机场供电系统无功功率补偿方案探讨

王 立

（江西省机场集团公司，江西 南昌 330114）

0 引 言

无功功率的产生，对机场电力系统产生严重的安全威胁，不仅使电能被损耗，而且使设备的寿命受到严重的影响。因此，利用谐波治理和无功补偿等措施势在必行。

1 机场无功功率产生机理分析

1.1 阻感负载整流电路模型和功率因数分析

空调、电梯、风机等用电设备能够产生一定的阻感负载，交直交变频通常是这类设备采用的控制方式。在电网中，逆变环节的谐波对其产生的影响可以忽略不计。这主要是因为其中间存在滤波环节，通常是由电容或电感组成，可以对谐波进行有效滤除[1]。因此，在稳态运行的前提下，对整流环节对电网的影响进行分析，其等值电路如图1所示，以三相桥式整流控制电路模型来进行分析。

阻感负载的三相桥式整流电路中，对相关数据进行设定：交流侧电抗为零，直流电感为无穷大。通过相关计算可得三相平衡电源为：

其中，α为触发延迟角，E为电源电压有效值。电流是方波的一种，120°是其相位之间的差，因此可知电流基波和谐波的有效值为：

1.2 带滤波电容的整流电路模型

航站楼内的带滤波电容的整流电路包括UPS、电脑显示器、信号监控自动检售票及门禁等，其电路模型如图2所示，其能够有效的展示出谐波指标、功率因数、谐波次数以及电路参数之间的关系[2]。当稳定状态出现在电容滤波型二极管单相桥式整流电路中时，需要对二极管进行有效设定，将其分别设定为VD1和VD4，在距电源电压过零点θ处，对二极管进行通电，在二极管通电得到保障的前提下来完成电容供电操作，导通期间需要满足如下条件：

图2 电容滤波型桥式滤波电路

2 静止无功发生器工作原理和控制策略

静止无功发生器（SVG）是电压源逆变器的一种，其单相等效电路如图3所示，其工作方式主要有如下3种。第一种，当Ur=Us时，IL=0，无功电流不存在于该种方式下；第二种，当Ur＞Us时，该种工作方式下，由发生装置流向电源方向与IL方向保持一致，并且有无功的存在；第三种，当Ur＜Us时，电源指向发生装置为IL方向。这3种状态之间能够进行有效的切换，从而为电流能够持续调整提供保障，以此来使得无功功率补过现象的杜绝得以实现[3]。

图3 静止无功发生器单相等效电路

自动换相的H桥电路级联能够形成静止无功发生器，将串联电抗器直接连入电网之中，利用有效手段来对控制输出到电网的波形，从而使电网谐波治理和功率因数补偿得以实现。检测运算电路和补偿电流产生电路是核心控制部分的主要成分，检测运算电路主要起到计算无功补偿和谐波总电流的作用，在补偿值得到有效确定的前提下，补偿电流发生电路开始运作，并对H桥起到驱动的作用，从而有效获取电网所需的实际补偿电流值。先对标幺值基准模型进行有效的构建，之后将静止无功发生器的实名值方式向标幺值模型进行转化，将其与系统中的方程进行联合，从而使参数能够被有效的解出，进而使静止无功发生器交流和直流两侧的容量基准值保持一致，即：

其中，UdB为直流侧电压，IdB为直流侧电流，RdB为直流侧电阻，XdB为直流侧电抗，UφB为交流侧相电压基准值，ωB=3.16rad/s，从而使电网参数的标幺值被有效获取。使用主回路和连接环节简化的方式，从而使静止无功发生器的基波准稳态模型得以有效建立，Ud代表直流电容器电压，Id代表直流电容器电流，XG（无损）代表变压器短路电抗，静止无功发生器的输出基波相电压的有效值为UA，Us与UA之间的相位差用δ代表，交流系统母线电压值用Us代表，将静止无功发生器的内部损耗忽略不计，从而得出功率方程为：

3 静止无功发生器的系统仿真

静止无功发生器的系统仿真架构如4所示，电源系统、负载部分、静止无功发生器无功与谐波发生器等是主回路中的主要构成成分，载波移相和单极倍频是模型控制的主要策略，移相作用主要是利用传输延迟模块来完成，从而获取最终的调制波。调制波的形成条件为H桥的参考调制信号与直流侧电容电压控制量进行叠加。调制波与三角载波相比，可以使H桥的4个可关断绝缘栅双极晶体管管子的触发信号有效获得。相内电压平衡控制与相间平衡相结合的方式是仿真模型架构中使用的主要方式。

图4 系统仿真构架图

3.1 系统静态响应特性

将仿真过程中的时间设定为0.25 s，利用三相桥式硅二极管来进行整流，电阻值为90 Ω，电容值为1 000 μF，断路器所在的支路将其余负载进行断开，其仿真波形如图5所示。由图5可知，电流波形畸变由电网中典型整流电路所导致，电流的正负半波形成了两个波头，波峰电流幅值大约在75 A。根据电网中的谐波成分和无功功率，静止无功发生器能够将所需的波形进行有效生成，如图6所示。静止无功发生器发出的三相补偿电流相位之间存在一定的差异，但是其波形大致相同，并且电流幅值在23 A左右。利用静止无功发生器来对电流进行补偿，将三相电流进行10 ms的调整，从而使其稳定的正弦状态得到有效的恢复，8 A为三相电流振幅的最大值，如图7所示。基波所在处电流进行有效的聚集，该位置处的谐波含量可以忽略不计，功率因数大约为0.968，从而使系统无功补偿的静态响应能力得到有效的验证。

图5 补偿前三相电流波形

图6 补偿后三相电流波形

图7 补偿后电流频谱分布

4 结 论

从静止无功发生器无功补偿仿真系统中可知，该系统能够使无功补偿和谐波抑制得以实现，并且使功率因素得到有效的提高。此外，过补现象和欠补现象都未发生。