基于三角形結構SVG動態調整技術研究

王智勇，覃日升，唐杰，李冬東，司成志，姚建忠

（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電力科學研究院，昆明 650217；3. 云南電網有限責任公司文山供電局，云南 文山 663000；4. 云南電網有限責任公司迪慶供電局，云南 迪慶 674400）

0 前言

隨著經濟的發展，電網規模也越來越大，電能質量問題關注度越來越高。劣質電能質量的長期運行會導致大量的電能損耗、縮短用電設備的使用壽命，甚至燒毀用電設備造成安全事故[1-2]。在電力系統中，控制電能質量各項指標是電力部門的一大職責。

SVG即靜止無功發生器，是目前常用的無功補償裝置，其原理是通過檢測裝置對運行電網中所需無功量通過逆變裝置將直流電壓逆變為與電網相同性質的補償量[3-4]。然而SVG不僅可輸出無功電流對電網基波電壓進行調節，提高功率因數，又可輸出負序電流補償不平衡[5-7]，且安裝方便，所以使用廣泛[8-10]。

目前SVG多用于高中壓電網，將SVG技術應用于低壓配電網治理低壓電能質量問題，可以提高用戶的用電質量和降低電能損耗。

綜上，把SVG裝置運用在低壓配電網系統，應受到電業部門的重視[11-12]。基于這一背景，本文借鑒鏈式三角形結構SVG，提出低壓三角形結構SVG及其控制策略，并根據斯坦米茲理論（Steimetz）設計了斯坦米茲綜合控制和斯坦米茲分相控制兩種算法。針對兩種控制算法分別搭建相應的仿真模型并進行分析。

1 三角形結構SVG拓撲

在高壓大功率場合，通常采用鏈式三角形結構SVG，其主電路拓撲結構如圖1所示，圖中usa、usb和usc為三相電力系統的相電壓，ia、ib和ic為鏈式三角形SVG接入三相電力系統的線電流，iab、ibc和ica為鏈式三角形SVG三個單相鏈式結構中的相電流。

圖1 鏈式三角結構SVG主電路拓撲

圖2 低壓三角形結構SVG主電路拓撲

鏈式三角形SVG每個鏈式結構都并聯在三相電力系統的線電壓上，因此在同樣電壓等級的三相電力系統中，鏈式三角形SVG比鏈式星形SVG需要更多的H橋功率單元進行串聯來承受三相電力系統電壓[13-15]。但是，鏈式三角形SVG的線電流為兩相的相電流疊加，在相電流一定的情況下，輸出線電流為鏈式星形SVG輸出線電流的倍。鏈式三角形SVG沒有中性點，每個單相鏈式結構完全獨立控制，互相沒有影響，采用斯坦梅茲理論可以實現對三相不平衡電流的補償。

綜上，鏈式三角形SVG適用于大電流場合，能實現對負荷無功電流和三相不平衡電流的補償。

本文提出額定電壓為400 V的低壓SVG，所以其電路拓撲結構及控制策略參照鏈式三角形SVG進行研究，其低壓三角結構SVG主電路拓撲如圖2所示。

2 三角形SVG不平衡控制算法

傅里葉分解負荷電流，得到負荷基波電流和各次諧波電流的有效值和相位角；基波部分的補償，用對稱分量法將負荷基波電流分解為正序分量、負序分量和零序分量，控制三角形SVG線電流基波的負序分量與負載電流基波的負序分量反向，三角形SVG線電流基波的零序分量與負載電流基波的零序分量反向，同時控制三角形SVG線電流基波正序分量的實部為零，虛部與負載電流基波正序分量的虛部反向，從而使得電網的基波電流只含有正序分量的實部，達到補償負荷三相不平衡電流和無功電流的目的；諧波部分的補償，可以針對各次諧波進行，通過控制使得三角形SVG線電流的各次諧波電流與負載的各次諧波電流反向，從而使得電網電流中不含諧波電流。

