1、引言

    隨著整個社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對電能質(zhì)量的要求也越來越高。而系統(tǒng)中無功負(fù)荷，特別是沖擊性無功負(fù)荷和大量電力電子裝置的應(yīng)用，不僅增加了各種損耗，而且嚴(yán)重影響了電能質(zhì)量。因此，實(shí)時快速的無功功率補(bǔ)償對優(yōu)化電網(wǎng)潮流分布和提高電能質(zhì)量具有十分重要的意義。新型靜止無功發(fā)生器(ASVG)是柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）的重要組成部分。對電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)施靈活、快速的控制，從感性到容性的整個范圍進(jìn)行連續(xù)的無功調(diào)節(jié)，達(dá)到快速補(bǔ)償系統(tǒng)對無功功率的需求，從而抑制電壓波動并增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2、FACTS及各種FACTS裝置

    多年來電力工作者已達(dá)成共識：提高電網(wǎng)的安全運(yùn)行水平和電能質(zhì)量，除電網(wǎng)結(jié)構(gòu)本身要和例外，還必須要有先進(jìn)的調(diào)節(jié)控制手段。電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行在很大程度上取決于其“可控度”。自從美國學(xué)者L.Gyugyi在1976年提出利用半導(dǎo)體變流器進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)睦碚撘詠?，世界各國的專家對大功率新型靜止同步補(bǔ)償器的理論研究于工程應(yīng)用方興未艾。

    現(xiàn)在ASVG在工程應(yīng)用方面已有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展和進(jìn)步。在理論研究上，對ASVG的研究成果主要集中在主電路接線方式及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇、系統(tǒng)模型的建立、控制器設(shè)計以及裝置在電力系統(tǒng)中作用等方面，目前投入運(yùn)行的ASVG的主電路多采用多重化結(jié)構(gòu)，即使用多個逆變器并通過變壓器次級的適當(dāng)連接，可將多個逆變器輸出的波形移相疊加，得到近似于正弦波形的三相對稱輸出電壓。

    在研究ASVG的非線性動態(tài)建模的同時，ASVG的控制策略和控制器的設(shè)計也是研究的一個焦點(diǎn)。ASVG的控制器通常由內(nèi)環(huán)控制器和外環(huán)控制器兩部分組成。內(nèi)環(huán)控制器的基本任務(wù)是產(chǎn)生一個同步的驅(qū)動信號，從而在變流器的輸出電流和無功指令之間建立一種線性的關(guān)系。

3、ASVG裝置的基本原理

３.１ASVG的工作原理

    如圖1所示為ASVG的工作原理示意圖，其中直流側(cè)為儲能電容，為ASVG提供直流電壓支撐，逆變器通常由多個逆變橋串聯(lián)或并聯(lián)而成，其主要功能是將直流電壓變換為交流電壓，而交流電壓的大小、頻率和相位可以通過控制逆變器中可關(guān)斷器件的驅(qū)動脈沖進(jìn)行控制。

圖1 ASVG裝置調(diào)節(jié)無功的原理示意圖

圖2 單相橋電路

    由于單相橋電路是構(gòu)成ASVG裝置的基礎(chǔ)，而且三相橋工作原理也與它類似，本節(jié)將從單相橋電路的工作原理著手，對ASVG裝置進(jìn)行分析。

圖3單相橋電路個可關(guān)斷器件的觸發(fā)脈沖及輸出電壓

圖4單相橋電路

    (1)圖4所示單相橋電路接入系統(tǒng)的等效電路圖。圖3給出了單相橋電路各個可關(guān)斷器件的觸發(fā)脈沖及時序關(guān)系。由圖4可以分析一周期內(nèi)各關(guān)斷器件導(dǎo)通的情況及單相橋電路的工作狀態(tài)。

3.2.2ASVG裝置的時域數(shù)學(xué)模型

    圖5為ASVG裝置原理接線圖，可利用輸入輸出建模方法來建立。

圖5 ASVG裝置的原理接線圖

圖6 ASVG系統(tǒng)控制方框圖

    在PID控制器中，微分作用主要是針對具有大慣性的被控對象，改善其動態(tài)性能，穩(wěn)定性增加，但對擾動敏感，抑制外擾能力減弱，在ASVG中，由于對基頻信號進(jìn)行調(diào)制，引進(jìn)了高頻干擾，不益采用PID控制，因此在本裝置中采用Fuzzy-PI控制器。

4、仿真結(jié)果

4.1仿真方案及仿真結(jié)果

    用交流電動機(jī)模擬電網(wǎng)的沖擊無功負(fù)荷，通過測試接入點(diǎn)的電壓有效值變化檢測ASVG的動態(tài)調(diào)節(jié)性能，包括響應(yīng)速度和對接入點(diǎn)電壓的調(diào)節(jié)效果。仿真中通過檢測a、b、c相三點(diǎn)的電壓變化來測試ASVG的動態(tài)特性。本仿真中在380V電網(wǎng)中接入5臺5KW的電動機(jī)來模擬沖擊無功負(fù)載?？刂品桨覆捎们懊嫠龅碾娏鏖g接控制。接入多臺電動機(jī)運(yùn)行，依次接入或切斷運(yùn)行的部分電動機(jī)，依據(jù)母線和接入點(diǎn)電壓波形，測試ASVG快速的動態(tài)無功調(diào)節(jié)性能以及對整個電網(wǎng)的電能質(zhì)量改善作用。實(shí)測表明，采用動態(tài)無功補(bǔ)償裝置后，供電母線電壓波動和閃變得到了有效的抑制，凈化了電網(wǎng)的環(huán)境。其應(yīng)用比較結(jié)果如圖9所示。

(a)ASVG輸出電流彼形

(b)ASVG輸出無功量

(c)系統(tǒng)供電母線電壓波形

(d)ASVG投人前的電壓波動

(e)ASVG投入后的電壓波形

圖9ASVG對電壓波動和閃變的抑制效果

5、結(jié)論

    該控制方案，能有效的對系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償，提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，且對各種性質(zhì)的無功均能實(shí)現(xiàn)動態(tài)的連續(xù)調(diào)節(jié)，穩(wěn)定工作點(diǎn)的電壓，有效的提高了電能質(zhì)量，降低了電網(wǎng)的損耗。在較惡劣環(huán)境下，系統(tǒng)工作正常，裝置可靠性高，能夠滿足長期運(yùn)行的需要。本文闡述了ASVG的無功補(bǔ)償原理，并同常規(guī)的靜止無功補(bǔ)償裝置相比較，ASVG具有突出的優(yōu)點(diǎn):容量大、響應(yīng)快、精度高、輸出電壓諧波含量小、控制手段先進(jìn)等，成為靜補(bǔ)裝置的首選。建立了ASVG的穩(wěn)態(tài)模型，并采用開關(guān)函數(shù)法建立了動態(tài)數(shù)學(xué)模型，為更好的理解ASVG原理及實(shí)現(xiàn)有效的控制奠定了基礎(chǔ)。