一種新型靜止無(wú)功發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

湯茂然

摘 要：靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG）是目前無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)領(lǐng)域的代表，可以有效補(bǔ)償無(wú)功和抑制諧波，提高功率因數(shù)，改善電能質(zhì)量。文章在分析了SVG的基本原理和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，選擇了I型三電平三橋臂結(jié)構(gòu)逆變器作為SVG的主電路，選擇了基于DSP+FPGA的矢量發(fā)生器作為系統(tǒng)的主控制器。最后，借助示波器和功率分析儀對(duì)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試和分析，測(cè)試了系統(tǒng)在無(wú)功補(bǔ)償、諧波補(bǔ)償以及目標(biāo)功率因數(shù)下的實(shí)際補(bǔ)償效果，分析了系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償和諧波補(bǔ)償性能，通過(guò)實(shí)驗(yàn)再次驗(yàn)證了整個(gè)新型SVG系統(tǒng)的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：靜止無(wú)功發(fā)生器；電能質(zhì)量；三電平；DSP+FPGA

目前我們國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平還處在騰飛時(shí)期，這一切都不能沒有電，因此，用電的需求只會(huì)有增無(wú)減。所以，怎樣把電能質(zhì)量提高，且穩(wěn)定高效地運(yùn)行的問(wèn)題日益顯現(xiàn)。首先要考慮的就是如何把無(wú)功量降下來(lái)，如果忽略電網(wǎng)系統(tǒng)中的無(wú)功量，任其一直攀升，肯定會(huì)導(dǎo)致大量的電壓損失和電能損耗，還會(huì)造成電壓跌落，這對(duì)于電能質(zhì)量也有很壞的影響，不利于電力系統(tǒng)安全高效運(yùn)行[1]。

相對(duì)于其他的各類武功補(bǔ)償裝置而言，靜止無(wú)功發(fā)生器（Static Var Generator，SVG）具有響應(yīng)計(jì)時(shí)、運(yùn)行損耗和噪音更小、便于維護(hù)等優(yōu)勢(shì)，該裝置可以對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)連續(xù)補(bǔ)償，可以非常有效地將負(fù)序無(wú)功電流、電流突變以及諧波等情況進(jìn)行改善，因此該技術(shù)很快就得到了快速發(fā)展，成為智能無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)領(lǐng)域的代表。

1 新型SVG的總體方案設(shè)計(jì)

本文根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)一款補(bǔ)償容量為±200 kVar，用于電壓等級(jí)為380 V的SVG系統(tǒng)，既可以單獨(dú)使用，也可以進(jìn)行大容量大功率的動(dòng)態(tài)連續(xù)補(bǔ)償，比如用在軋鋼廠、地鐵、港口、整流和感應(yīng)加熱設(shè)備等復(fù)雜場(chǎng)合的負(fù)載上，新型SVG規(guī)格要求如表1所示。

1.1 SVG的補(bǔ)償原理

SVG采用橋式電路結(jié)構(gòu)，其工作原理是將能夠自換相的橋式電路接入電網(wǎng)，中間可以加入電抗器，也可以直接并電網(wǎng)上，并通過(guò)控制逆變器開關(guān)器件的通斷來(lái)控制輸出電壓電流的幅值和相位，整個(gè)裝置類似一個(gè)可調(diào)相的交流源，通過(guò)監(jiān)測(cè)分析電網(wǎng)電流無(wú)功分量，吸收或者發(fā)出相位相反，大小相同的電流來(lái)平衡無(wú)功[2]，其工作原理如圖1所示。

從一定意義上說(shuō)，可以把SVG等效成交流源，并且它的幅值和相位可調(diào)，其頻率和電網(wǎng)一致，但它本身還是有一定損耗的，需要將其等效到電抗上電阻一起考慮。SVG系統(tǒng)的單相等效電路如圖2所示，其中電抗上的電壓等于X兩端電壓和R兩端電壓的向量和，也等于和之間的向量差。

由于逆變器沒有有功損耗，與相位差仍為90°，但是電網(wǎng)側(cè)的電壓與卻不一樣，他們之間的相位差跟90°還有一個(gè)δ角，實(shí)際上是會(huì)有有功損耗的，而這個(gè)損耗又需要電網(wǎng)來(lái)給予補(bǔ)償，向量差其實(shí)就是這個(gè)δ角，因此只要控制δ角以及的幅值，電流就得到了有效控制，以此來(lái)補(bǔ)償無(wú)功[3]。