對負荷三相不平衡電流及無功電流進行補償時，三相負荷電流一定時，補償裝置的相電流ia、ib、ic也一定，而三角形SVG相電流與線電流滿足如下關系：

式1中detA=0，故當線電流ia、ib和ic確定時，線電流iab、ibc和ica有無數組解。

H橋功率單元直流側為電容，不能持續地吸收或釋放有功，所以裝置相電流的基波部分必須與其相電壓（電網線電壓）垂直（超前或滯后90°）。采用斯坦梅茲理論，即可解得滿足上述條件的解。

目前，基于電納補償原理的斯坦梅茲理論已經得到廣泛地應用。應用斯坦梅茲理論，可以對負荷的無功電流和三相不平衡電流進行全補償，因此，斯坦梅茲理論適用于負荷的基波電流補償。

3 三角形SVG不平衡控制仿真模型

三角形結構SVG主電路仿真模型如圖3所示，該主電路模型共計有三個H橋功率模塊組成（模型中的pu-A1、pu-B1、pu-C1分別代表A、B、C三相的功率模塊），三個功率模塊依次首尾相接構成三角形結構，每個模塊均串有一個電抗器。每個功率單元包含4個IGBT開關器件（每個IGBT開關器件均反并聯一個二極管），交流側A、B、C三相輸出分別由三角形的三個頂點引出；功率單元直流側由5800uF的電容和10 kΩ的電阻并聯構成。

圖3 三角形結構SVG主電路仿真模型（模型1）

0.4 kV 母線由一個 10 kV/0.4 kV 的變壓器供電，在0.4 kV母線通過1 Ω的充電電阻給SVG供電，并且在充電電阻上面并聯了旁路接觸器。

對應于控制算法2的SVG仿真模型與控制算法1的仿真模型略有差異，其供電回路模型和不平衡負荷模型基本一致，三角形結構SVG主電路模型2如圖4，該模型是在模型1的基礎上，每相均增加了一個5 uF的電容。

圖4 三角形結構SVG主電路模型（模型2）

4 三角形SVG不平衡控制仿真分析

4.1 控制算法模型1仿真分析

工況：電網功率因數約為1.0，三相電流分別為 353 A、424 A、282 A。負載側為有功負載。在仿真中搭建等效負載如下：

A相負載電感值為0.0001 H，電阻值為3 Ω；

B相負載電感值為0.0001 H，電阻值為1 Ω；

C相負載電感值為0.0001 H，電阻值為2 Ω。

負載模型接線圖如圖5所示。補償前后的電流如圖6、圖7，補償前后對比如表1。

圖5 不平衡負荷模型（模型1）

圖6 補償前電網電流

圖7 補償無功、負序后電網電流

表1 補償前后主要參數對比

4.2 控制算法模型2仿真分析

控制算法2采用了斯坦米茲理論實現對三相不平衡負荷的治理。

工況：電網功率因數約為1.0，三相電流分別為 353 A、353 A、282 A。負載側為有功負載。

在仿真中搭建等效負載如下：

A相負載電感值為0.0001 H，電阻值為1 Ω；

B相負載電感值為0.0001 H，電阻值為1 Ω；

C相負載電感值為0.0001 H，電阻值為3 Ω。

負載模型接線圖如圖8所示。補償前后電流仿真如圖9、圖10。

圖9 補償前電網電流

圖10 補償無功、負序后電網電流

5 結束語

在配電網系統中，保證電能質量合格是供電部門供電能力的一種體現，也是對用電客戶負責的一種責任。SVG的補償治理是解決電能質量問題的重要措施。本文結合理論模型分析，提出了低壓三角形拓撲結構SVG及其控制策略，并根據斯坦米茲理論設計了斯坦米茲綜合控制和斯坦米茲分相控制兩種算法。針對兩種控制算法分別搭建了相應的仿真模型并進行了分析。分析發現，低壓三角結構的SVG對不平衡負載與無功電流具有一定的補償效果。