基于二極管箝位式SVG的電能質(zhì)量綜合控制技術(shù)研究

王智勇，沐欣欣，覃日升，敖剛，吳遠密，李冬東

（1.云南電網(wǎng)有限責任公司安寧供電局，昆明 650300；2.云南電網(wǎng)有限責任公司玉溪供電局，云南 玉溪 653100；3.云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217；4.云南電網(wǎng)有限責任公司西雙版納供電局，云南 景洪 666100）

0 前言

功率因數(shù)低、諧波含有率高和三相電流不平衡是中低壓配電網(wǎng)電能質(zhì)量的三個主要問題。無功功率在電力系統(tǒng)運行中不可或缺，無功不足會引起系統(tǒng)電壓降低甚至崩潰，損壞用電設(shè)備，破壞系統(tǒng)穩(wěn)定[1]。諧波電流將引發(fā)公用電網(wǎng)污染、中性線過熱，影響變壓器工作和絕緣保護可靠性等問題，產(chǎn)生大量負面影響[2-3]。三相不平衡系統(tǒng)的長期運行，會導(dǎo)致增大線路的電能消耗、増大配電變壓器的電能消耗等，影響電力器件安全[4]。綜合以上分析，將電力系統(tǒng)運行時電能質(zhì)量各指標控制在一定范圍內(nèi)，保證對用戶的供電質(zhì)量是電業(yè)部門的主要職責之一。傳統(tǒng)研究表明，無功缺失、諧波電流和三相不對稱問題均可通過定量補償?shù)姆桨笇崿F(xiàn)減小或消除[5]。

靜止無功發(fā)生器（Static Var Generator,SVG）是現(xiàn)代無功補償裝置和電力電子器件在無功補償上的應(yīng)用，其補償原理是通過裝置檢測電網(wǎng)所需要的無功電流，然后通過逆變裝置將補償?shù)闹绷鱾?cè)電壓逆變?yōu)榕c電網(wǎng)電壓具有相同性質(zhì)的補償電壓[6-7]。SVG通常具有響應(yīng)速度快[8]、補償能力強[9-11]、可靠性高[12]等優(yōu)點。

當前SVG尚未廣泛應(yīng)用到低壓系統(tǒng)中，尤其配電網(wǎng)系統(tǒng)。若能將SVG技術(shù)應(yīng)用到低壓三相四線制的配電網(wǎng)中，實現(xiàn)無功補償、諧波和三相不平衡的治理，可以優(yōu)化電壓分布、提高用戶側(cè)電能質(zhì)量、降低電能損耗，從而降低供電公司在運營中的成本，増大企業(yè)利潤，滿足各級用戶需求。

結(jié)構(gòu)選擇方面，由于三相全橋拓撲結(jié)構(gòu)SVG不能滿足配網(wǎng)條件下的靈活補償要求，而四橋臂結(jié)構(gòu)和三橋臂半橋結(jié)構(gòu)SVG具有完全相同的端口條件，但四橋臂結(jié)構(gòu)成本有所增加。僅管三橋臂半橋式拓撲結(jié)構(gòu)SVG存在直流側(cè)電容均壓控制問題，但是其電容電壓可以利用反饋來控制解決，制定相應(yīng)控制策略即可。故綜合考慮，選取三橋臂半橋拓撲結(jié)構(gòu)作為改進研究重點。

綜上所述，低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用SVG補償裝置，以提升電能質(zhì)量這一方案將日益受到關(guān)注重視[13]。本文將基于這一背景，結(jié)合可靠性和經(jīng)濟性以及補償不平衡電流的能力，研究設(shè)計二極管箝位式三相半橋結(jié)構(gòu)的SVG，并在云南電網(wǎng)實際低壓工況下開展仿真運用，并進行策略分析。

1 三相半橋SVG及其改進

三相半橋拓撲是三相四線制系統(tǒng)中常用的電壓型SVG結(jié)構(gòu)，圖1為三相半橋SVG拓撲結(jié)構(gòu)，各節(jié)點、支路和器件的電氣量標識如圖1。其直流側(cè)電容電壓控制應(yīng)滿足直流側(cè)電容電壓恒定和兩側(cè)電容電壓相對平衡這兩點要求。

圖1 三相半橋SVG拓撲結(jié)構(gòu)

假設(shè)系統(tǒng)電壓不含諧波分量，進一步得：

故三相半橋SVG逆變器的N相輸出能力為：

不平衡電流補償能力是衡量三相四線制SVG功能的另一個重要指標，三相半橋SVG在克服直流側(cè)電容均壓控制問題基礎(chǔ)上，可通過拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化實現(xiàn)。對此，本文提出了二極管箝位式三相半橋SVG結(jié)構(gòu)，其拓撲電路如圖2。

圖2 二極管箝位式三相半橋SVG拓撲結(jié)構(gòu)

二極管箝位式三相半橋SVG以電網(wǎng)電壓相位角θ為基準，對檢測電流ia、ib、ic分別做正序Park變換和負序Park變換，變換輸出正序有功、正序無功和負序有功、負序無功四個電流分量，以作為反饋值開展閉環(huán)控制。調(diào)制波信號各序分量控制框圖如圖3。

正序分量中直流側(cè)電壓目標值Udcref與直流側(cè)電壓反饋值Udc做PI調(diào)節(jié)，輸出正序電流有功指令值。進一步對SVG輸出電流做Park變換，將輸出的dq正序檢測值作為反饋值，進行閉環(huán)控制。該電流控制閉環(huán)的輸出為電壓調(diào)制信號的有功分量和無功分量，經(jīng)過解耦后輸出再通過dq/abc逆變換輸出正序的三相調(diào)制波

