含四橋臂H 橋變流器的不對稱配電網綜合補償方法

游建章 郭謀發

（福州大學電氣工程與自動化學院 福州 350108）

0 引言

隨著電力電子技術的迅速發展，電力電子設備以控制靈活的特點廣泛應用于配電網，主要可分為兩大類：功率變換型和電能質量調節型。功率變換型包括發電端的風力發電變流器和光伏發電變流器、消納可再生能源的電力儲能變流器、用于功率雙向控制的電力電子變壓器（Power Electronic Transformer,PET）和柔性多狀態開關（Soft Open Point,SOP）。電能質量調節型包含配電網靜止同步補償器（Distribution Static Synchronous Compensator,DSTATCOM）/靜止無功發生器（Static Var Generator,SVG）、有源電力濾波器（Active Power Filter,APF）、動態電壓恢復器（Dynamic Voltage Regulator,DVR）、電力彈簧（Electric Spring,ES）和統一電能質量調節器（Unified Power Quality Conditioner,UPQC）[1-4]。其中SVG 和APF 的工作原理類似，通過柔性控制變流器注入電流，使其與給定或檢測的無功功率或諧波電流大小相等、方向相反，實現無功功率或諧波電流的補償[5-6]。

配電網深入用電負荷末端，結構復雜，普遍存在單相接地故障，接地故障電弧無法自行熄滅將引發火災和電網設備擊穿損壞[7]。傳統的消弧線圈無法補償諧波和有功分量，接地故障殘流較大，仍存在接地故障電弧重燃和人身觸電的隱患。因此國內外學者借鑒有源無功補償和諧波抑制原理，將柔性電力電子技術應用于接地故障電流補償。瑞典SN公司研制出剩余電流補償裝置（Residual Current Compensator,RCC），其結構為有源逆變器經升壓變壓器并聯于消弧線圈兩端，有源逆變器補償接地故障電流的有功分量和諧波分量，實現接地故障電流的全補償[8]。文獻[9]提出以單相級聯H 橋變流器作為接地故障電流補償裝置，省去了升壓變壓器和消弧線圈。

上述已有的柔性電力電子設備，包括功率變換型、電能質量調節型和接地故障電流補償型，均存在設備功能單一，僅能滿足特定的電網運行需求，設備利用率較低，造價較高等問題。為節約成本，國內外學者開始研究將電力電子設備的功能進行融合，以提高設備的利用效率，增強經濟性。文獻[10-11]提出了無功補償和有源濾波綜合補償方法。文獻[12-13]提出了多功能光伏并網逆變器，在功率交換的同時對并網點的電能質量進行治理。文獻[14-16]提出了帶儲能單元的無功補償裝置，實現四象限功率調節。上述多功能電力電子設備主要融合功率變換和電能質量治理中的兩種功能，均對電網正常運行狀態下的電氣量進行調節，尚未考慮接地故障電流補償。

文獻[17]提出以三相級聯H 橋變流器作為接地故障電流補償裝置，三相直接掛接于配電線路，中性點直接接地，可拓展用于無功補償和諧波抑制。但每相級聯H 橋變流器耐壓為線電壓，需投入較多電力電子元件。文獻[18]提出SVG 中性點經消弧線圈接地，具有接地故障電流補償和無功補償功能的裝置，每相級聯H 橋變流器耐壓為相電壓，但受消弧線圈元件特性影響，接地故障電流補償的動態性能欠佳。因此，針對上述問題，本文提出SVG 中性點經級聯H 橋（Cascaded H-Birdge,CHB）接地的新型四橋臂拓撲結構。同時，為降低綜合成本，以新型四橋臂拓撲結構作為綜合補償裝置結構，將有功和無功功率補償、三相不平衡負荷補償和三相對地參數不對稱電流補償，以及接地故障電流補償等功能集成至同一套補償裝置，并研究與之適應的控制方法。提出基于分序解耦控制的多目標協同控制策略，成功實現了功率交換、電能質量調節和接地故障電流補償等方面的融合，理論上也可集成至PET、SOP 和可再生能源并網逆變器中，有效提升了電力電子設備的適用性?？紤]配電線路三相對地參數不對稱電流和接地故障電流補償的相互影響，提出三相對地參數不對稱電流補償與接地故障電流補償的切換方法。

