三電平與兩電平混合靜止無功發生器

張志文，吳興陽，羅隆福，申建強

（湖南大學電氣與信息工程學院，湖南 410082）

近年來，隨著我國電力工業的不斷發展，大范圍的高電壓輸電網絡逐漸形成，同時對電網無功功率的要求也日益嚴格。無功電源如同有功電源一樣，是保證電力系統電能質量，降低電網損耗以及保證其安全運行所不可缺少的部分。電網無功功率不平衡將導致系統電壓的巨大波動，嚴重時會導致用電設備的損壞，甚至出現系統電壓崩潰和穩定性破壞事故。因此，電力系統無功功率補償問題得到了越來越多的重視。早期有少量動態無功補償裝置如同步調相機、飽和電抗器等，但存在響應速度慢，維護困難以及損耗和噪音大等缺點。靜止無功功率補償器SVC（static var compensator），無論是晶閘管可控電抗器TCR（thyristor controlled reactor）或晶閘管投切電容器 TSC（thyristor switched capacitor），都是對儲能原件進行控制。由于儲能元件的時滯影響，SVC仍然存在著對電網的恒阻抗性、連續可控性差等弊端，它不可能實現瞬時的無功功率控制。然而靜止無功發生器SVG（static var generator），以其優越的補償性能、高可靠性、無需維護、控制靈活、調節速度快、范圍廣、需要電容容量小等特點成為現代補償裝置的發展方向，受到了廣泛的注意，并成為國內外電力系統行業的重點研究方向之一。

靜止無功發生器是指由自換相的電力半導體橋式變流器來進行發生和吸收無功功率的無功功率動態補償裝置。由于SVG是將自換相橋式電路經過電抗器并聯在電網上，適當的調節橋式電路交流側輸出電壓的幅值和相位，就可以吸收或發出滿足要求的無功功率，實現集動態補償感性無功功率和容性無功功率于一身。但是，由于大功率等級的半導體開關的開關頻率較低，而且為了盡量降低系統的損耗尤其是電力半導體開關器件的開關損耗，大容量的SVG往往需要應用一些相關的技術來輔助實現。如：文獻［2］中，為了提高系統的補償容量采用了變壓器移相的多重化技術，然而這需要特別設計一套復雜的變壓器，不僅設計難度大、結構復雜，而且不利于實際應用；文獻［4］中，為了提高SVG系統的應用電壓水平采用了多個絕緣柵雙極晶體管IGBT（insulated－gate bipolar transistor）的串聯結構，而目前在處理電力電子開關器件的均壓、均流上并不算很成功。

本文提出的新型SVG結構將很好地解決提高補償容量及其效率的問題；并且在系統發生一定范圍內的異常時，仍能發揮補償作用；同時本文中的SVG系統在文中的控制方式與目的下，不僅僅可以補償無功功率，也可以補償諧波電流成分從而使系統的功率因數接近為1。

在本文所提出的SVG系統中外加了一個特殊繞組。由于電力系統在發生某些異常時（如單相接地故障），仍允許運行一段時間。外加的特殊繞組就是為了在這種特殊的異常狀態下仍然能夠發揮補償作用而設置的。通過仿真和實驗分析可以得到，本文提出的SVG具有較高的轉換效率，且補償后的系統功率因數約為1。本文提出的SVG的主電路圖如圖1所示。

