一种兼具无功补偿功能的电压暂降治理技术

2023-12-04陈思超黄烈江王鹏程潘圆君梁一桥李俊斐

电子技术应用 2023年11期

陈思超，黄烈江，王鹏程，潘圆君，梁一桥，张驰，李俊斐

（1.杭州欣美成套电器制造有限公司，浙江杭州 310000；2.浙大城市学院，浙江杭州 310000；3.浙江晟泰电气有限公司，浙江杭州 310000）

0 引言

我国每年因电能质量问题造成的经济损失高达上千亿，其中电压暂降问题造成的经济损失占比最大。电压暂降事件主要由雷击、重负荷启动等原因造成，且无法避免。近年来，随着“高精尖”设备的大量使用以及生产领域对产品质量的更加重视，电压质量的治理需求日益突出。目前，治理电压暂降问题的常规方法是采用动态电压恢复器（Dynamic Voltage Restorer,DVR），当电力系统发生电压暂降时，DVR 能在几毫秒内将用户侧电压补偿到额定值，并能持续额定的补偿时间；当系统电压恢复正常后，交直流变流器（简称AC/DC 变流器）停止逆变，同时晶闸管阀导通，负载由系统供电，AC/DC 变流器给超级电容器充电，以备下次检测到系统电压暂降时使用[1]。由于大多数情况下电压暂降发生的频率不高，因此DVR 设备利用率很低[2]。

无功功率补偿问题是大多数工业用户面临的老问题。过低的功率因数不仅降低了用电设备的利用率，还增加了设备和线路的损耗[3]。因此，目前绝大部分工业用户都安装了无功补偿装置。无功补偿装置中的静止无功发生器（Static Var Generator,SVG）是该领域的最新技术，具有响应速度快、补偿精度高、不受或少受系统参数的影响等优点，近年来已得到广泛的应用[4]。

本文在动态电压恢复器DVR 和静止无功发生器SVG 的基础上，利用AC/DC 变流器与逆变单元的相似性，提出一种兼具SVG 功能的电压暂降治理技术。该技术将电压暂降治理和无功补偿功能结合在一起，进一步提升装置的利用率和可靠性，减少配电设备占用空间，降低企业投入成本。

1 电路拓扑与工作原理

在SVG 动态建模[5]和MATLAB 仿真[6]的基础上，本文提出的兼具SVG 功能的电压暂降治理装置主要由检修开关、进出线隔离开关、晶闸管阀、交流旁路接触器、保护断路器、AC/DC 变流器（配熔断器）、超级电容器、直流旁路接触器、直流软起接触器、直流放电接触器、直流软起电阻、电流采样互感器、控制和保护系统等组成[7]。

1.1 SVG 运行模式工作原理

当装置作为SVG 运行时（如图1 所示），电路中的旁路开关处于分开位置，控制器控制晶闸管阀使其处于连续导通状态。控制器运行于SVG 模式，实时计算并补偿负载的无功功率。通过控制绝缘栅双极型晶体管（Insu‐lated Gate Bipolar Transistor,IGBT）以调节功率变流器输出电压的相位和幅值，可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，以实现无功补偿的目的。

图1 SVG 工作原理

当SVG 输出电压大于电网电压，即UI>US时，SVG输出的无功电流超前电网电压，SVG 发出容性无功，表现为容性无功补偿模式（如图2 所示），且可根据无功补偿需求连续调节。

图2 容性无功补偿模式

当SVG 输出电压小于电网电压，即UI

图3 感性无功补偿模式

1.2 电压治理运行模式工作原理

当装置作为DVR 运行时（如图4 所示），一旦检测到系统供电电压暂降高于设置值，晶闸管阀会立即截止，切断电源和负载之间的通路，同时超级电容器储存的能量通过AC/DC 变流器逆变产生一个与电网电压幅值相等、相位相同的电压供给负载，确保负载不受电网电压暂降的影响。当电网电压恢复正常后，AC/DC 变流器停止逆变，同时晶闸管阀导通，负载由电网供电，同时电网通过AC/DC 变流器给超级电容器充电，直到超级电容器电压达到设定的直流电压，为下一次电网供电电压暂降准备。

图4 电压暂降治理装置工作原理

当装置安装调试或检修时，进出线隔离开关、交流旁路接触器、保护断路器分闸，检修开关合闸，电网通过检修开关向负载供电。当调试或检修结束后，手动合闸进出线隔离开关、交流旁路接触器、保护断路器，分闸检修开关，此时电网通过交流旁路接触器向负载供电。装置启动后，晶闸管阀导通，交流旁路接触器分闸，电网通过晶闸管阀向负载供电，同时通过AC/DC 变流器向超级电容器充电，直到超级电容器电压达到设定的直流电压。装置通常处于SVG 工作状态，对系统无功实时动态补偿，同时对系统电压保持着动态监测。

