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《大容量無功快速補償方法的研究》
陳 靜1，,涂夢潔1，王一飛2 ，袁估新1，程琪惟2 (1.武漢理工大學自動化學院,湖北武漢430070；2.中國船舶重工集團公司第七二二研究所,湖北武漢430205)
摘要: 隨著配電網和負載的功率日益增加及波動頻繁,對無功補償方法的容量和快速性提出了更高的需求。針對現有無功補償方法無法滿足 配電網和名載對無功補償容量大、快速性的需求,文章提出一種大容量無功快速補償方法。該方法采用分級投切電容器和連續可調電容器協調配合,分級投切電容器對系統進行大容量的基準無功補償，連續可調電容器進行快速精準的微調無功補償，提高系統的功率因數，使大容量配電網或負載的功率因數維持在目標值。利用Matlab/Simulink完成了補償系統的仿真設計和分析, 驗證了大容量無功快速補償方法的合理性和有效性。 關鍵詞:無功補償；分級投切電容器；連續可調電容器；仿真分析
0 引言 配電網和負載的功率日益增加、波動頻繁，對無動補償方法的容量和快速性提出了更高的需求。常用的靜止無功補償方法將電容器與負載并聯，電容器提供無功功率。由于補償電容是固定的，易造成系統過補償或欠補償，無法滿足負載無功功率變化較快的補償需求，還會影響電能質量。傳統的無功補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型無功補償器是一種有級的調節，對于無功時變的負載，單獨使用TSC無法快速跟負載無功變化，易造成系統過補償或欠補償。TCR型補償器向系統提供感性無功功率，針對配電網或負載基本上都是感性負荷的特點，只有配合電容器才能有效地進行無功補償。 因此,筆者提出了復合電力負載的動態無功補償方法，該方法結合可調電容器組和電力電子電抗器，分別發出無功和吸收無功使整體發出的無功滿足動態需求；通過智能控制器控制電力電子電抗器中晶閘管的導通角，改變變壓器二次側電流大小，進而通過電磁感應來改變變壓器一次側電流，達到阻抗可調的效果，使電力電子電抗器動態地調節無功功率。在樣機實驗中，針對某沖壓設備應用該補償方法，負載波動情況下平均補償時間為10s～20s，快速跟隨性較差，不能滿足快速性的需求。 文獻采用調容裝置與一定值電感并聯，通過控制開關器件的驅動電路來改變脈沖占空比的大小，連續調節主電路中調容裝置的等效電容，從而達到調節無功功率的目的。但該補償方法采用的調容裝置和定值電感的調節范圍有限，總無功調節容量小，無法應用于大功率時變負載的動態無功補償。 因此，本文提出一種大容量無功快速補償方法(以下簡稱補償方法)，采用分級投切電容器和連續可調電容器協調配合，分級投切電容器對系統進行大容量的基準無功補償，連續可調電容器進行快速精準的微調無功補償。
1 補償方法的原理 大容量無功快速補償方法采用由電能檢測模塊、控制器、連續可調電容器和分級投切電容器組成的大容量無功快速補償系統(以下簡稱補償系統)來完成大功率負載的快速無功補償,其拓撲結構如圖1所示。
圖1 大容量無功快速補償系統的拓撲結構
圖1中，連續可調電容器和分級投切電容器并聯，限流電感與連續可調電容器串聯。分級投切容器由多組快速熔斷器、電容接觸器和電容器的串聯電路經過并聯后組成；連續可調電容器由2組電力電子容抗變換器（2個逆阻型IGBT器件經過反向并聯組成）和電容器的串聯電路經過并聯后組成，逆阻型IGBT分別由兩路周期相等且波形互補的PWM脈沖信號進行控制。 根據補償系統的拓撲結構，大容量無功快速補償系統發出的總無功功率Qs為
式中：f
PWM1和PWM2是周期均為?t PWM1和PWM2波形互補，占空比之和為1，作用的時間分別為?t1和?t2,且?t=?t1+?t2。連續可調電容器中串有電感值較小的限流電感，在逆阻型IGBT快速開通和關上斷期間，由于開關頻率高，開通和關斷時間短，電容上的電壓不會產生突變，瞬時流過電容C1、C2的支路電流iC1、iC2與流過連續可調電容器上的總電流iC0相等。
由于?t  同理，
在1個脈沖周期?t時間內，?UC1作用時間為?t1，?UC2作用時間為?t2，則1個脈沖周期內連續可調電容器上的電壓變化量為
將等式（3）代入（4）得
