动态无功补偿装置优化设计

摘要:文章提出了一种新的电力电容器调容方法,该方法基于PWM控制原理,用电力电子开关控制两组电容器的投切,通过调节控制脉冲的占空比连续调节电容。该方法克服了目前无功补偿装置中分组投切电容器时电容有级差的缺点,并采用MATLAB中的Sim Power Systems对该方法进行仿真分析,仿真结果与理论值一致。

关键词:动态无功补偿;无功补偿装置;PWM技术;调容装置;并联电容器

中图分类号:TM714 文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)10-0022-02

目前电力系统中常用的无功补偿设备主要有机械投切电容器装置(MSC)、晶闸管投切电容器装置(TSC)、晶闸管控制电抗器与固定电容器(TCR+FC)以及新兴的静止无功发生器(SVG)。MSC和TSC分别采用机械断路器和晶闸管分组投切电容器,调节电容有级差;TCR+FC通过调整晶闸管触发角的大小,改变补偿电抗器所吸收的无功分量来改变固定电容器组发出的无功,属于间接调节电容,经济效益相对较差;SVG属于有源方式,虽然被普遍认为是目前无功补偿技术发展的主要趋势,但是它的控制器设计复杂,成本昂贵,目前应用很少。因此,并联电容器连续调容更有利于电力系统进行动态无功功率补偿。

一、PWM技术原理

PWM连续调节电容的原理如图1所示,其中电阻R和电感L是线路的电感和阻尼电阻,pulse1和pulse2是PWM发生器产生的二脉波PWM脉冲,控制k1和k2的开关来投切C1和C2。

图1PWM连续调节电容原理

k1和k2互补动作,pulse1的宽度为Δt1,pulse2的宽度为Δt2,Δt1与Δt2之和Δt保持恒定,Δt1与Δt的比值为pulse1的占空k。根据PWM控制面积等效原理,即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果即环节的输出响应波形基本相同。在Δt1时间内投入的电容C1与在Δt时间内投入的等效电容C对整个电路的作用效果相同,在1个脉冲周期Δt1和Δt2时间内分别投入C1和C2,与在Δt时间内投入等效电容C对整个电路的作用效果相同。调节脉冲占空比k可调节投入电路的等效电容,理论推导如下:

当Δt很小时,由于电感L的存在使得流过电容C1和C2的瞬时电流与流过电感的瞬时电流值相等设为I,在Δt时间内k1导通,根据等面积原理在Δt1内流过C1的等效电流为I1=I・■;C1两端电压大小为U1=■;流过C2的等效电流为I2=I・■;C2两端电压大小为U2=■;则等效电容C两端的电压为U0=U1・■+U2・■。整理得C=■。其中以k为变量对C求导,则当k等于C1/(C1+C2)时C的最大值为C1+C2,即等效电容的值可在C1和C2之间连续变化。

二、PWM连续调容应用特性

从理论上,占空比k可以在(0,1)之间连续变化,但实际应用中开关器件多选用IGBT、POW-ERMOSFET、GTO等电力电子器件,其开关频率及耐冲击电压受到限制,此外综合考虑电路中电感、电容的耐压能力,应合理控制k的变化,选择适当的C1与C2的比值。电路电感L、开关k1、k2、C1、C2所承受的最大电压与占空比k的数学关系分析如下:

(一)电容两端的电压与k之间的关系

流过电感的连续电流为I=U/Z;其中Z=■;将C=■代入可得:

(1)

接着代入C1两端电压U1,可得表达式:

(2)

同理,代入C2两端电压U2,可得表达式:

(3)

(二)开关与电感电压之间的关系

开关k1、k2及电感L两端的电压开关k1、k2导通在开通关断瞬间承受的冲击电压为作用在两电容间的电压差即:Uk=U2-U1。整理可得:

(4)

将UL1、UL2表达式整理可得:

(5)

(6)

三、应用MATLAB建模仿真分析

用MATLAB建立的仿真模型如图2所示:

图2 MATLAB仿真模型

其中,理想交流电源u=Usinωt,ω=100π,U为141.4V,脉冲的周期Δt为0.01ms,即开关的频率为100k,电阻R为0.1Ω,电感L为2.02mH,电容C1为100μF,C2为200μF。改变占空比k及C1、C2的值进行计算,分别代入上面所述的表达式,可得等效电容理论值C为240.96μF。

各电压值分别为U1=35.79V、U2=161.06V、Uk=125.27V、UL1=16.06V、UL2=19.73V。应用MATLB中SimPowerSystems仿真分析得,稳态时电流波形如图3所示,电容C1两端电压波形如图4所示:

图3 电流I波形示意图

图4 电容C1两端电压波形示意图

测得电流I=10.86A,则测得电路中总阻抗Z=141.4/11.244,而等效电容和电路的总阻抗满足式(11),代入C1、C2、L可测得等效电容为240.957μF,各电压最值分别为U1=35.83V、U2=161.05V、Uk=125.31V、UL1=105.90V、UL2=19.645V。

占空比k取不同值时,理论计算值结果与仿真实测值比较见表1、表2:

表1各变量的理论计算值

表2各变量的仿真测量值

四、结语

仿真结果及理论计算表明,随着k的增大电流I和等效电容C逐渐增大,当k增加到C1/(C1+C2)时,C有极大值,然后逐渐减小。U1逐渐增大,U2先增大后减小,Uk、UL1、UL2与C变化趋势相同。本文采用PWM技术控制两组电容器的投切使其在一个周期内投入系统的电容连续变化,从而减小补偿电容器组的级差及补偿电容器的数量,使投入电路中的等效电容连续变化。该方法克服了目前无功补偿装置中分组投切电容器时电容有级差的缺点,同时减少了补偿所需电容器组的数量。

参考文献

[1]黄志刚,张麟征.改进静止无功发生器系统的模型控制及仿真[J].电机与控制学报,1998,(3).

[2]王兆安,杨君,刘进军.谐波抑止和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社,2001.

[3]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2003.

作者简介:康欣(1979-),女,湖南人,广东工业大学硕士,研究方向:电工理论与新技术。