基于级联H桥型SVG的异步电机无功补偿技术研究

邱必宝 王凯涵 陈乐柱 景慧

（1.铜陵铜冠能源科技有限公司 安徽省铜陵市 244000）

（2.安徽工业大学 电气与信息工程学院 安徽省马鞍山市 243000）

交流异步电动机广泛应用于工农业生产各个领域，在电力拖动的机械设备中，95%以上为交流异步电动机，总负荷量占整个电力系统的75%以上，成为国家电网用电耗能的主要设备，然而，异步电动机在电力系统中需要大量的无功功率，电动机运行过程中功率因数较低，在工矿企业中，大部分电机的负荷率都很低，经常处于轻载或空载状态，功率因数就会更低，造成供电设备能力降低，显著浪费电能。电动机在启动过程中的冲击电流可能达到额定电流的6倍以上，过大的冲击电流会引起供电电网的闪变，严重时会影响到同一电网的其他用电设备的安全，因此，对异步电动机采用软启动和动态无功补偿以提高功率因数、改善电能质量显得尤为重要。

抑制异步电动机启动冲击电流主要采用传统的降压启动或变频软启动方式，对异步电动机进行就地无功补偿的传统方式主要为投切电容器组，这些方法在控制精度、能效性和系统成本上都不尽理想。本文提出了一种基于静止无功发生器SVG的异步电动机软启动和无功补偿控制方案，结合某企业的大功率破碎机生产线的现场设备工况，采用了级联型多电平双闭环控制SVG并联的控制结构，根据SVG装置能够动态地产生容性或感性无功功率的特点，给电机端口提供可调电压和无功，以实现异步电动机的软启动和就地无功功率补偿，从而提高电动机系统运行的可靠性和能效性。

1 级联型多电平SVG拓扑与控制

1.1 级联型多电平SVG

静止无功发生器SVG是基于瞬时无功功率的概念和补偿控制原理，采用全控型电力电子开关器件构成自换相逆变电路并联到供电电源侧，实现动态的感性或容性无功调节，具有响应速度快、调节范围宽、无功动态连续、谐波电流小、损耗低等特点。本文通过分析高电压级联H桥型的SVG工作原理，结合变流器控制策略，提出一种基于SVG调压的异步电动机综合控制模型，实现异步动态连续无功补偿和电机端口电压稳定性控制。10kV电压等级的级联H桥型SVG的结构形式为每相12级功率单元串连接，其原理图如图1所示。

图1：级联H桥型SVG原理图

通过改变SVG无功电流来改变串联电抗器的两端电压大小和方向，从而改变电机端口电压，SVG发出相当于电机电流方向相反的无功电流，补偿电机启动时冲击无功电流以及正常运转时的无功需求量，通过稳定电机端口电压，实现实时就地无功补偿，让电动机需要的无功全部由SVG装置提供，提高了整个电机系统的功率因数。

1.2 电流电压双闭环控制策略

SVG的控制系统是整个装置最重要的部分，SVG的控制系统需要满足如下两个条件：维持直流侧电容电压值恒定以及SVG交流侧输出的电流能够在负载改变时对系统进行动态无功补偿。电压电流双闭环控制系统可以很好的满足这两点，电流环作为内环采用解耦控制，解耦后的电流环可以在负载变化时更快地做出响应，而电压环作为外环可以维持直流侧电容电压值保持稳定不变。

（1）电流内环控制。电流内环控制框图如图2所示。

图2：电流内环解耦控制器

有功电流i可以单独的被有功电流i*指令控制，无功电流i可由无功电流指令i*进行控制。电流前馈解耦控制可以简化整个控制系统，

（2）电压外环PI控制。SVG的交流侧可以向直流侧提供有功功率，SVG交直流侧之间的有功交换也直接影响到SVG直流侧电容电压的稳定。为了控制直流侧电容电压值，令直流侧电容电压参考值为U，将其和实际的直流侧电容电压U做差，并将差值经过PI调节器调节后输出为有功电流指令信号i，最后通过控制变换器开关的导通和关断对SVG无功吸收情况进行调整，以此来维持SVG直流侧电容电压的稳定。图3为SVG电压电流双闭环控制系统。图中有功电流参考值i是由U和U做差后，再经过PI调节器输出后得到的；无功电流是通过i-i法检测得到的。最后将经过坐标变换后的电压变量U、U送到PWM模块中，由此得到SVG的驱动信号，实现控制SVG内部IGBT的导通和关断，以达到对SVG控制的目的。

