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《大容量无功快速补偿方法的研究》
陈 静1，,涂梦洁1，王一飞2 ，袁估新1，程琪惟2 (1.武汉理工大学自动化学院,湖北武汉430070；2.中国船舶重工集团公司第七二二研究所,湖北武汉430205)
摘要: 随着配电网和负载的功率日益增加及波动频繁,对无功补偿方法的容量和快速性提出了更高的需求。针对现有无功补偿方法无法满足 配电网和名载对无功补偿容量大、快速性的需求,文章提出一种大容量无功快速补偿方法。该方法采用分级投切电容器和连续可调电容器协调配合,分级投切电容器对系统进行大容量的基准无功补偿，连续可调电容器进行快速精准的微调无功补偿，提高系统的功率因数，使大容量配电网或负载的功率因数维持在目标值。利用Matlab/Simulink完成了补偿系统的仿真设计和分析, 验证了大容量无功快速补偿方法的合理性和有效性。 关键词:无功补偿；分级投切电容器；连续可调电容器；仿真分析
0 引言 配电网和负载的功率日益增加、波动频繁，对无动补偿方法的容量和快速性提出了更高的需求。常用的静止无功补偿方法将电容器与负载并联，电容器提供无功功率。由于补偿电容是固定的，易造成系统过补偿或欠补偿，无法满足负载无功功率变化较快的补偿需求，还会影响电能质量。传统的无功补偿装置有晶闸管投切电容器(TSC)、晶闸管控制电抗器(TCR)、固定电容器+品闸管控制电抗器(FC+TCR)及混合型(TCR+TSC)。TSC型无功补偿器是一种有级的调节，对于无功时变的负载，单独使用TSC无法快速跟负载无功变化，易造成系统过补偿或欠补偿。TCR型补偿器向系统提供感性无功功率，针对配电网或负载基本上都是感性负荷的特点，只有配合电容器才能有效地进行无功补偿。 因此,笔者提出了复合电力负载的动态无功补偿方法，该方法结合可调电容器组和电力电子电抗器，分别发出无功和吸收无功使整体发出的无功满足动态需求；通过智能控制器控制电力电子电抗器中晶闸管的导通角，改变变压器二次侧电流大小，进而通过电磁感应来改变变压器一次侧电流，达到阻抗可调的效果，使电力电子电抗器动态地调节无功功率。在样机实验中，针对某冲压设备应用该补偿方法，负载波动情况下平均补偿时间为10s～20s，快速跟随性较差，不能满足快速性的需求。 文献采用调容装置与一定值电感并联，通过控制开关器件的驱动电路来改变脉冲占空比的大小，连续调节主电路中调容装置的等效电容，从而达到调节无功功率的目的。但该补偿方法采用的调容装置和定值电感的调节范围有限，总无功调节容量小，无法应用于大功率时变负载的动态无功补偿。 因此，本文提出一种大容量无功快速补偿方法(以下简称补偿方法)，采用分级投切电容器和连续可调电容器协调配合，分级投切电容器对系统进行大容量的基准无功补偿，连续可调电容器进行快速精准的微调无功补偿。
1 补偿方法的原理 大容量无功快速补偿方法采用由电能检测模块、控制器、连续可调电容器和分级投切电容器组成的大容量无功快速补偿系统(以下简称补偿系统)来完成大功率负载的快速无功补偿,其拓扑结构如图1所示。
图1 大容量无功快速补偿系统的拓扑结构
图1中，连续可调电容器和分级投切电容器并联，限流电感与连续可调电容器串联。分级投切容器由多组快速熔断器、电容接触器和电容器的串联电路经过并联后组成；连续可调电容器由2组电力电子容抗变换器（2个逆阻型IGBT器件经过反向并联组成）和电容器的串联电路经过并联后组成，逆阻型IGBT分别由两路周期相等且波形互补的PWM脉冲信号进行控制。 根据补偿系统的拓扑结构，大容量无功快速补偿系统发出的总无功功率Qs为
式中：f
PWM1和PWM2是周期均为∆t PWM1和PWM2波形互补，占空比之和为1，作用的时间分别为∆t1和∆t2,且∆t=∆t1+∆t2。连续可调电容器中串有电感值较小的限流电感，在逆阻型IGBT快速开通和关上断期间，由于开关频率高，开通和关断时间短，电容上的电压不会产生突变，瞬时流过电容C1、C2的支路电流iC1、iC2与流过连续可调电容器上的总电流iC0相等。
由于∆t  同理，
在1个脉冲周期∆t时间内，∆UC1作用时间为∆t1，∆UC2作用时间为∆t2，则1个脉冲周期内连续可调电容器上的电压变化量为