1.2 新型SVG主電路設(shè)計(jì)方案

SVG主電路的核心部分其實(shí)就是一個(gè)逆變器電路。逆變器的結(jié)構(gòu)類型目前主要有3種：兩電平、三電平和多電平逆變器?？紤]到逆變器的損耗、設(shè)計(jì)成本以及簡(jiǎn)化控制等問(wèn)題，選擇了三電平逆變器作為SVG的主電路設(shè)計(jì)方案[3]。對(duì)于三相四線制三電平SVG系統(tǒng)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有三橋臂和四橋臂兩種。三橋臂SVG要比四橋臂少了一個(gè)N橋臂，因此其零序補(bǔ)償能力稍弱一些，但通過(guò)電容分壓方式，其結(jié)構(gòu)與三相三線制基本相同，不需要額外的硬件，開關(guān)狀態(tài)少，控制容易，易擴(kuò)展，且成本較四橋臂低得多。并且如果采用全數(shù)字化控制方法，可以及時(shí)高效地計(jì)算出指令電流，也可以自由選擇補(bǔ)償模式，因此，三電平三橋臂SVG適用性更廣，故采用三橋臂結(jié)構(gòu)。

由于傳統(tǒng)的二極管鉗位三電平電路的損耗過(guò)于集中，會(huì)導(dǎo)致局部過(guò)熱，因此對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，將二極管鉗位三電平電路改為有源鉗位三電平電路，使其內(nèi)管損耗部分轉(zhuǎn)移到鉗位管，有效地分散了內(nèi)管損耗，解決了局部過(guò)熱問(wèn)題，從而使系統(tǒng)穩(wěn)定性得到提高，改進(jìn)后的三電平逆變器主電路如圖3所示。

1.3 控制電路的設(shè)計(jì)與選型

新型SVG采用DSP和FPGA相結(jié)合的控制方案來(lái)實(shí)現(xiàn)矢量發(fā)生器選擇的DSP芯片是TI公司的TMS320F28377DZWT芯片，它是一款32位雙核處理器，性能非常強(qiáng)大，其結(jié)構(gòu)上采用核心板加底板方式設(shè)計(jì)，尺寸為130 mm×90 mm，底板采用沉金無(wú)鉛工藝的兩層板設(shè)計(jì)。另外，F(xiàn)PGA則采用功耗小、成本低、但速度快的高性能10M02SCU169I7G芯片，用于輔助DSP對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制[4]。

1.4 新型SVG總體結(jié)構(gòu)框圖

通過(guò)對(duì)SVG的原理、系統(tǒng)構(gòu)成以及主電路逆變器拓?fù)涞姆治?，并?duì)采樣、濾波、控制等電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架如圖4所示。

1.5 SVG的控制方案

SVG系統(tǒng)采用的電流控制方法為直接電流控制策略，對(duì)比其他方法，采用該方法可以使SVG系統(tǒng)響應(yīng)更及時(shí)，控制角度更加精確，采用該方法時(shí)可以認(rèn)為SVG就是一個(gè)受控電流源。

為了使新型SVG系統(tǒng)性能得到改善，提高控制精度和響應(yīng)速度，并減少設(shè)備體積等，在設(shè)計(jì)中盡可能地減少了模擬電路控制模塊的設(shè)計(jì)，而是更多地采用了數(shù)字化地控制方式，主要采用的有數(shù)字PI控制器和數(shù)字鎖相環(huán)兩種數(shù)字控制模塊。

2 新型SVG系統(tǒng)的仿真分析

為了避免系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)較大失誤，可以通過(guò)Matlab軟件搭載系統(tǒng)的整體仿真模型，在仿真后通過(guò)實(shí)物搭建，以此提高設(shè)計(jì)效率和系統(tǒng)可靠性[5]。

2.1 仿真模型的建立

主要仿真參數(shù)為：電壓有效值380 V，電感0.2 mH，等效電阻0.5 Ω，總母線電壓設(shè)為800 V，單側(cè)母線電壓設(shè)為400 V（實(shí)際為380 V左右），正負(fù)母線電容分別為5 600 μF×6。在進(jìn)行系統(tǒng)的仿真調(diào)試時(shí)，為了使系統(tǒng)取得更好的控制效果，會(huì)不斷對(duì)參數(shù)進(jìn)行修正和優(yōu)化[6]。所設(shè)計(jì)的新型SVG系統(tǒng)的整體仿真模型如圖5所示。