根據(jù)圖1可列出等效電路狀態(tài)方程為：

零序分量則以0作為兩極電壓Udc1和Udc2的差值的控制目標值做閉環(huán)PI調(diào)節(jié)，再以調(diào)節(jié)后的輸出值為指令與零序電流做閉環(huán)PI調(diào)節(jié)，生成零序調(diào)制波信號mz。

基于上述正負零序控制策略，加入并聯(lián)重復(fù)控制和串聯(lián)重復(fù)控制，最終形成總控制框圖3。

圖3 加入重復(fù)控制的總控制框圖

2 SVG治理效果仿真分析

為了驗證前文提出的二極管箝位式SVG及其控制策略的理論的可行性，本文在PSCAD環(huán)境下搭建了SVG主電路仿真模型，如圖4。結(jié)合某10 kV現(xiàn)場工況，負載側(cè)三相有功負載分別為85 A，100 A，120 A，即存在三相負載不平衡情況。

圖4 二極管箝位式SVG主電路仿真模型

基于圖3控制框圖策略，在PSCAD環(huán)境下的電能治理仿真結(jié)果如圖5至7，治理后三相負載電流均為100 A。

圖5 補償前電網(wǎng)電流

圖6 補償后電網(wǎng)電流

對比圖5和圖6，二極管箝位式SVG實現(xiàn)了系統(tǒng)的三相不平衡治理；由圖7知，二極管箝位式SVG的調(diào)制信號沒有飽和并且具有很好的正弦度，具備適應(yīng)該10 kV負載不平衡工況電能質(zhì)量治理的能力，能運用于該場合。

圖7 SVG輸出電流

此外，通過整個仿真時長統(tǒng)計，直流電壓穩(wěn)定在780 V左右，正負極直流電壓均穩(wěn)定在390 V附近。故圖3中的控制策略適用于二極管箝位式SVG，具有良好的穩(wěn)定性和控制精度。仿真結(jié)果顯示，本文提出的二極管箝位式SVG治理效果及控制策略理論層面有效，可在工程中進一步實踐運用。

3 SVG樣機實現(xiàn)及運用

為了驗證前文提出的控制策略在實際工程中的可行性，本文搭建了低壓SVG樣機實用平臺。樣機的額定容量為40 kVar，額定電壓為400 V，額定電流為60 A，其安裝10 kV某低壓臺區(qū)。基于仿真分析，本節(jié)將分析樣機的電能治理補償效果，以驗證工程實用性。

3.1 不平衡補償效果

通過樣機開機前調(diào)整三相可調(diào)電阻，從而使三相電流不平衡，通過功率分析儀記錄此時三相電流；設(shè)置樣機運行于補償不平衡模式，待輸出穩(wěn)定，測量三相電流。SVG樣機投入前后三相電流及不平衡度對比如表1和表2所示，樣機投入前后電網(wǎng)電流趨于三相平衡，不平衡度治理效果顯著。

表1 SVG樣機投入前三相電流及不平衡度

表2 SVG樣機投入后三相電流及不平衡度

3.2 無功補償效果

在試驗電路中調(diào)節(jié)交流電源輸出線電壓值為400 V±3%，調(diào)整負載發(fā)出大于樣機50%額定容量、小于額定容量的無功功率。待負載輸出穩(wěn)定無功，通過功率分析儀測量電網(wǎng)側(cè)三相基波無功功率。SVG樣機投入前后無功功率、功率因數(shù)對比及無功補償度如表3和表4所示，樣機投入前后電網(wǎng)無功明顯增加，功率因素也達到正常值，有利于電壓的穩(wěn)定，無功補償效果明顯。

表3 SVG樣機投入前無功功率及功率因數(shù)

表4 SVG樣機投入后無功功率、功率因數(shù)及無功補償率

3.3 諧波補償效果

通過交流電源投入諧波電流運行，記錄此時的三相諧波電流。投入樣機并運行于諧波補償功能，穩(wěn)定后記錄三相諧波電流。SVG樣機投入前后各次諧波電流值對比及諧波補償度如表5、表6和表7所示，樣機投入前后各次諧波含量明顯降低，諧波補償率均達到95%以上，諧波治理效果明顯。

表5 SVG樣機投入前各次諧波電流

表6 SVG樣機投入后各次諧波電流

表7 SVG樣機投入后各次諧波補償率

基于以上試驗數(shù)據(jù)的分析，SVG樣機對系統(tǒng)電能質(zhì)量進行補償后，三相不平衡度低于5%，無功補償率大于99%，諧波補償率大于95%。這些數(shù)據(jù)驗證了本文設(shè)計的二極管箝位式SVG拓撲與控制策略的可行性，具有工程實用性。

4 結(jié)束語

配電網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量關(guān)乎用電效益，SVG的補償治理是當前解決這一問題的主要措施。本文基于可靠性和經(jīng)濟性，結(jié)合理論模型分析，提出設(shè)計了旨在解決10 kV及以下配電網(wǎng)系統(tǒng)補償治理的二極管箝位式SVG拓撲，制定了相應(yīng)的補償控制策略，在實際工況數(shù)據(jù)下開展了仿真分析，結(jié)果顯示了策略的可行性。此外，基于樣機試驗分析，設(shè)計的樣機實現(xiàn)了三相不平衡補償、無功功率補償和諧波電流治理，展現(xiàn)出了工程可行，具有良好的動態(tài)性能，具有精確補償效果。綜合而言，本文從理論模型、仿真分析、工程運用角度，驗證了提出的二極管箝位式SVG的可行性和實用性。