1 功率補償和三相不平衡負荷補償原理

1.1 功率補償原理

配電網的簡化結構如圖1 所示。以SVG 中性點經CHB 接地作為綜合補償裝置，三相星形聯結，中性點經CHB 接地，三相掛接于母線處，圖中為各相電源電壓，為母線處各相電壓，為中性點電壓（或零序電壓），設置A相發生接地故障，Rf為接地過渡電阻，為故障點電流，rAΣ、rBΣ、rCΣ分別為A、B、C 相所有饋線對地泄漏電阻之和，CAΣ、CBΣ、CCΣ分別為A、B、C相所有饋線對地電容之和，為綜合補償裝置的接地支路注入電流，分別為A、B、C 相所有饋線對地電流之和，分別為A、B、C 相電源電流，分別為A、B、C 相負荷電流。

利用瞬時功率理論可求得瞬時有功功率和瞬時無功功率的關系為

式中，Tabc-dq為派克變換矩陣；vGA、vGB和vGC分別為綜合補償裝置并網點A、B 和C 相電壓；VSG為相電源電壓幅值；ω為系統角頻率。

整理式（2）～式（4）可得

將式（5）代入式（1），經整理后得d 軸和q 軸的參考電流值為

式中，Pref和Qref分別為調度中心下發的有功和無功功率補償的目標值。

式（6）所示參考電流值經dq-abc 變換后可得到三相補償電流參考值，控制變流器輸出該補償電流可實現有功功率和無功功率的補償。

1.2 三相不平衡負荷補償原理

三相負荷不平衡將導致負荷電流中出現負序分量。三相不平衡負荷電流的抑制原理為：檢測并提取負荷電流中的負序電流分量；再控制變流器輸出與負荷電流中負序分量大小相等，方向相反的補償電流，使二者完全抵消，保證了源端負荷電流的平衡。因此，其關鍵技術在于負荷電流負序分量的提取。

正常運行時，系統零序電流為零，根據對稱分量法，三相不平衡負荷電流可表示為

式中，iLi為各相負荷電流；iLi1為各相負荷電流的正序分量；iLi2為各相負荷電流的負序分量；i=A,B,C。

三相負荷電流經abc-dq 變換至dq 坐標軸，則

負荷電流中的基波正序有功和無功分量分別在d 軸和q 軸上為直流量，利用低通濾波器可分別從d 軸和q 軸分量中提取基波正序有功和無功分量，再經dq-abc 反變換可得到abc 坐標系下的三相基波正序電流，即

將實時檢測的三相負荷電流減去三相基波正序電流即可得到三相負序電流，以該值作為給定控制目標值，控制綜合補償裝置輸出補償電流，可補償三相不平衡負荷，即

2 接地故障電流補償和三相對地參數不對稱電流補償原理

2.1 接地故障電流補償原理

對圖 1 所示的接地點列寫基爾霍夫電流定律（KCL），得

若控制注入電流為系統總對地電流，即

系統總對地電流無法直接獲取，但可經過電壓和對地參數求得，將式（12）轉換為電壓形式，得

式中，YA、YB、YC為各相對地導納，，

若控制綜合補償裝置接地支路注入式（15）所示補償電流，則可抑制接地故障點電流為零，可稱為電流補償法；若控制零序電壓為，則故障點電流也可被抑制為零，可稱為電壓補償法。

