SVG無功補償裝置的基本原理及仿真分析

邱天博 葛培 張秦 馬凌杰 徐英杰

摘 要：隨著工業用電復雜性的提高和干擾因素的增多，配電網中的三相不平衡問題越加凸顯，同時電網對無功補償的需求也更加強烈。靜止無功發生器SVG是當前電網中應用較為廣泛的一種先進的無功補償裝置，其性能受電壓波動的影響較小，同時裝置本身產生的少量諧波對電網影響較為有限。基于此，本文針對典型的電壓型SVG系統拓撲結構進行了研究，并基于此介紹了SVG的工作原理和控制方法。最后通過Matlab仿真驗證SVG對系統無功的調節作用以及對不平衡電流的調節作用。

關鍵詞：無功補償;瞬時無功;電流控制

1 緒論

近年來隨著單相大功率電氣設備的不斷增多，對配電網三相負載的平衡造成了很大的影響，改善配電網的三相平衡是目前較為關注的熱點問題[1]。無功功率主要用于設備間的能量轉換，如電機以及變壓器等，本身不會對外做功[2]。雖然如此，但無功功率依然會占用電網資源，影響電能質量，甚至由于過大的電壓跌落導致系統脫網。

因此，準確且均衡的消除線路中產生的無功功率對于線路考核運行具有重要的意義。首先，能有效改善負載不平衡的運行情況，提高了功率因數和電網有功輸送能力。其次，能減少電能在變壓器以及線路上的損耗，減少設備的發熱，從而保證了供電設備及用電設備正常的使用壽命。因此本文對SVG的工作原理及其對系統無功補償的效果進行了相關研究。

2 SVG基本原理

2.1 電壓型SVG的拓撲結構

靜止無功發生器可定義為：具備自換相水平的橋式電路直接連接或通過電抗器連接電網，可實現對電網電壓的相位、幅值進行調整，屬于無功補償設備。其主電路架構普遍包括兩類，即電流橋電路、電壓橋電路。

SVG結構為電流型橋式電路，該種類型的電路不利于規避過電壓問題，同時其在器件硬件規格方面的標準相對嚴謹。

2.2 SVG的工作原理

假定電容電壓在動態變化，則系統會有相應的能量損耗，其單相等效電路如圖1（a）所示，圖中的電阻為等效損耗的虛擬元件，且電阻產生的損耗為該系統的有功損耗。定義電感與電阻端電壓的和為UL，在理想情況下UL與電流I的夾角應為90°。考慮有功損耗R的加入后，該角度發生了偏差，其矢量關系如圖1（b）和（c）所示。由矢量關系可知，電流I能夠通過調整δ值與UC值來轉換補償輸出本質。圖1（b）是電流處于超前狀態下，SVG將感性無功輸出;圖1（c）是電壓處于超前狀態下，SVG進行容性輸出。

基于以上矢量關系，可知三組電壓在數學上有以下關系：

ULsinδ=Ussin90°-φ=UCsin180°-φ-δ

結合電路圖可知其有功和無功電流分別為：

Ip=ULX2+R2cos90°-δ=USRsin2δ

IQ=ULX2+R2sin90°-δ=US2Rsin2δ

進一步的可以求出系統所吸收的有功和無功功率分別為：

P=Us×Ip=U2ssin2δR

Q=Us×IQ=U2ssin2δ2R

則聯合式可以計算出：

Uc=Uscos（δ+φ）cosφ

分析式可知，在δ角為正時，US超前UC，SVG輸出滯后無功;反之SVG輸出超前無功。分析式可知，通過δ值能夠實現對UC的控制，也就意味著SVG可以通過控制角度控制輸出電壓。

3 基于電流環的控制方法

應用于三相系統的SVG同樣遵循坐標變換的規則，本文不再贅述其推理過程，其空間向量關系如圖2所示。

結合圖2的坐標關系可推理出在d-q-0坐標系下SVG控制的電壓電流關系：

Gi（s）=Id（s）Ud（s）=Iq（s）Uq（s）=I0（s）U0（s）=1Ls+R

本文采用經典的PI控制實現對SVG電流的調節作用。以q軸電流分析為例，結合式的數學關系，可推理出q軸電流內環控制框圖。

結合圖3可計算出PI內環控制的閉環傳遞函數的等效公式如下：

φic（s）=KpLs+1/T1s2+Kp/L+R/Ls+Kp/LT1

基于以上閉環傳遞函數可知，該系統為一二階系統，采用零極點對消的等效原理化簡后可得：

φic=11+LKps

結合帶寬的定義，可知該系統的帶寬為wb=Kp/L。由帶寬表達式可知，其正比于比例系數Kp，反比于交流側電感。因此基于系統硬件電感值配合適當的比例系數Kp可實現對帶寬的調節，通常會根據實際需要將帶寬控制在1.5k～3kHz。

4 仿真分析

為了驗證所設計的無功檢測和控制方法的有效性，本文采用MATLAB軟件搭建了仿真模型，并將模型中的無功補償裝置投入運行，對算法進行了驗證。對該系統進行仿真，由于負載的不平衡導致負載電流存在較大的不平衡，如圖4所示。在0.1s時投入SVG，可知三相電流迅速的實現了調整，負載電流實現了基本平衡。SVG輸出的補償電流如圖5所示，由圖可知在投入補償裝置后SVG能立即響應。補償前后的平衡度計算結果已經確保了系統的正常運行。

補償前后不平衡度和功率因數的變化可知，在投入SVG后系統存在明顯的震蕩，甚至不平衡度會惡化，但經過兩次的震蕩其不平衡度能快速進入新的穩定狀態。產生這個問題的原因是投入SVG對電流的調節會影響系統整體的工作狀態，但同時能修正系統不平衡運行的問題。

5 結論

SVG系統是現代電力系統中常用的裝置，本文對SVG系統的基本拓撲和工作原理進行了闡述，并研究了SVG對系統無功補償的效果。首先分析了典型的電壓型SVG的基本結構，然后在此基礎上推導了SVG的工作原理和控制方法。最后本文采用仿真的方式對不平衡系統投入SVG前后的效果進行了研究，結果表明SVG能夠有效的提高系統運行的功率因數并修正不平衡問題。

參考文獻：

[1]孫婷，楊奇，張裕峰，等.直掛式級聯SVG的控制系統設計與模型仿真[J].電力電子技術，2016，50（6）：47-50.

[2]武海濤，劉永和.一種新型SVG的拓撲與控制[J].電力電子技術，2018，52（11）：114-117.

作者簡介：邱天博（1990—），男，漢族，江蘇南通人，助理工程師，主要從事電氣自動化設備的檢修和管理工作。