由于瞬時電流iC1和iC0相等，將式（2）代入式（5）得
PWM1和PWM2波形互補，故PWM1和PWM2占空比之和為1,記脈沖占空比 
當電容C1、C2的值固定時，通過改變逆阻型IGBT的脈沖占空比D的大小，即可連續平滑地調節連續可調電容器的等效電容C0的容值,使其發出的無功功率平滑可調。 將式（7）代入式（1）整理得
由式（8）可知： 1）當C1和C2的值一定時,通過改變投入的分級投切電容器C1，可以有級地改變補償系統輸出的無功功率Qs的大小，對負載或配電網進行大容量的基準無功補償。 2）通過調節逆阻型IGBT的脈沖占空比D，可以連續平滑地調節補償系統輸出的無功功率Qs的大小，逆阻型IGBT的調節速度快，可對負載或配電網進行快速的微調無功補償。 補償系統中，分級投切電容器和連續可調電容器協調配合，可以對大容量的配電網或負載進行平滑精準的快速無功補償。
2 補償方法的實現 設補償前負載上的有功功率為PL、功率因數為ph,目標功率因數為ph0,則負載需要補償的總無功QB為
針對波動頻繁的負載，QB的范圍為QBmin～QBmax 。連續可調電容器所能補償的無功范圍為QC0min～QC0max；分級投切電容器的補償級數為N(N為大于等于1的整數)，第k(1≤k≤N)級補償的基準無功為QCfk，則分級投切電容器的最低補償無功為QCfl，最高補償無功為QCfN。 工程上使用的補償電容容量一般為5kvar的倍數，分級投切電容器和連續可調電容器的容量應配置為5kvar的整數倍。在此前提下，為了滿足補償系統的補償容量和實時精準性，對分級投切電容器和連續可調電容器的容量按照下式進行配置:
某時刻，補償對象的無功缺量為QL，根據上述配置原則，大容量無功快速補償方法的實現采用如下規則： 1)當QC0min<QL<QC0max時,斷開接角觸器KM11~KM1n，不投入分級投切電容器；控制器輸出脈沖信號，控制電力電子容抗變換器中逆阻型ICB的脈沖占空比，調節連續可調電容器的等效容值，使其快速地發出無級可調的無功功率，使功率因數達到目標值。
2)當QCfk+QC0min 根據上述規則，在滿足補償容量的前提下，可以實現補償方法的快速性和精準性。
3 仿真分析及驗證 利用 Matlab/ Simulink設計連續可調電容器的仿真模型和大容量無功快速補償仿真系統,并配置各項仿真參數,驗證補償方法的合理性和有效性。 3.1 仿真模擬對象 以常州某工廠沖壓設備為模擬補償對象,該設備1天8:00至17:00之間整點時刻的無功缺量如圖2所示。
圖2 負載無功
仿真研究中，以該沖壓設備一天內的無功變化情況作為模擬負載的無功變化量。8：00至17：00整點時刻，沖壓設備的最大無功缺量和最小無功缺量分別為87kwmr和17kvar，相鄰時刻最大無功變化量和最小無功變化量分別為22kvar和8kvar。 針對該沖壓設備上述無功波動特性，結合工程上使用的補償電容容量和式(5)所述的容量配置原則，仿真模型中分級投切電容器的單組容量分別選定為10kvar、20kvar和30kvar；連續可調電容器中C1和C2的容量分別配置為10kvar和20kvar。 3.2 連續可調電容器的仿真分析 為了研究連續可調電容器發出的無功與逆阻型IGBT脈沖占空比的關系，根據圖1構建連續可調電容器仿真模型,如圖3所示。
圖3 連續可調電容器仿真模型
逆阻型ICBT具有正向導通、反向截止的特性，圖3中的逆阻型IGBT采用ICBT和二極管的串聯模型，可以達到反向截止的目的。限流阻抗中小電感設置為20μ
表1 不同占空比下連續可調電容器發出的無功
U為電壓有效值，I為電流有效值，QC0m和QC0t分別為連續可調電容器發出無功的測量值和理論值，理論值QC0t由式(1)和式(7)得到，相對誤差率σ
隨著逆阻型IGBT的脈沖占空比D的變化，連續可調電容器發出無功的測量值QC0m和理論值QC0t基本相近，其相對誤差率的絕對值小于8%。由此驗改變脈沖占空比的大小，可以連續平滑地調節補償系統輸出的總無功大小，實現快速平滑的無功補償。 占空比為0.45時,逆阻型IGBT的開關電流如圖4所示,電容電壓和電流波形如圖5所示。
圖4 逆阻型IGBT的開關電流
圖5 電容C1和C2的電壓與電流