2.2 三相對地參數不對稱電流補償原理

假設系統三相線路對地參數不對稱，正常運行時，對圖1 所示的接地點列寫KCL，得

各相對地電流轉換成電壓形式為

3 多目標綜合補償方法

3.1 分序解耦控制的多目標綜合補償方法

由第1 節和第2 節分析可知，有功功率和無功功率補償的給定值和反饋值分別為調度中心下發功率需求的轉換電流值和綜合補償裝置注入電流的正序分量；三相不平衡負荷電流補償的給定值和反饋值分別為負荷電流和綜合補償裝置注入電流的負序分量；接地故障電流補償的給定值和反饋值分別為系統總對地電流和綜合補償裝置注入電流的零序分量；三相對地參數不對稱電流補償的給定值和反饋值分別為系統不對稱電流和綜合補償裝置注入電流的零序分量。

因此，通過分序解耦控制可在一套綜合補償裝置上實現功率補償、三相不平衡負荷補償和接地故障電流補償以及三相對地參數不對稱電流補償等功能。但接地故障電流補償和三相對地參數不對稱電流補償的補償對象均為零序分量，二者存在切換過程。

3.2 三相對地參數不對稱電流補償與接地故障電流補償的切換方法

三相對地參數不對稱電流補償和接地故障電流補償二者原理類似，實現方法有電流法和電壓法，電壓法均以中性點電壓（零序電壓）為調控對象，具有無需測量對地參數的優勢，但給定控制目標值差別較大，不對稱電流補償給定控制目標值為零，接地故障電流補償給定控制目標值為故障相電源電壓的負值，接近于相電源電壓。發生低阻接地故障時二者切換若存在延時，將使綜合補償裝置產生過電流且增大了接地故障點電流。電流法調控對象為不對稱電流和接地故障電流，將接地故障后綜合補償裝置輸出的零序補償電流看作不對稱電流和接地故障電流的疊加，則即使二者切換過程存在延時，造成的影響僅為延時期間補償效果欠佳，不會產生過電流和增大接地故障點電流，但需測量對地參數，受對地參數測量精度影響。

故本文綜合電壓法和電流法的優勢，三相對地參數不對稱電流補償采用電流抑制法，實現與接地故障電流補償的平穩切換；接地故障電流補償采用電壓補償法，省去對地參數測量環節，且在接地故障電流補償的同時抑制了三相對地參數不對稱電壓。此時，三相對地參數不對稱電流補償涉及不對稱電流的測量或計算，本文提出利用電壓抑制法測量不對稱電流：系統正常運行且三相對地參數不對稱時，控制綜合補償裝置使中性點電壓為零，即采用電壓抑制法，并測量和保存此時裝置注入電流值，該值即為系統不對稱電流。

3.3 綜合補償裝置結構

本文提出SVG 中性點經CHB 接地的新型四橋臂綜合補償裝置結構，三相橋臂用于功率補償和三相不平衡負荷補償，接地橋臂用于接地故障電流補償和三相對地參數不對稱電流補償。每個橋臂的承受電壓為相電壓，較文獻[17]節省了投入元件，同等情況下，本文所提結構需H 橋總數量約為文獻[17]所提結構的77%。以電力電子開關耐壓1 700V，直流側電源電壓800V 為例，承受相電壓（峰值8 165V）時每個橋臂需要H 橋的數量為12 個，本文所提結構需要總的H 橋數量為48 個；而承受線電壓（峰值14 142V）時每個橋臂需要H 橋的個數為21 個，文獻[17]所提結構需要總的H 橋模塊個數為63 個，因此，本文所提結構可節省H 橋個數為15 個，可有效減小裝置體積。且響應速度較文獻[18]更快，文獻[18]接地橋臂采用消弧線圈，但受其元件特性影響，存在衰減分量，持續時間可達8 個工頻周波，因此本文所提綜合補償裝置的響應速度相較于文獻[18]可提升0.16s。另外，在一套裝置上可同時實現有功功率、無功功率補償、三相不平衡負荷補償以及接地故障電流補償和三相對地參數不對稱電流補償等功能，綜合成本較低。為實現有功功率的補償，在級聯H 橋變流器的直流側電容兩端并接蓄電池儲能單元，為裝置提供有功功率支撐，并可拓展分布式儲能功能。

