基于SVG的供電系統(tǒng)動態(tài)無功補償及諧波抑制

唐 超， 向思嶼， 曾琢琳， 張菊玲， 張凌浩

（國網(wǎng)四川省電力公司 電力科學研究院， 成都 610000）

供電系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性是目前大型用電設備使用單位必須要保證的問題，且隨著各種現(xiàn)代化設備的廣泛使用，對于供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的要求也提出了新的挑戰(zhàn).各種設備在消耗電能的同時，其內(nèi)部的電力電子器件會消耗大量的無功功率，造成系統(tǒng)無功不足，引起電壓降落，進而影響整個系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性.

關于供電系統(tǒng)的無功補償與電壓穩(wěn)定性的研究也成為目前各個科研單位和專家學者關注的焦點[1-3].常規(guī)的無功補償裝置包括：并聯(lián)電容器和調(diào)相機.近年來，隨著電力電子技術的發(fā)展，靜止無功發(fā)生器（SVG）由于其良好的工作性能引起了業(yè)界廣泛的關注[4-5].

林志超等[6]針對SVG動態(tài)性能受自身參數(shù)影響的問題，提出了一種基于模糊控制的自適應PI控制方法，實現(xiàn)了自適應調(diào)整SVG的功率輸出；張前進等[7]研究了在大容量無功補償條件下，無功補償裝置與逆變器的振蕩現(xiàn)象，并采用控制回路串聯(lián)校正的方式消除該影響；許其品等[8]研究了一種抑制電力系統(tǒng)零序換流的SVG無功補償控制策略；霍春寶等[9]針對傳統(tǒng)無功補償裝置存在的工作電壓低、響應速度慢、補償容量小等問題，提出了一種H橋級聯(lián)方式的SVG無功補償系統(tǒng)，實現(xiàn)了對電網(wǎng)無功功率的快速補償.此外，SVG系統(tǒng)在抑制電力系統(tǒng)諧波[10-12]、改善電力系統(tǒng)功率因數(shù)[13-15]、維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行[16]等方面均有著廣泛的應用.

目前，國內(nèi)外關于SVG的研究多集中于對新能源直流系統(tǒng)并網(wǎng)[17-18]以及逆變器造成的無功不足問題，而針對SVG用電設備的無功補償及諧波抑制的研究較少.本文充分利SVG優(yōu)良的無功補償性能，提出一種基于雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的SVG無功補償與諧波抑制控制策略，對維持供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量具有重要意義.

1 SVG無功補償系統(tǒng)及控制策略

1.1 無功補償系統(tǒng)

SVG作為電力系統(tǒng)中一種廣泛使用的無功補償設備，具有改善系統(tǒng)穩(wěn)定性、維持電壓、提高電能質(zhì)量的作用.因此，為了保證用電設備的供電可靠性，本文采用靜止無功發(fā)生器與10 kV配網(wǎng)并聯(lián)的方式對用電設備進行無功補償.SVG主電路采用電壓型橋式電路，直流側采用電容器作為儲能元件，系統(tǒng)接線如圖1所示.

由圖1可知，SVG無功補償系統(tǒng)通過串聯(lián)電抗器接入電網(wǎng).工作過程中由SVG控制系統(tǒng)發(fā)出控制信號，控制電力電子元件的開斷.將直流電壓轉化為與10 kV配網(wǎng)同頻率的輸出電壓，并對系統(tǒng)進行無功補償.

圖1 SVG無功補償系統(tǒng)接線圖Fig.1 Wiring diagram of SVG reactive compensation system

1.2 控制策略

靜止無功發(fā)生器的基本控制策略一般可分為電流直接控制和電壓控制兩大類.由于電壓控制策略中含有電網(wǎng)參數(shù)，會給控制過程帶來不確定性影響，因此本文采用基于dq0檢測法的電流直接控制策略對SVG進行無功補償控制.

電流控制策略的基本原理為：利用配電網(wǎng)的瞬時無功參數(shù)調(diào)制形成相應的PWM控制信號，完成SVG基本換流單元開通和關斷的控制，從而維持用電設備的無功平衡.無功電流的準確檢測會直接影響SVG的工作性能，常用的無功電流檢測方法包括：p-q檢測法和dq0檢測法.在電壓三相不平衡的條件下，p-q檢測法檢測得到的基波電流會被諧波污染.因此，本文設計具有雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的dq0電流控制策略作為設備動態(tài)無功補償?shù)目刂撇呗?控制原理如圖2所示.

圖2 電流控制原理圖Fig.2 Schematic diagram of current control

雙閉環(huán)控制系統(tǒng)是指通過外環(huán)電壓控制以維持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，內(nèi)環(huán)電流控制進行相應地無功補償.圖2中，uC0為給定的電容參考電壓，uC為SVG的電容電壓.在外環(huán)電壓的控制環(huán)節(jié)，控制系統(tǒng)通過比較uC0與uC之間的差值，將得到的電壓誤差信號作為有功控制的輸入信號，以實現(xiàn)電壓的穩(wěn)定控制.

供電SVG無功補償系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)控制為電流控制環(huán)節(jié)，基于瞬時電流負反饋控制.控制過程中將有功電流和無功電流的參考值id0、iq0分別與實際的有功瞬時電流和無功瞬時電流id、iq進行比較，得到Δid=id0-id和Δiq=iq0-iq.利用PI控制器得到相應的控制信號，使之逼近整定值，完成無功電流的實時跟隨.然后，通過坐標變換形成三相控制信號，與固定頻率的三角波進行比較得到SVG的控制信號.