将等式（3）代入（4）得
由于瞬时电流iC1和iC0相等，将式（2）代入式（5）得
PWM1和PWM2波形互补，故PWM1和PWM2占空比之和为1,记脉冲占空比 
当电容C1、C2的值固定时，通过改变逆阻型IGBT的脉冲占空比D的大小，即可连续平滑地调节连续可调电容器的等效电容C0的容值,使其发出的无功功率平滑可调。 将式（7）代入式（1）整理得
由式（8）可知： 1）当C1和C2的值一定时,通过改变投入的分级投切电容器C1，可以有级地改变补偿系统输出的无功功率Qs的大小，对负载或配电网进行大容量的基准无功补偿。 2）通过调节逆阻型IGBT的脉冲占空比D，可以连续平滑地调节补偿系统输出的无功功率Qs的大小，逆阻型IGBT的调节速度快，可对负载或配电网进行快速的微调无功补偿。 补偿系统中，分级投切电容器和连续可调电容器协调配合，可以对大容量的配电网或负载进行平滑精准的快速无功补偿。
2 补偿方法的实现 设补偿前负载上的有功功率为PL、功率因数为ph,目标功率因数为ph0,则负载需要补偿的总无功QB为
针对波动频繁的负载，QB的范围为QBmin～QBmax 。连续可调电容器所能补偿的无功范围为QC0min～QC0max；分级投切电容器的补偿级数为N(N为大于等于1的整数)，第k(1≤k≤N)级补偿的基准无功为QCfk，则分级投切电容器的最低补偿无功为QCfl，最高补偿无功为QCfN。 工程上使用的补偿电容容量一般为5kvar的倍数，分级投切电容器和连续可调电容器的容量应配置为5kvar的整数倍。在此前提下，为了满足补偿系统的补偿容量和实时精准性，对分级投切电容器和连续可调电容器的容量按照下式进行配置:
某时刻，补偿对象的无功缺量为QL，根据上述配置原则，大容量无功快速补偿方法的实现采用如下规则： 1)当QC0min<QL<QC0max时,断开接角触器KM11~KM1n，不投入分级投切电容器；控制器输出脉冲信号，控制电力电子容抗变换器中逆阻型ICB的脉冲占空比，调节连续可调电容器的等效容值，使其快速地发出无级可调的无功功率，使功率因数达到目标值。
2)当QCfk+QC0min 根据上述规则，在满足补偿容量的前提下，可以实现补偿方法的快速性和精准性。
3 仿真分析及验证 利用 Matlab/ Simulink设计连续可调电容器的仿真模型和大容量无功快速补偿仿真系统,并配置各项仿真参数,验证补偿方法的合理性和有效性。 3.1 仿真模拟对象 以常州某工厂冲压设备为模拟补偿对象,该设备1天8:00至17:00之间整点时刻的无功缺量如图2所示。
图2 负载无功
仿真研究中，以该冲压设备一天内的无功变化情况作为模拟负载的无功变化量。8：00至17：00整点时刻，冲压设备的最大无功缺量和最小无功缺量分别为87kwmr和17kvar，相邻时刻最大无功变化量和最小无功变化量分别为22kvar和8kvar。 针对该冲压设备上述无功波动特性，结合工程上使用的补偿电容容量和式(5)所述的容量配置原则，仿真模型中分级投切电容器的单组容量分别选定为10kvar、20kvar和30kvar；连续可调电容器中C1和C2的容量分别配置为10kvar和20kvar。 3.2 连续可调电容器的仿真分析 为了研究连续可调电容器发出的无功与逆阻型IGBT脉冲占空比的关系，根据图1构建连续可调电容器仿真模型,如图3所示。
图3 连续可调电容器仿真模型
逆阻型ICBT具有正向导通、反向截止的特性，图3中的逆阻型IGBT采用ICBT和二极管的串联模型，可以达到反向截止的目的。限流阻抗中小电感设置为20μ
表1 不同占空比下连续可调电容器发出的无功
U为电压有效值，I为电流有效值，QC0m和QC0t分别为连续可调电容器发出无功的测量值和理论值，理论值QC0t由式(1)和式(7)得到，相对误差率σ
随着逆阻型IGBT的脉冲占空比D的变化，连续可调电容器发出无功的测量值QC0m和理论值QC0t基本相近，其相对误差率的绝对值小于8%。由此验改变脉冲占空比的大小，可以连续平滑地调节补偿系统输出的总无功大小，实现快速平滑的无功补偿。 占空比为0.45时,逆阻型IGBT的开关电流如图4所示,电容电压和电流波形如图5所示。
图4 逆阻型IGBT的开关电流
图5 电容C1和C2的电压与电流