圖1 SVG系統的主電路結構圖Fig.1 Main circuit configuration of the SVG

1 系統設計

1.1 本系統的硬件結構

本文所提出的SVG的主電路如圖1所示。在此電路中，有一個三電平逆變器（逆變器1）和兩個二電平逆變器（逆變器2和逆變器3），通過一個特殊的變壓器和小電抗器與電力網相連接。其中，逆變器1和逆變器2分別接在變壓器每一相的三個開環繞組兩端，逆變器3接在三相變壓器內的小Y型繞組的一端。逆變器1具有較低的開關頻率，逆變器2、3的開關頻率約為900Hz。逆變器1采用三相二極管鉗位三電平逆變器，逆變器2、3采用三相橋式二電平逆變電路。二極管鉗位三電平逆變器可以很好的解決開關器件的耐壓不高的問題，而且對開關器件的動態性能要求低，開關器件受到的電壓應力也比較的小。由于逆變器的輸出電平數比較多、du／dt比較低，對外圍電磁干擾也比較的小。同時開關器件的開關頻率的要求也比較低、開關損耗也比較小。整流器1、2用來提供逆變器1的直流電壓，整流器3、4用于提供逆變器2、3的直流電壓。SVG直流側電容的設計也是很重要的一部分，其主要包括額定電壓和電容值的設計。直流側電容的電壓值決定了補償電流的跟蹤能力，取值過低不能很好的跟蹤補償電流，補償效果不好；取值過高會導致逆變器和電容器的容量增大，成本增加。因而，直流側電容的電壓值和電容值的取值應綜合考慮。在工程實際中，一般要求逆變器直流側電壓是交流側電壓的3倍以上。電容容量的工程計算公式為

其中，Ic為逆變器額定輸出電流的方均根值，Udc為直流電壓平均值，fmin為逆變器最低輸出頻率，σ為允許的直流電壓頻率的低峰值紋波因數Kφ為與負載位移因數角有關的系數。一般根據補償容量電容容量的取值在5000μF～20000μF。

小Y型外加繞組用于解決系統運行異常引起的部分線路電壓升高的問題。當系統的電壓超過逆變器1、2的最大設計時，可以借助于此外加繞組來抬升本系統的輸出電壓，從而仍能很好地達到補償效果。

例如：當由于某種原因導致系統的某一相發生接地故障，由于電力系統在發生單相接地故障時，仍允許系統運行一段時間，在此情況下，非接地相的電壓會升高，高出逆變器1、2的設計范圍，此時在外加繞組的助磁作用下可以是輸出電壓得到抬升，從而使整個系統仍能發揮補償作用。當系統正常運行時，該外加繞組可以退出使用，也可以適當的加以使用使本系統達到更好的補償效果。

本系統中各電力電子器件容量、電容容量、變壓器的變比等可根據具體要求選取相應的型號、匝數比，本系統的具體的參數設置會在下文中介紹。

1.2 本系統的控制方法

本文所提出的SVG系統的控制方法如圖2所示。此SVG系統是基于αβ0坐標系的空間矢量法來實現控制的。整個控制部分分為：負載運行參數檢測單元、數據處理單元、基于空間矢量的脈沖寬度調制PWM（pulse width modulation）的脈沖產生單元。系統電壓經過前置變壓器轉換后再經過六脈波整流為逆變器1的直流側電容提供能量，而為逆變器2、3的直流側電容提供能量的整流器的輸入部分直接接在系統上，并確保各個逆變器直流側的電容電壓值保持穩定。根據數據處理后需要SVG輸出的波形產生PWM波控制各逆變器的IGBT，使系統合成的總電壓、電流滿足要求。各逆變器的輸出電壓、電流經過一個特殊的變壓器轉換后，通過小電感與電網相連接。

在整個SVG系統中，最主要也是最重要的是要得到需要SVG補償的分量。本文中的SVG系統是用于補償“雜散”電流的，所以在本文中最主要的是得到SVG應該輸出的電流波形。在本文中把SVG系統等效為一個電流控制的電壓源CCVS（current controlled voltage source），所以在進行數據處理時，將需要SVG輸出的雜散電流乘以j wl以得到小電感L上的電壓降。然后將電感L的電壓相量與系統的電壓相量相加，便得到要求SVG輸出的電壓相量。具體如何得到需求SVG輸出的電壓波形的方法如圖3所示。

圖2 SVG系統的控制框圖Fig.2 Control block diagram of the SVG

圖3 檢測需SVG系統輸出電壓框圖Fig.3 Measurement block diagram of the voltage needed the SVG output

在得到SVG應該輸出的電壓、電流后，下面一個關鍵點就是空間矢量的PWM的產生。用SX1、SX2、SX3、SX4表示三電平逆變器1中的由上而下的IGBT，其中X為a、b、c。對應的3種開關狀態分別用P、O、N表示，如圖4所示。