具有雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的SVG無功補償裝置實際上相當于一個受控電流源，不僅具有優(yōu)良的穩(wěn)定性與準確度，且其響應速度與控制精度也顯著優(yōu)于間接控制法，對于保障大型設備的供電穩(wěn)定性具有重要作用.

2 控制信號提取

由上文分析可知，實現(xiàn)對靜止無功發(fā)生器的雙閉環(huán)控制的關鍵在于有功電流id與無功電流iq的獲取.本文采用dq0檢測法獲取瞬時有功電流與無功電流.dq0檢測法是一種基于矢量分析的坐標變換方法，其基本原理是將abc坐標系轉換到dq0坐標系下，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)有功電流與無功電流信號的提取.

假設供電的10 kV配網(wǎng)系統(tǒng)中三相電壓和電流分別為

（1）

（2）

式中：上標1為電壓與電流的正序分量；上標2為負序分量；上標0為0序分量；下標n為n次諧波分量.按照坐標變換方法將其變換到dq0坐標系下，則有

（3）

（4）

式中：D32為坐標變換矩陣；φ為電壓與電流相位；θ為電壓與電流初始相位；ω為電網(wǎng)基波角頻率.利用采樣頻率為10 kHz，截止頻率為10 Hz的巴特沃斯低通數(shù)字濾波器對其進行濾波處理后，可得到電壓與電流的有功分量和無功分量分別為

（5）

（6）

最后，將有功分量與無功分量進行反變換，可得基波正序電壓、電流分量為

（7）

（8）

由上述求解過程可知，通過坐標變換得到的電壓電流正序基波分量不受正弦信號初始相位的影響，能夠有效避免由于非線性和不對稱負載的存在而引起的同步參考相位缺失的問題.

3 測試結果分析

對圖1所示的電路SVG無功補償能力進行仿真分析.實驗對比了兩種常見的電壓畸變進行無功補償前后的波形特征以及頻率特征，并對其進行分析.實驗過程中，SVG無功補償系統(tǒng)對電壓信號的采樣頻率為2 500 Hz，實驗周期為0.2 s.

圖3～6所示為樣本1和樣本2進行無功補償前后的對比圖.樣本信號由實際濾波得到的信號經(jīng)過頻譜分析后獲得，在Simulink中利用可編程電源搭建相應的諧波電路產(chǎn)生.

圖3 樣本1電壓信號波形Fig.3 Voltage signal waveform of sample 1

由圖3和圖4可知，在未使用SVG無功補償系統(tǒng)的條件下，樣本1信號存在間斷性的電壓波動，同時其頻率分布在50 Hz附近有輕微的雜波干擾.通過本文提出的具有雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的SVG進行無功補償后，電壓波形得到了較好的改善，且其雜波干擾也明顯降低，電壓畸變率由原先的23.5%降低到0.1%以下.

圖4 樣本1信號頻率分析Fig.4 Signal frequency analysis of sample 1

圖5 樣本2電壓信號波形Fig.5 Voltage signal waveform of sample 2

樣本2電壓信號波形存在不同頻率的畸變，通過對其頻率分析發(fā)現(xiàn)，其諧波頻率主要為25 Hz和75 Hz.由SVG系統(tǒng)進行無功補償與濾波后，電壓恢復穩(wěn)定，整體諧波畸變率降到0.5%.

為了進一步驗證SVG進行無功補償?shù)哪芰σ约氨疚奶岢龅碾p閉環(huán)控制策略的有效性.通過對三相電源隨機疊加不同頻次和幅值的諧波信號，獲得100組不同的電壓信號，利用SVG進行無功補償測試，無功補償前信號畸變率分布如圖7所示.

圖6 樣本2信號頻率分析Fig.6 Signal frequency analysis of sample 2

圖7 無功補償前樣本信號畸變率統(tǒng)計Fig.7 Statistics of sample signal distortion rate before reactive power compensation

無功補償前所有電壓信號的平均畸變率為32.5%，采用本文所提的基于雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的SVG進行無功補償后，電壓波形的平均畸變率降低為0.41%，統(tǒng)計數(shù)據(jù)如圖8所示.由實驗結果可知，本系統(tǒng)能夠較好地維持配電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性，降低系統(tǒng)的諧波畸變率，保證設備的穩(wěn)定運行.

4 結 論

本文采用靜止無功發(fā)生器與10 kV配網(wǎng)并聯(lián)的方式對用電設備進行無功補償和諧波抑制.控制過程中，外環(huán)電壓控制用于維持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，內(nèi)環(huán)電流控制實現(xiàn)無功功率的快速響應.本文基于dq0檢測法有效避免了由于非線性和不對稱負載的存在而引起的同步參考相位缺失的問題，對于實現(xiàn)系統(tǒng)的準確控制具有重要意義；兩組典型電氣設備電壓波形的仿真結果表明，該系統(tǒng)能夠明顯改善電壓波形，并抑制諧波.通過100組電壓信號的測試分析表明，采用該系統(tǒng)可以使其電壓畸變率由補償前的32.5%降低為補償后的0.41%.

圖8 無功補償后樣本信號畸變率統(tǒng)計Fig.8 Statistics of sample signal distortion rate after reactive power compensation