由圖4可知，由于每一臂的反并聯逆阻型IGBT結構，電力電子容抗變換器具有優良的正向導通、反向截止特性，同一臂上反并聯逆阻型IGBT的開關電流波形互補，兩臂的開關電流分別相等。由圖5可知，在逆阻型IGBT高頻通斷過程中，由于限流電感的作用，電容上的電壓連續變化，沒有發生突變，對電路和開關器件無沖擊影響。電容電壓上未看到明顯的尖峰毛刺，這與電感的取值、仿真環境和仿真模型均為理想型器件有關。在實際應用中，由于小電感的存在，電壓波形會出現尖峰毛刺，對電容和開關器件造成影響，需要減少尖峰毛刺，對電容和開關管進行保護。在保證輸出電壓波形連續性和平滑性的基礎上，應將小電感的值盡量取小，或加入濾波裝置，對開關器件增加緩沖電路以進行保護。 3.3 補償系統的仿真分析 根據補償系統的拓撲結構,按照圖2中模擬補償對象的無功波動情況,設計大容量無功快速補償的仿真模型如圖6所示。
圖6 大容量無功快速補償系統的仿真模型
系統仿真模型中的三相交流電源為仿真系統提供電能；三相感性負載用于模擬負載無功的波 動；電壓電流信號檢測模塊用于檢測系統三相電壓與電流；連續可調電容器和分級投切電容器分別封裝于相應的模塊中。 首先斷開KM1和KM2，對補償前的大容量無功快速補償系統進行仿真,仿真數據見表2。
表2 補償前系統仿真數據
TIk(k為1~10的整數)為負載無功變化的時刻，QL1為補償前負載的無功缺量,pha為補償前系統的功率因數。根據表2中不同時刻負載的無功缺量，結合補償方法的實現原則，制定分級投切電容器和連續可調電容器的投切策略見表3。表3中“1”代表接觸器閉合,“0”代表接觸器斷開。設目標功率因數ph0為1，按照表3所示的投切策略對負載進行無功補償，補償后系統的仿真數據見表4。表4中TⅡk（k為1~10的整數）為無功補償完成的時刻，Qf為分級投切電容器的投切容量，Q0為連續可調電容器發出的無功量，QL2為補償完成后負載上的無功缺量，phb為補償后系統的功率因數。
表3 投切策略
表4 補償后系統仿真數據
由表2、表3和表4可以看出： 1）補償前，負載無功缺量大，無功波動頻繁，系統功率因數低，需要進行大容量的無功快速補償。 2）按照表3所示的投切策略對系統進行大容量的快速補償，補償完成后系統各個時刻的負載無功缺量均降到3kvar以內，系統的功率因數達到0.99以上，驗證了補償方法的精準性。 3）TⅡk－TⅠk =0.02s，即投入補償系統后,完成無功補償的時間為20ms，達到了快速補償的效果,驗證了補償方法的快速性。 根據表2和表4，補償前后系統的功率因數曲線如圖7所示。
圖7 補償前后系統的功率因數曲線
對比圖中的功率因數曲線,大容量無功快速 補現狀.償方法提高了系統的功率因數，在負載無功波動頻繁的情況下,使系統的功率因數穩定保持在目標值，補償效果精準。 為了體現大容量無功快速補償方法的快速跟蹤性能，將表4中不同時刻大容量無功快速補償系統發出的無功量與補償前負載的無功缺量進行對比，得到大容量無功快速補償方法的跟蹤效果如圖8所示。
圖8 補償方法的跟蹤效果
虛線為補償前負載的無功鉛量，實線為大容量無功快速 補償系統發出的無功量。不同時刻負載的無功缺量一直在波動，大容量無功快速補償系統發出的無功量也隨之變化調整，2條補償曲線外形相近、相隔僅20ms，補償時間為毫秒級，驗證了大容量無功快速補償系統能快速地跟蹤負載的無功變化，具有快速跟蹤調節的性能。
4 結束語 針對現有無功補償方法無法滿足 配電網和負載對無功補償容量大、快速性的需求,提出了一種大容量無功快速補償方法，該方法采用了大容量無功快速補償系統3分級投切電容器和連續可調電容器協調配合，實現大容量配電網或負載的快速無功補償。通過仿真分析，補償系統發出的無功量可快速跟蹤負載無功缺量的變化，使系統的功率因數保持在目標值,達到快速精準的補償效果，仿真結果驗證了大容量無功快速補償方法的合理性和有效性。
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為系統電壓頻率；U為電源電壓有效值；C0為連續可調電容器的等效電容值；Cf為分級投切電容器的等效電容值，QC0、QCf分別為兩者發出的無功功率。
且波形互補的兩路高頻觸發脈沖信號,分別控制兩臂的逆阻型ICBT，其頻率在10kHz以上，故脈沖周期