2.2 仿真結(jié)果分析

搭建仿真模型后，通過(guò)Simulink中示波器模塊得到負(fù)載側(cè)和電網(wǎng)側(cè)電壓電流的仿真波形，可以大致了解系統(tǒng)的無(wú)功、諧波補(bǔ)償能力和電網(wǎng)電能質(zhì)量的提高情況。系統(tǒng)的無(wú)功（包括感性和容性）及諧波補(bǔ)償?shù)姆抡娌ㄐ稳鐖D6—7所示。

由圖6—7波形可看出，加感性或容性負(fù)載后，通過(guò)SVG啟動(dòng)補(bǔ)償后，電網(wǎng)電壓和電流之間的相位差從較大恢復(fù)到幾乎為純阻性負(fù)載的情況，有較好的無(wú)功補(bǔ)償效果。

由圖8可知新型SVG系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)諧波的抑制能力也非常強(qiáng)，高次諧波的含量降到了0.1%以下。綜上，通過(guò)仿真模型的波形分析可知該系統(tǒng)具有良好的無(wú)功補(bǔ)償和諧波抑制效果。

3 新型SVG系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)樣機(jī)研制成功后，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了測(cè)試和分析，測(cè)試了該系統(tǒng)在無(wú)功補(bǔ)償、諧波補(bǔ)償以及目標(biāo)功率因數(shù)補(bǔ)償情況下的不同工況。

3.1 無(wú)功補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)分析

在該實(shí)驗(yàn)中以補(bǔ)償容性負(fù)載為例（補(bǔ)償感性負(fù)載后的波形幾乎與容性一致），補(bǔ)償前、后的電網(wǎng)電壓和電流波形分別如圖9和圖10所示，其中第4通道顯示的為電網(wǎng)電壓波形，第1通道顯示的為補(bǔ)償后的電網(wǎng)電流波形。

從上述電網(wǎng)電壓、電流補(bǔ)償后的波形可以看出，補(bǔ)償后電網(wǎng)中的無(wú)功分量被有效抵消了，恢復(fù)到了未加容性負(fù)載時(shí)的狀況，但由于電網(wǎng)本身的復(fù)雜性，就算無(wú)功分量得到完全補(bǔ)償，也幾乎不可能得到標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，但從補(bǔ)償前后的相位變化，已經(jīng)可以得出結(jié)論，所設(shè)計(jì)的新型SVG系統(tǒng)對(duì)于無(wú)功補(bǔ)償具有良好的效果，補(bǔ)償后電壓電流相位幾乎一致，功率因數(shù)明顯提高，即電網(wǎng)電能質(zhì)量得到了改善。

3.2 諧波抑制實(shí)驗(yàn)分析

新型SVG系統(tǒng)的諧波補(bǔ)償原理和無(wú)功補(bǔ)償原理基本相同，就是先把電網(wǎng)電流檢測(cè)出來(lái)，再通過(guò)分析電網(wǎng)電流中的諧波分量，并輸出大小相同、方向相反的電流給電網(wǎng)，用這種辦法來(lái)抵消掉電網(wǎng)電流中的諧波部分，以此來(lái)使電網(wǎng)的電能質(zhì)量得到提升。

為了便于觀察并得到真實(shí)的檢測(cè)波形，再檢測(cè)SVG系統(tǒng)輸出電流時(shí)，將電流環(huán)進(jìn)行了反向設(shè)置，因此實(shí)際輸出電流波形與檢測(cè)電流波形相反，以達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?。圖11和圖12為模擬諧波補(bǔ)償時(shí)的輸出電流波形。

從示波器中可看到，所設(shè)計(jì)的新型SVG系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)諧波補(bǔ)償?shù)男Ч浅：?，啟?dòng)和關(guān)閉時(shí)的相應(yīng)時(shí)間大約為20 ms，系統(tǒng)輸出電流反向波形與電網(wǎng)諧波電流分量波形幾乎一致，能夠有效地進(jìn)行動(dòng)態(tài)諧波補(bǔ)償。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種新型靜止無(wú)功發(fā)生器的整體設(shè)計(jì)方案，結(jié)合軟件仿真對(duì)控制策略以及整體方案的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證，且完成了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的研制，通過(guò)示波器和功率分析儀對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性和可行性。該新型SVG可有效改善電能質(zhì)量和提高電網(wǎng)效率，具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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