基于二極管箝位式SVG的電能質量綜合控制技術研究

王智勇，沐欣欣，覃日升，敖剛，吳遠密，李冬東

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

0 前言

功率因數低、諧波含有率高和三相電流不平衡是中低壓配電網電能質量的三個主要問題。無功功率在電力系統運行中不可或缺，無功不足會引起系統電壓降低甚至崩潰，損壞用電設備，破壞系統穩定[1]。諧波電流將引發公用電網污染、中性線過熱，影響變壓器工作和絕緣保護可靠性等問題，產生大量負面影響[2-3]。三相不平衡系統的長期運行，會導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，將電力系統運行時電能質量各指標控制在一定范圍內，保證對用戶的供電質量是電業部門的主要職責之一。傳統研究表明，無功缺失、諧波電流和三相不對稱問題均可通過定量補償的方案實現減小或消除[5]。

靜止無功發生器（Static Var Generator,SVG）是現代無功補償裝置和電力電子器件在無功補償上的應用，其補償原理是通過裝置檢測電網所需要的無功電流，然后通過逆變裝置將補償的直流側電壓逆變為與電網電壓具有相同性質的補償電壓[6-7]。SVG通常具有響應速度快[8]、補償能力強[9-11]、可靠性高[12]等優點。

當前SVG尚未廣泛應用到低壓系統中，尤其配電網系統。若能將SVG技術應用到低壓三相四線制的配電網中，實現無功補償、諧波和三相不平衡的治理，可以優化電壓分布、提高用戶側電能質量、降低電能損耗，從而降低供電公司在運營中的成本，増大企業利潤，滿足各級用戶需求。

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

綜上所述，低壓配電網系統應用SVG補償裝置，以提升電能質量這一方案將日益受到關注重視[13]。本文將基于這一背景，結合可靠性和經濟性以及補償不平衡電流的能力，研究設計二極管箝位式三相半橋結構的SVG，并在云南電網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中常用的電壓型SVG結構，圖1為三相半橋SVG拓撲結構，各節點、支路和器件的電氣量標識如圖1。其直流側電容電壓控制應滿足直流側電容電壓恒定和兩側電容電壓相對平衡這兩點要求。

圖1 三相半橋SVG拓撲結構

假設系統電壓不含諧波分量，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在克服直流側電容均壓控制問題基礎上，可通過拓撲結構優化實現。對此，本文提出了二極管箝位式三相半橋SVG結構，其拓撲電路如圖2。

圖2 二極管箝位式三相半橋SVG拓撲結構

二極管箝位式三相半橋SVG以電網電壓相位角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控制。調制波信號各序分量控制框圖如圖3。

正序分量中直流側電壓目標值Udcref與直流側電壓反饋值Udc做PI調節，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，進行閉環控制。該電流控制閉環的輸出為電壓調制信號的有功分量和無功分量，經過解耦后輸出再通過dq/abc逆變換輸出正序的三相調制波

根據圖1可列出等效電路狀態方程為：

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PI調節，再以調節后的輸出值為指令與零序電流做閉環PI調節，生成零序調制波信號mz。

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

圖3 加入重復控制的總控制框圖

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環境下搭建了SVG主電路仿真模型，如圖4。結合某10 kV現場工況，負載側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環境下的電能治理仿真結果如圖5至7，治理后三相負載電流均為100 A。

圖5 補償前電網電流

圖6 補償后電網電流

對比圖5和圖6，二極管箝位式SVG實現了系統的三相不平衡治理；由圖7知，二極管箝位式SVG的調制信號沒有飽和并且具有很好的正弦度，具備適應該10 kV負載不平衡工況電能質量治理的能力，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計，直流電壓穩定在780 V左右，正負極直流電壓均穩定在390 V附近。故圖3中的控制策略適用于二極管箝位式SVG，具有良好的穩定性和控制精度。仿真結果顯示，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。基于仿真分析，本節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

通過樣機開機前調整三相可調電阻，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；設置樣機運行于補償不平衡模式，待輸出穩定，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

在試驗電路中調節交流電源輸出線電壓值為400 V±3%，調整負載發出大于樣機50%額定容量、小于額定容量的無功功率。待負載輸出穩定無功，通過功率分析儀測量電網側三相基波無功功率。SVG樣機投入前后無功功率、功率因數對比及無功補償度如表3和表4所示，樣機投入前后電網無功明顯增加，功率因素也達到正常值，有利于電壓的穩定，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

表4 SVG樣機投入后無功功率、功率因數及無功補償率

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

基于以上試驗數據的分析，SVG樣機對系統電能質量進行補償后，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%。這些數據驗證了本文設計的二極管箝位式SVG拓撲與控制策略的可行性，具有工程實用性。

4 結束語

配電網系統的電能質量關乎用電效益，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濟性，結合理論模型分析，提出設計了旨在解決10 kV及以下配電網系統補償治理的二極管箝位式SVG拓撲，制定了相應的補償控制策略，在實際工況數據下開展了仿真分析，結果顯示了策略的可行性。此外，基于樣機試驗分析，設計的樣機實現了三相不平衡補償、無功功率補償和諧波電流治理，展現出了工程可行，具有良好的動態性能，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。