由图4可知，由于每一臂的反并联逆阻型IGBT结构，电力电子容抗变换器具有优良的正向导通、反向截止特性，同一臂上反并联逆阻型IGBT的开关电流波形互补，两臂的开关电流分别相等。由图5可知，在逆阻型IGBT高频通断过程中，由于限流电感的作用，电容上的电压连续变化，没有发生突变，对电路和开关器件无冲击影响。电容电压上未看到明显的尖峰毛刺，这与电感的取值、仿真环境和仿真模型均为理想型器件有关。在实际应用中，由于小电感的存在，电压波形会出现尖峰毛刺，对电容和开关器件造成影响，需要减少尖峰毛刺，对电容和开关管进行保护。在保证输出电压波形连续性和平滑性的基础上，应将小电感的值尽量取小，或加入滤波装置，对开关器件增加缓冲电路以进行保护。 3.3 补偿系统的仿真分析 根据补偿系统的拓扑结构,按照图2中模拟补偿对象的无功波动情况,设计大容量无功快速补偿的仿真模型如图6所示。
图6 大容量无功快速补偿系统的仿真模型
系统仿真模型中的三相交流电源为仿真系统提供电能；三相感性负载用于模拟负载无功的波 动；电压电流信号检測模块用于检测系统三相电压与电流；连续可调电容器和分级投切电容器分别封装于相应的模块中。 首先断开KM1和KM2，对补偿前的大容量无功快速补偿系统进行仿真,仿真数据见表2。
表2 补偿前系统仿真数据
TIk(k为1~10的整数)为负载无功变化的时刻，QL1为补偿前负载的无功缺量,pha为补偿前系统的功率因数。根据表2中不同时刻负载的无功缺量，结合补偿方法的实现原则，制定分级投切电容器和连续可调电容器的投切策略见表3。表3中“1”代表接触器闭合,“0”代表接触器断开。设目标功率因数ph0为1，按照表3所示的投切策略对负载进行无功补偿，补偿后系统的仿真数据见表4。表4中TⅡk（k为1~10的整数）为无功补偿完成的时刻，Qf为分级投切电容器的投切容量，Q0为连续可调电容器发出的无功量，QL2为补偿完成后负载上的无功缺量，phb为补偿后系统的功率因数。
表3 投切策略
表4 补偿后系统仿真数据
由表2、表3和表4可以看出： 1）补偿前，负载无功缺量大，无功波动频繁，系统功率因数低，需要进行大容量的无功快速补偿。 2）按照表3所示的投切策略对系统进行大容量的快速补偿，补偿完成后系统各个时刻的负载无功缺量均降到3kvar以内，系统的功率因数达到0.99以上，验证了补偿方法的精准性。 3）TⅡk－TⅠk =0.02s，即投入补偿系统后,完成无功补偿的时间为20ms，达到了快速补偿的效果,验证了补偿方法的快速性。 根据表2和表4，补偿前后系统的功率因数曲线如图7所示。
图7 补偿前后系统的功率因数曲线
对比图中的功率因数曲线,大容量无功快速 补现状.偿方法提高了系统的功率因数，在负载无功波动频繁的情况下,使系统的功率因数稳定保持在目标值，补偿效果精准。 为了体现大容量无功快速补偿方法的快速跟踪性能，将表4中不同时刻大容量无功快速补偿系统发出的无功量与补偿前负载的无功缺量进行对比，得到大容量无功快速补偿方法的跟踪效果如图8所示。
图8 补偿方法的跟踪效果
虚线为补偿前负载的无功铅量，实线为大容量无功快速 补偿系统发出的无功量。不同时刻负载的无功缺量一直在波动，大容量无功快速补偿系统发出的无功量也随之变化调整，2条补偿曲线外形相近、相隔仅20ms，补偿时间为毫秒级，验证了大容量无功快速补偿系统能快速地跟踪负载的无功变化，具有快速跟踪调节的性能。
4 结束语 针对现有无功补偿方法无法满足 配电网和负载对无功补偿容量大、快速性的需求,提出了一种大容量无功快速补偿方法，该方法采用了大容量无功快速补偿系统3分级投切电容器和连续可调电容器协调配合，实现大容量配电网或负载的快速无功补偿。通过仿真分析，补偿系统发出的无功量可快速跟踪负载无功缺量的变化，使系统的功率因数保持在目标值,达到快速精准的补偿效果，仿真结果验证了大容量无功快速补偿方法的合理性和有效性。
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为系统电压频率；U为电源电压有效值；C0为连续可调电容器的等效电容值；Cf为分级投切电容器的等效电容值，QC0、QCf分别为两者发出的无功功率。
且波形互补的两路高频触发脉冲信号,分别控制两臂的逆阻型ICBT，其频率在10kHz以上，故脉冲周期
