網(wǎng)和負(fù)載的功率日益增加、波動(dòng)頻繁 ，對(duì)無(wú)動(dòng)補(bǔ)償方法的容量和快速性提出了更高的需求。常用的靜止無(wú)功補(bǔ)償方法將電容器與負(fù)載并聯(lián)，電容器提供無(wú)功功率。由于補(bǔ)償電容是固定的，易造成系統(tǒng)過(guò)補(bǔ)償或欠補(bǔ)償，無(wú)法滿足負(fù)載無(wú)功功率變化較快的補(bǔ)償需求，還會(huì)影響電能質(zhì)量。傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置有晶閘管投切電容器(TSC)、晶閘管控制電抗器(TCR)、固定電容器+品閘管控制電抗器(FC+TCR)及混合型(TCR+TSC)。TSC型無(wú)功補(bǔ)償器是一種有級(jí)的調(diào)節(jié)，對(duì)于無(wú)功時(shí)變的負(fù)載，單獨(dú)使用TSC無(wú)法快速跟負(fù)載無(wú)功變化，易造成系統(tǒng)過(guò)補(bǔ)償或欠補(bǔ)償。TCR型補(bǔ)償器向系統(tǒng)提供感性無(wú)功功率，針對(duì)配電網(wǎng)或負(fù)載基本上都是感性負(fù)荷的特點(diǎn)，只有配合電容器才能有效地進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。
因此,筆者提出了復(fù)合電力負(fù)載的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償方法 ，該方法結(jié)合可調(diào)電容器組和電力電子電抗器，分別發(fā)出無(wú)功和吸收無(wú)功使整體發(fā)出的無(wú)功滿足動(dòng)態(tài)需求；通過(guò)智能控制器控制電力電子電抗器中晶閘管的導(dǎo)通角，改變變壓器二次側(cè)電流大小，進(jìn)而通過(guò)電磁感應(yīng)來(lái)改變變壓器一次側(cè)電流，達(dá)到阻抗可調(diào)的效果，使電力電子電抗器動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)無(wú)功功率。在樣機(jī)實(shí)驗(yàn)中，針對(duì)某沖壓設(shè)備應(yīng)用該補(bǔ)償方法，負(fù)載波動(dòng)情況下平均補(bǔ)償時(shí)間為10s～20s，快速跟隨性較差，不能滿足快速性的需求。文獻(xiàn)采用調(diào)容裝置與一定值電感并聯(lián) ，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)改變脈沖占空比的大小，連續(xù)調(diào)節(jié)主電路中調(diào)容裝置的等效電容，從而達(dá)到調(diào)節(jié)無(wú)功功率的目的。但該補(bǔ)償方法采用的調(diào)容裝置和定值電感的調(diào)節(jié)范圍有限，總無(wú)功調(diào)節(jié)容量小，無(wú)法應(yīng)用于大功率時(shí)變負(fù)載的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償。因此 ，本文提出一種大容量無(wú)功快速補(bǔ)償方法(以下簡(jiǎn)稱補(bǔ)償方法)，采用分級(jí)投切電容器和連續(xù)可調(diào)電容器協(xié)調(diào)配合，分級(jí)投切電容器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行大容量的基準(zhǔn)無(wú)功補(bǔ)償，連續(xù)可調(diào)電容器進(jìn)行快速精準(zhǔn)的微調(diào)無(wú)功補(bǔ)償。
1 補(bǔ)償方法的原理 大容量無(wú)功快速補(bǔ)償方法采用由電能檢測(cè)模塊 、控制器、連續(xù)可調(diào)電容器和分級(jí)投切電容器組成的大容量無(wú)功快速補(bǔ)償系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱補(bǔ)償系統(tǒng))來(lái)完成大功率負(fù)載的快速無(wú)功補(bǔ)償,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 大容量無(wú)功快速補(bǔ)償系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
圖1中 ，連續(xù)可調(diào)電容器和分級(jí)投切電容器并聯(lián)，限流電感與連續(xù)可調(diào)電容器串聯(lián)。分級(jí)投切容器由多組快速熔斷器、電容接觸器和電容器的串聯(lián)電路經(jīng)過(guò)并聯(lián)后組成；連續(xù)可調(diào)電容器由2組電力電子容抗變換器（2個(gè)逆阻型IGBT器件經(jīng)過(guò)反向并聯(lián)組成）和電容器的串聯(lián)電路經(jīng)過(guò)并聯(lián)后組成，逆阻型IGBT分別由兩路周期相等且波形互補(bǔ)的PWM脈沖信號(hào)進(jìn)行控制。根據(jù)補(bǔ)償系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ，大容量無(wú)功快速補(bǔ)償系統(tǒng)發(fā)出的總無(wú)功功率Qs為
式中：f
PWM1和PWM2是周期均為?t  足夠小。逆阻型IGBT的開(kāi)關(guān)頻率為5～40 kHz，頻率越低則發(fā)熱越少，但電壓的波形質(zhì)量會(huì)變差，將對(duì)電容造成嚴(yán)重影響。為了避免損壞電容，本文的開(kāi)關(guān)頻率選擇為10kHz。實(shí)際應(yīng)用中，結(jié)合開(kāi)關(guān)器件的具體工作頻率應(yīng)在保證電壓波形的基礎(chǔ)上盡量選擇較低的開(kāi)關(guān)頻率，減少發(fā)熱。