3.4 綜合補償的控制方法

控制系統及協同控制策略是綜合補償裝置能否實現注入多功能綜合補償電流的關鍵。按照模塊化的思想，將控制系統劃分為給定模塊、控制模塊和調制模塊，總體結構如圖2 所示。

圖2 綜合補償裝置控制系統結構 Fig.2 Structure of control system of comprehensive compensation device

給定模塊包括電氣量采集、狀態檢測、故障選相和注入電流控制目標值計算等子模塊，采集的電氣量包含配電網母線三相電壓、零序電壓（中性點電壓）、三相電流、補償裝置注入電流等。狀態檢測包含電網調度下發的有功功率和無功功率補償指令的獲取、三相負荷不平衡檢測、三相對地參數不對稱檢測和單相接地故障檢測。注入電流控制目標值計算子模塊對三相功率補償、三相不平衡負荷補償、接地故障電流補償及三相對地參數不對稱電流補償等功能的給定控制目標值進行運算，分別對應文中的式（6）、式（10）、式（15）和式（18），經dq0-abc 反變換得到綜合補償裝置三相橋臂需要輸出的三相補償電流給定值。三相對地參數不對稱電流補償及接地故障電流補償目標值作為綜合補償裝置接地橋臂的給定值。實時檢測的補償裝置注入電流和母線零序電壓作為控制器的反饋量。控制模塊主要包含產生三相對地參數不對稱和接地故障補償電流的電壓控制器、控制三相橋臂輸出補償電流的電流控制器以及控制單相橋臂輸出補償電流的電流控制器。調制模塊采用載波相移SPWM 調制法生成各開關管的狀態信號，驅動各H 橋單元模塊的開關元件，使級聯H 橋變流器兩端輸出所需的電壓波形[19-22]。

4 仿真分析

4.1 仿真建模

通過PSCAD/EMTDC 軟件進行仿真分析，不對稱配電網模型如圖3 所示。配電線路參數選擇貝杰龍模型，具體參數見表1。

表1 線路參數 Tab.1 Parameters of lines

圖3 含四橋臂H 橋變流器的不對稱配電網模型 Fig.3 Asymmetrical distribution network model with four-arm H-bridge converter

4.2 功率補償和三相不平衡負荷電流補償

在圖3 所示配電網的饋線7 增設三相不平衡負荷，功率補償目標是有功功率 0.5MW，無功功率0.3Mvar。在0.6s 時刻投入綜合補償裝置進行功率補償和三相不平衡負荷補償，補償結果如圖4 所示。由圖4a 可看出，補償裝置投入后，電源端有功功率和無功功率分別減少0.5MW 和0.3Mvar，減少的功率由補償裝置提供，驗證了本文所述功率補償方法的有效性。裝置投入前，源端功率受三相不平衡負荷影響，存在二倍頻波動，其中有功功率波動的峰值為0.01MW，裝置投入后，源端功率二倍頻波動被消除，其中有功功率波動的峰值降為0.000 05MW，補償了波動值的99.5%，補償效果明顯，對系統三相負荷的平衡有較大提升。由圖4b 可知，補償裝置投入前源端三相電流不平衡，補償裝置投入后，源端三相電流趨于平衡，驗證了本文所述三相不平衡負荷補償方法的有效性。

圖4 功率和三相不平衡負荷補償效果 Fig.4 The effect of power and unbalanced load compensation

4.3 接地故障電流補償和三相對地參數不對稱電流補償

在圖3 所示配電網的饋線8 增設一條三相對地參數不對稱線路，配電線路不對稱度一般不超過3.5%[23]，通過饋線8 使系統中性點電壓不對稱度為3.0%。在母線處設置接地故障點，接地過渡電阻為100Ω。接地故障電流和三相對地參數不對稱電流補償效果如圖5 所示，接地故障電流幅值由57.8A 降為 1.5A；中性點不對稱電壓幅值由 0.24kV 降為0.02kV，驗證了所提方法的有效性。

圖5 接地故障電流和三相對地參數不對稱電流補償效果 Fig.5 The compensation effect of ground fault current and parameter asymmetry current