圖4 開關狀態簡寫Fig.4 Switching state abbreviations

三電平逆變器1存在27種開關狀態，二電平逆變器2、3存在8種開關狀態。假設逆變器1直流側的每個電容的電壓值為單位長度1，則可以將逆變器1對應的27種開關狀態的輸出電壓與逆變器2對應的8種開關狀態的輸出的電壓值范圍畫出。首先選擇逆變器1直流側兩電容的中點為源點O，將三電平逆變器1的27種開關狀態輸出電壓分別畫出，得到19個黑點（包括源點在內）。由于逆變器2是接在開端繞組上的，則此時逆變器2的輸出電壓就是從這19個黑點延伸出來的六邊形，具體如圖5所示。需要說明的是：從逆變器1的19個黑點延伸出來的小六邊形為逆變器2的輸出電壓范圍，逆變器3的輸出電壓范圍和逆變器2類似，只是具體的實名制的值不同而已。具體如圖5所示。

圖5 各逆變器輸出電壓范圍Fig.5 Output voltage range of each inverter

本文采用空間矢量PWM來控制IGBT的開關。為使整個SVG系統輸出的電壓相量接近于實際所希望輸出的電壓值，本文采用逆變器的輸出電壓和作用時間的有限組合來進行逼近。在采樣周期內，對于一個所期望的輸出電壓相量 ，根據相量所在的區域確定合成此所需相量的三個基本相量，然后用這三個基本電壓合成所期望的相量 ，根據伏秒平衡原理，滿足以下方程組：

其中，t1、t2、t3分別為V1、V2、V3相量對應的作用時間；TS為采樣周期。根據此方程組可以得到各基本相量的作用時間。而后根據基本相量與開關狀態的對應關系，結合其他一些要求來確定所有的開關狀態及輸出形式。例如：若在某一時刻檢測到的系統運行參數，經過數字處理后得到需要SVG輸出的電壓為圖5中的V0，根據V0在圖5中的區域確定相應的3個基本相量，此時的電壓相量V0可以由基本相量的部分長度的電壓相量V1、V2和V3合成，并由此計算出各電壓相量的作用時間。根據各基本相量對應的開關狀態和作用時間得出PWM波形。

2 仿真與實驗研究

本文利用Matlab仿真軟件，對如圖1所示的SVG系統進行了仿真分析。仿真的相關參數設置如下：電力系統的電壓為220V，50Hz；SVG的補償容量為33KVA；前置變壓器的變比為1.5∶1；二電平逆變器的直流側電壓為515V，電容量為8 mF；三電平逆變器的單個電容的直流側電壓為772V，電容量為18mF；特殊變壓器的變比N1∶N2∶ N3 為 1.1727：1.06833：1；小 電 感 L 為0.01mH；負載為3個單相負載和三相整流橋。其中，3個單相負載分別為：a相200Ω、0.001H；b相200Ω、1×10－5F；c相80Ω。三相整流橋負載的電阻為100Ω，電感為10mH。仿真的相關波形如圖6所示。其中，圖6a為系統電壓波形；圖6b為本SVG系統投入運行前系統的電流波形；圖6c為負載電流的有功分量波形；圖6d為根據負載電流得到的為達到全補償所需要本SVG系統輸出的電流波形；圖6e為投入本SVG系統后系統的電流波形；圖6f為當系統發生單相（C相接地）故障時，本SVG系統投入運行補償后的電流波形。根據上述研究，搭建實驗平臺，經過調試與實驗得到的實驗波形如圖7所示。其中，圖7a為SVG系統投入運行前的實驗波形；圖7b為系統提供補償后的實驗波形；圖7c為運行過程中發生c相單相接地故障時的實驗波形。

3 結論

無功功率是整個電力系統的重要部分，其在電力系統穩定運行中不可忽視。本文在對傳統的SVG進行研究的基礎上提出了一種新型的SVG系統。該SVG系統不僅可以很好地補償系統中的無功功率，而且通過對控制方式的改變也可以達到濾除諧波的效果，擴展了SVG的補償功能。可以得到下面的結論：

1）本文SVG系統可以很好的補償系統的雜散電流，使功率因數接近于1。

2）本文中采用的電流控制電壓源的控制方法是有效的，且算法簡單明了、易于實現。

3）本系統對參數檢查的依賴性較大，參數檢測精度越高補償效果越好。

4）在電力系統某些異常運行條件下，本SVG系統仍可以很好地發揮補償作用。

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