PWM1和PWM2波形互補(bǔ)，占空比之和為1 ，作用的時(shí)間分別為?t1和?t2,且?t=?t1+?t2 。連續(xù)可調(diào)電容器中串有電感值較小的限流電感，在逆阻型IGBT快速開(kāi)通和關(guān)上斷期間 ，由于開(kāi)關(guān)頻率高 ，開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間短，電容上的電壓不會(huì)產(chǎn)生突變 ，瞬時(shí)流過(guò)電容C1 、C2的支路電流iC1、iC2與流過(guò)連續(xù)可調(diào)電容器上的總電流iC0相等 。
由于?t ，在?t 時(shí)間內(nèi)流過(guò)連續(xù)可調(diào)電容上的電流可表示為
 同理，
在1個(gè)脈沖周期?t時(shí)間內(nèi)
將等式（3）代入（4）得
由于瞬時(shí)電流iC1和iC0相等
PWM1和PWM2波形互補(bǔ)
當(dāng)電容C1
將式（7）代入式（1）整理得
由式（8）可知：
1）當(dāng)C1和C2的值一定時(shí),通過(guò)改變投入的分級(jí)投切電容器C1
2）通過(guò)調(diào)節(jié)逆阻型IGBT的脈沖占空比D
補(bǔ)償系統(tǒng)中，分級(jí)投切電容器和連續(xù)可調(diào)電容器協(xié)調(diào)配合
2 補(bǔ)償方法的實(shí)現(xiàn)
設(shè)補(bǔ)償前負(fù)載上的有功功率為PL
針對(duì)波動(dòng)頻繁的負(fù)載，QB的范圍為QBmin～QBmax
工程上使用的補(bǔ)償電容容量一般為5kvar的倍數(shù)
某時(shí)刻
1)當(dāng)QC0min<QL<QC0max時(shí),斷開(kāi)接角觸器KM11~KM1n
2)當(dāng)QCfk+QC0min
根據(jù)上述規(guī)則
3 仿真分析及驗(yàn)證
利用 Matlab/ Simulink設(shè)計(jì)連續(xù)可調(diào)電容器的仿真模型和大容量無(wú)功快速補(bǔ)償仿真系統(tǒng),并配置各項(xiàng)仿真參數(shù),驗(yàn)證補(bǔ)償方法的合理性和有效性
3.1 仿真模擬對(duì)象
以常州某工廠沖壓設(shè)備為模擬補(bǔ)償對(duì)象,該設(shè)備1天8:00至17:00之間整點(diǎn)時(shí)刻的無(wú)功缺量如圖2所示。
圖2 負(fù)載無(wú)功
仿真研究中
針對(duì)該沖壓設(shè)備上述無(wú)功波動(dòng)特性
3.2 連續(xù)可調(diào)電容器的仿真分析
為了研究連續(xù)可調(diào)電容器發(fā)出的無(wú)功與逆阻型IGBT脈沖占空比的關(guān)系
圖3 連續(xù)可調(diào)電容器仿真模型
逆阻型ICBT具有正向?qū)ā⒎聪蚪刂沟奶匦?div id="jpandex" class="focus-wrap mb20 cf">，圖3中的逆阻型IGBT采用ICBT和二極管的串聯(lián)模型，可以達(dá)到反向截止的目的
表1 不同占空比下連續(xù)可調(diào)電容器發(fā)出的無(wú)功
U為電壓有效值
隨著逆阻型IGBT的脈沖占空比D的變化
占空比為0.45時(shí),逆阻型IGBT的開(kāi)關(guān)電流如圖4所示,電容電壓和電流波形如圖5所示
圖4 逆阻型IGBT的開(kāi)關(guān)電流
圖5 電容C1和C2的電壓與電流
由圖4可知
3.3 補(bǔ)償系統(tǒng)的仿真分析
根據(jù)補(bǔ)償系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),按照?qǐng)D2中模擬補(bǔ)償對(duì)象的無(wú)功波動(dòng)情況,設(shè)計(jì)大容量無(wú)功快速補(bǔ)償?shù)姆抡婺Ｐ腿鐖D6所示
圖6 大容量無(wú)功快速補(bǔ)償系統(tǒng)的仿真模型
系統(tǒng)仿真模型中的三相交流電源為仿真系統(tǒng)提供電能；三相感性負(fù)載用于模擬負(fù)載無(wú)功的波
動(dòng)
首先斷開(kāi)KM1和KM2
表2 補(bǔ)償前系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)
TIk(k為1~10的整數(shù))為負(fù)載無(wú)功變化的時(shí)刻，QL1為補(bǔ)償前負(fù)載的無(wú)功缺量,pha為補(bǔ)償前系統(tǒng)的功率因數(shù)
表3 投切策略
表4 補(bǔ)償后系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)
由表2
1）補(bǔ)償前，負(fù)載無(wú)功缺量大
2）按照表3所示的投切策略對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行大容量的快速補(bǔ)償
3）TⅡk－TⅠk =0.02s
根據(jù)表2和表4
圖7 補(bǔ)償前后系統(tǒng)的功率因數(shù)曲線
對(duì)比圖中的功率因數(shù)曲線,大容量無(wú)功快速 補(bǔ)現(xiàn)狀.償方法提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)
為了體現(xiàn)大容量無(wú)功快速補(bǔ)償方法的快速跟蹤性能
圖8 補(bǔ)償方法的跟蹤效果
虛線為補(bǔ)償前負(fù)載的無(wú)功鉛量
4 結(jié)束語(yǔ)
針對(duì)現(xiàn)有無(wú)功補(bǔ)償方法無(wú)法滿足 配電網(wǎng)和負(fù)載對(duì)無(wú)功補(bǔ)償容量大
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為系統(tǒng)電壓頻率；U為電源電壓有效值