4.4 綜合補償

4.4.1 三相對地參數不對稱電流和接地故障電流補償的切換方法

在1.3s 時刻投入三相對地參數不對稱補償，在1.5s 時刻母線處經10Ω 電阻接地故障。圖6a 和圖6b 分別為三相對地參數不對稱補償采用電壓抑制法和電流抑制法，并延時切換至接地故障電流補償 時的接地故障電流波形。由圖6 可知，三相對地參數不對稱補償采用電壓抑制法在低阻接地故障時存在增大接地故障電流的風險，故障電流幅值由77.3A 增大至133.4A；但若采用電流抑制法則可避免此問題，故障電流幅值由77.3A 減小至77.1A。

圖6 三相對地參數不對稱和接地故障電流補償切換方法 Fig.6 Switching method for parameter asymmetry and ground fault current compensation

4.4.2 綜合補償方法

為驗證綜合補償方法的有效性，在圖3 所示配電網的母線處同時添加三相不平衡負荷和三相對地參數不對稱線路，在0.6s 時刻投入綜合補償裝置的三相橋臂進行有功功率、無功功率和三相不平衡負荷的補償；在1.0s 時刻再投入綜合補償裝置的接地橋臂進行三相對地參數不對稱電壓（中性點偏移電壓）抑制；在1.3s 時刻設置母線處經10 Ω電阻接地故障；在1.32s 時刻三相對地參數不對稱電流補償切換至接地故障電流補償。綜合補償結果如圖7 所示。由圖7 可知，在1.3s 時刻電源和裝置的輸出功率受接地故障影響，產生了一定的波動，但在投入接地故障電流補償后迅速趨于穩定，之后裝置可靠輸出給定綜合補償電流。因此，驗證了所提綜合補 償方法可在一套綜合補償裝置上同時實現功率補償、三相不平衡負荷補償和三相對地參數不對稱電流補償以及接地故障電流補償等功能，且三相對地參數不對稱電流補償可平穩切換至接地故障電流補償。

圖7 綜合補償效果 Fig.7 The effect of comprehensive compensation

4.4.3 綜合補償裝置

不同補償裝置的優勢比較見表2。由表2 可知，本文所提綜合補償裝置相較于已有補償裝置兼具功能更為豐富、橋臂兩端承受電壓為相電壓以及故障抑制響應速度快等優勢，具有更好的適應性。

表2 不同補償裝置的優勢比較 Tab.2 Comparison of advantages of different compensation devices

5 結論

針對配電網已有電力電子裝置功能單一和接地故障電流補償裝置僅在故障期間發揮作用，使用率低，以及拓撲結構存在動態響應速度欠佳和承受電壓高等問題，提出集多功能于一體的新型綜合補償裝置拓撲結構及其綜合補償方法，并經仿真驗證了所提方法的有效性，得出結論如下：

1）以四橋臂級聯H 橋變流器作為綜合補償裝置，并通過分序解耦控制在一套綜合補償裝置上同時實現有功功率和無功功率補償、三相不平衡負荷補償和三相對地參數不對稱電流補償以及接地故障電流補償等功能，將功率補償、三相不平衡負荷電流和三相對地參數不對稱電流以及接地故障電流分別經過旋轉坐標變換至dq0 軸，并分別提取正序、負序分量和零序分量，實現各功能的解耦控制。

2）考慮各功能間的相互影響，提出了三相對地參數不對稱電流補償和接地故障電流補償的切換方法，三相對地參數不對稱電流補償采用電流抑制法，接地故障電流補償采用電壓補償法，避免了二者切換期間因延時而產生過電流的風險。

3）提出了無需測量對地參數的三相對地參數不對稱電流的求取方法，在中性點不對稱電壓超過設定值時，控制綜合補償裝置接地橋臂使中性點不對稱電壓為零，同時測量接地橋臂電流，該電流即為三相對地參數不對稱電流。

下一步將研發基于四橋臂級聯H 橋變流器的綜合補償裝置樣機，對本文提出的綜合補償方法進行實驗驗證。