2 电压暂降检测技术

作为DVR 中的关键技术，既快速又准确地检测出电压暂降事件，对DVR 的治理效果至关重要。到目前为止，多种电压暂降检测方法被提出，主要包括有效值算法[8]、峰值电压法[9]、缺损电压法[10]、单相电压求导法[11]、基于派克变换（简称dq 变换）[12]及电压特征量[13]、电压凹陷特征量[14]等改进算法[15]。上述电压暂降检测算法中，速度快、实时性好的算法抗干扰能力差、准确性低，容易造成DVR 误动作；抗干扰能力强、准确性高的算法又存在较大的延时，难以满足DVR 的实时性要求。针对上述问题，本装置采用一种兼顾速度和抗干扰能力的电压暂降检测方法。

假设单相电压为:

其中，Urms为电压周期有效值。

根据连续周期信号有效值的定义，1/4 周期电压均方根值可表示为:

其中，U1/4rms为电压1/4 周期有效值，δ为0～2π 之间的任意一个值。

将式（1）代入式（2）得:

由式（3）可得:

由式（5）可知，Urms可以通过U1/4rms、sinδ和cosδ获得，其中sinδ、cosδ可由锁相环实时求出。

根据上述分析，采用电压1/4 周期有效值方法来检测电压暂降仅仅需要1/4 周期的延时就可准确反映有效值100%的变化。如果用来检测工程实际常用的90%电压暂降，则延时在2 ms 左右，完全满足DVR 补偿的实际需求。

3 样机实验结果

通过搭建一套额定电压为400 V、电压补偿额定功率为100 kVA、补偿时间为3 s、无功补偿额定容量75 kVar的实验样机。采用电压1/4 周期有效值算法来检测电压暂降，以进一步验证本文所提出技术的可行性。

3.1 样机描述

装置样机由检修开关、进出线隔离开关、晶闸管阀、交流旁路接触器、保护断路器、AC/DC 变流器（配熔断器）、超级电容器、直流旁路接触器、直流软起接触器、直流放电接触器、直流软起电阻、控制和保护系统等组成，如图5 所示。

图5 装置样机实物

3.2 实验方案描述

以阻感负载作为模拟负载，检修开关分闸，进线隔离开关、出线隔离开关、交流旁路接触器和保护断路器合闸，装置启动后先给出晶闸管阀触发脉冲，再控制分断交流旁路接触器，晶闸管阀导通，电网通过AC/DC 变流器给超级电容器充电到额定电压后进入SVG 工作状态，手动调节SVG 输出的容性、感性无功电流并进行从感性到容性的阶跃实验。然后电源开关分闸，装置进入DVR 工作状态，通过AC/DC 变流器给负载提供电源。超级容器放电一段时间后，电源开关再合闸，超级电容器充电设定电压后再次进入SVG 补偿状态并实时检测下一次电源电压暂降。实验电路连接框图如图6 所示。

图6 实验电路连接框图

在实验过程中，用示波器监测电网电压、装置电流、负载两端的电压波形，以查看装置SVG 工作状态下的无功补偿情况和DVR 工作状态下的响应时间及电网电压恢复时负载电压的接续情况。

3.3 实验结果（包括波形）及小结

当对装置进行SVG 功能模式模拟运行时，图7 和图8 分别表示该装置发出容性无功电流和感性无功电流时的电压电流波形。装置为容性无功补偿时，电流相位超前于电压相位；装置为感性无功补偿时，电流相位滞后于电压相位。由此说明，该装置的设计满足SVG 功能的运行要求。

图7 装置容性无功补偿时电压电流波形

图8 装置感性无功补偿时电流电压波形

当对装置进行SVG 功能模式下由感性无功补偿切换成容性无功补偿的电流阶跃响应测试时，从图9 所示的电压电流波形中可以得出，阶跃响应时间在0.5 ms 以内，该装置能实时动态满足配电网中快速变化的无功补偿要求。

图9 装置阶跃响应时间

当对装置进行DVR 功能模式测试时，模拟不同电压暂降幅值阈值下，从负载处检测到的电压波形。从图10中可以得出，当电压暂降幅值阈值为80%时，装置的响应时间约为2 ms；图11 中可以得出，当电压暂降幅值阈值为10%时，装置的响应时间约为6 ms。不同电压暂降幅值下，该装置的响应时间均可控制在半个周波，即10 ms 内，满足电压暂降治理要求。