图3：电压电流双闭环控制原理图

2 动态无功补偿系统参数计算

2.1 工况情况

安徽某破碎生产线上电动机为雷勃电气（无锡）有限公司生产的三相异步电动机，型号为HSR1000-12，功率为4500kW，电流为343A，电压为10kV，效率0.957，功率因数0.79，转速495rpm，转子额定电压为U=2377V，转子额定电流为I=1136A。

而该企业生产线上供电系统未安装无功补偿装置之前，现场记录了破碎机带载运行参数：电机空载运行时，负载电流为141.8A～154.9A，功率因数在0.1～0.209之间，带轻载运行电流为 168A～269A时，功率因数在0.5529～0.8478之间变化。

2.2 结合工况的相关参数计算

按破碎机空载启动时的空载电流计算无功补偿容量：

空载电流计算：

按补偿前后功率因数计算补偿容量：

图5：补偿后电机空载启动过程线电压、A相电流、功率因数变化曲线

考虑最大冲击负荷电流情况计算补偿容量：破碎机在运行时会有3倍过载的情况，假设过载时功率因数为0.82补偿到0.9：综上所述，最终确定破碎机生产线需要增加3MVar的无功补偿装置。

3 现场应用情况

废钢破碎加工生产线中，在3MVar的SVG投入前后，对电动机的空载启动过程、空载运行和带载运行的补偿效果进行比较分析：

3.1 破碎机空载启动过程补偿效果分析

图4、5为SVG装置投运前后，电机空载启动时线电压、相电流、功率因数变化曲线。可以看出，当电机空载启动时，如表1所示，SVG投入运行前和后进行比较：电压波动范围10.33～9.88kV减少10.33～10.31kV；冲击电流最大值372.43A减少为303A；稳定电流值163.87A减少为14.86A。功率因数0.01增加到0.99。可以看出启动过程补偿效果明显。

表1：破碎机空载启动过程数据记录（SVG投运前后）

图4：补偿前电机空载启动过程线电压、A相电流、功率因数变化曲线

3.2 破碎机空载运行补偿效果分析

图6、图7为SVG装置投运前后，电机空载运行状态下系统实测的电压、功率因数、电流、有功功率、无功功率和视在功率波形图。可以看出，当电机空载运行时，SVG投入运行前和后进行比较：系统电流值163.87A减少为14.86A；无功功率2.495MVar减少到60kVar；视在功率2.5MVA减少到260kVA～270kVA；功率因数0.1增加到0.972，可以看出空载运行状况时补偿效果显著。

图6：补偿前电机空载运行时系统中电流、功率因数、有功功率实测图

图7：补偿后电机空载运行时系统中电流、功率因数、有功功率实测图

3.3 破碎机带载运行时无功补偿效果分析

图8为破碎电机带载运行时功率因数、A相电流、有功功率变化曲线，其平均值维持在0.95左右，可以看出补偿装置在破碎机带载运行时能很好的补偿系统中所需要的无功功率。

图8：破碎机带载运行时A相电流、功率因数、有功功率变化曲线

4 结论

本文针对破碎机生产线的大功率异步电动机，采取一种基于级联式SVG的异步电动机软启动和无功补偿控制策略，通过对SVG装置的无功电流大小和方向的控制来实现电机的软启动和无功功率的补偿。仿真实验和工程实测结果表明，该控制策略可以有效地降低电机启动电流，并且实现电机的动态就地无功补偿运行，接入电网的功率因数始终在0.95以上，极大地提高了电机的运行效率，达到节能减排增效的目的。