PWM型动态无功补偿技术的研究

杜荣权，陈乐柱，穆 瑜

（安徽工业大学电气与信息工程学院，马鞍山243002）

引言

大量的感性负荷比如电动机、大功率整流装置以及变频装置在电力系统中的广泛应用给电网造成了严重的谐波污染，产生大量的无功需求，导致电网功率因数低。随着工业智能化和精密设备对电能质量的要求越来越高，风能、太阳能等可再生能源的发电功率并网后产生不可预知性和随机性［1］，因此要求无功补偿能动态的适应电网状态的变化，提高系统的稳定性［2］。

目前，常用的无功补偿方法主要有固定电容器补偿、静止无功补偿器SVC（Static var compensater）和静止无功发生器SVG（Static var generater）。固定电容器的补偿容量无法调节；静止无功发生器SVG可连续调节容性或感性无功，但是控制复杂、成本高；静止无功补偿器SVC是解决动态无功补偿问题的重要途径［3-5］，而传统SVC系统缺点是TCR本身就是一个谐波源，不可避免地向电网引入谐波电流。SVC装置特点是阻抗型补偿，系统电压的降低使其无功输出以电压平方关系降低。因此，如何克服传统SVC系统的不足，并充分发挥电力电子装置快速、灵活的优势，实现快速、有效的动态无功补偿是目前国内外的重要研究课题［2］。

本文提出了一种可连续调节的PWM型动态无功补偿技术，采用调节补偿电感的两端电压来产生动态无功的控制策略，不仅实现无功补偿的动态调节，而且具有响应速度快，控制简单，谐波含量低，逆变容量小等优点。

1 工作原理

式中：U为装设点电网线电压，V；IC为电容器组的线电流，A；C为电容器组的电容量，F；ω为电网角频率，rad/s。

从式（1）可以得到，电容器的补偿容量与自身的电容值和加在其两端的电压有关，而补偿电容器组的电容值一般是固定不变的，只能分级补偿，TSC就是通过改变其电容值来调节无功补偿容量，但其缺点是会产生谐波。本文通过用逆变器动态调节电抗器［6-7］下端的电压基准值调节其两端电压，从而动态地调节其发出（或吸收）的无功功率。

PWM型动态无功补偿系统由PWM调压电路和电容器组两部分共同完成无功补偿，无功补偿系统结构如图1所示。其中电容器组完成大容量的分级补偿，而PWM调压电路则对电容器组的补偿级差进行连续的补偿，其组合补偿原理示意如图2所

目前，电容器组以其结构简单、成本低的特点，广泛应用在无功补偿装置中。假设三相电容器组为星型联结时，其每相电容器的补偿容量QC为示。动态补偿系统的容性无功补偿曲线与负载感性无功功率曲线大小相等、方向相反，从而实现完全动态补偿。

图1 动态无功补偿系统结构Fig.1 Structure of dynamic reactive power compensation system

图2 动态无功补偿系统原理示意Fig.2 Sketch map of dynamic reactive power compensation system principle

PWM调压电路如图3所示。通过控制主电路开关的占空比和时序，将直流侧的电容电压转换成和电网电压频率和相位相同、幅值可调的交流电压，相当于一个可调电压源。其中，Lf和Cf组成高通滤波器滤除高次谐波，L为补偿电感，S1～S6及其反并联的二极管构成 DC-AC 变换器，S1、S2、S3为主开关，周期性地接通和关断补偿电感L与三相交流系统；S4、S5、S6为辅助开关，在 S1、S2、S3关断期间起到为电感电流续流的作用； 因此，S1、S2、S3和 S4、S5、S6的时序关系是互补的，即 S1，2，3=开关状态转换时，为避免同一桥臂的上、下两开关同时导通造成短路，两组触发脉冲之间必须设置一定的死区时间。

PWM调压电路的单相等效电路如图3所示（分析时忽略变流器自身损耗）。根据KVL定理可得补偿电感电压为：UL=Us-UPWM。电网电压Us一般不变，PWM调压电路交流侧输出电压为UPWM，UPWM可控，通过对UPWM幅值的调节，实现对UL的控制，从而改变补偿电感上的电流幅值和相位，调节从电网吸收的感性或容性无功。

图3 PWM调压电路及其单相等效电路Fig.3 PWM voltage regulator circuit and single phase equivalent circuit

2 控制策略分析和研究

动态无功补偿装置在对电网参数进行控制调节时，主要有3种常用的控制策略：电压控制、无功补偿和稳定系统电压至期望值。无功控制通过吸收容性或感性无功，将系统无功控制在期望范围内；综合控制兼顾无功控制和电压控制，通过对无功功率的动态调节，使系统电压和无功都得到相应提高。

PWM型动态无功补偿系统采用电压无功复合控制的策略［8］，控制柜图如图4所示。根据系统实际情况和需求进行切换，既可以实现电网电压的稳定，又能完成功率因数的校正。

图4 电压无功复合控制框图Fig.4 Block diagram of voltage and reactive power control

系统、PWM型动态无功补偿装置及感性负荷间的无功功率平衡关系为

式中：QSYS为系统提供的无功；QPWM为PWM调压电路提供的无功；QC为电容器提供的无功；QLoad为负载需要的无功。控制目标是使系统向负载提供的无功功率为0，负载所需无功全部由无功补偿装置来补偿，即

假设此时系统为感性负载，需要补偿容性无功，装置投入运行后，装置向负荷补偿的无功主要由电容器组产生，PWM调压电路提供对电容器组的补偿级差进行连续补偿，逆变器输出电压与母线电压相位相同，则其输出幅值大小为

根据式（4）即可得到逆变器输出电压UPWM，从而调节逆变电路开关的占空比。

3 实验结果

本文采用PWM型动态无功补偿技术对单相阻感负载电路进行无功补偿实验，通过PWM控制方式调节补偿电感的端电压，使补偿装置发出连续可调的容性无功来提高单相阻感负载电路的功率因数。无功补偿前电源电压Us与电流is波形如图5所示。

图5 补偿前Us、is波形Fig.5 Waveforms of Us，iswithout compensation

由图5可以看出，由于负载是阻感负载，所以电源电压Us与电流is两个波形在相位上存在偏差，系统的功率因数较低。由于感性无功负载的存在，电流波形滞后电压一定角度，以提供负载无功。

投入PWM型无功补偿装置进行无功功率补偿后，电源电压Us和PWM调压电路输出电压UPWM波形如图6所示。由图可见，由于PWM调压电路本身需要消耗少量有功，所以输出电压相位略有超前，而不是理想的同频同相。

图6 Us与UPWM波形Fig.6 Waveforms of Usand UPWM

投入PWM型无功补偿装置进行无功功率补偿后，电源电压Us和电源电流is波形如图7所示。由图可见，PWM型无功补偿装置能够替代电源向感性负载提供所需的无功功率。负载所需的无功由补偿装置提供，而电源只提供有功功率，故补偿后电源电压和电流相位相同，电源功率因数得到提高。

图7 补偿后 Us、is波形Fig.7 Waveforms of Us，iswith compensation

4 结语

本文提出了一种新型动态无功补偿技术，通过连续调节逆变电路开关的占空比来改变补偿电抗器的等效电抗，从而连续调节补偿器的无功输出。由于和电容器组配合使用，电容器组提供大容量的分级补偿，而PWM调压电路则对电容器组的补偿级差进行连续的补偿，所以具有逆变容量小，补偿范围大，注入谐波小等优点。

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