基于SVG的供電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償及諧波抑制

唐 超， 向思嶼， 曾琢琳， 張菊玲， 張凌浩

（國網(wǎng)四川省電力公司 電力科學(xué)研究院， 成都 610000）

供電系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性是目前大型用電設(shè)備使用單位必須要保證的問題，且隨著各種現(xiàn)代化設(shè)備的廣泛使用，對于供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的要求也提出了新的挑戰(zhàn).各種設(shè)備在消耗電能的同時(shí)，其內(nèi)部的電力電子器件會(huì)消耗大量的無功功率，造成系統(tǒng)無功不足，引起電壓降落，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性.

關(guān)于供電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償與電壓穩(wěn)定性的研究也成為目前各個(gè)科研單位和專家學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)[1-3].常規(guī)的無功補(bǔ)償裝置包括：并聯(lián)電容器和調(diào)相機(jī).近年來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，靜止無功發(fā)生器（SVG）由于其良好的工作性能引起了業(yè)界廣泛的關(guān)注[4-5].

林志超等[6]針對SVG動(dòng)態(tài)性能受自身參數(shù)影響的問題，提出了一種基于模糊控制的自適應(yīng)PI控制方法，實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)調(diào)整SVG的功率輸出；張前進(jìn)等[7]研究了在大容量無功補(bǔ)償條件下，無功補(bǔ)償裝置與逆變器的振蕩現(xiàn)象，并采用控制回路串聯(lián)校正的方式消除該影響；許其品等[8]研究了一種抑制電力系統(tǒng)零序換流的SVG無功補(bǔ)償控制策略；霍春寶等[9]針對傳統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置存在的工作電壓低、響應(yīng)速度慢、補(bǔ)償容量小等問題，提出了一種H橋級聯(lián)方式的SVG無功補(bǔ)償系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對電網(wǎng)無功功率的快速補(bǔ)償.此外，SVG系統(tǒng)在抑制電力系統(tǒng)諧波[10-12]、改善電力系統(tǒng)功率因數(shù)[13-15]、維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行[16]等方面均有著廣泛的應(yīng)用.

目前，國內(nèi)外關(guān)于SVG的研究多集中于對新能源直流系統(tǒng)并網(wǎng)[17-18]以及逆變器造成的無功不足問題，而針對SVG用電設(shè)備的無功補(bǔ)償及諧波抑制的研究較少.本文充分利SVG優(yōu)良的無功補(bǔ)償性能，提出一種基于雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的SVG無功補(bǔ)償與諧波抑制控制策略，對維持供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量具有重要意義.

1 SVG無功補(bǔ)償系統(tǒng)及控制策略

1.1 無功補(bǔ)償系統(tǒng)

SVG作為電力系統(tǒng)中一種廣泛使用的無功補(bǔ)償設(shè)備，具有改善系統(tǒng)穩(wěn)定性、維持電壓、提高電能質(zhì)量的作用.因此，為了保證用電設(shè)備的供電可靠性，本文采用靜止無功發(fā)生器與10 kV配網(wǎng)并聯(lián)的方式對用電設(shè)備進(jìn)行無功補(bǔ)償.SVG主電路采用電壓型橋式電路，直流側(cè)采用電容器作為儲(chǔ)能元件，系統(tǒng)接線如圖1所示.

由圖1可知，SVG無功補(bǔ)償系統(tǒng)通過串聯(lián)電抗器接入電網(wǎng).工作過程中由SVG控制系統(tǒng)發(fā)出控制信號，控制電力電子元件的開斷.將直流電壓轉(zhuǎn)化為與10 kV配網(wǎng)同頻率的輸出電壓，并對系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償.

圖1 SVG無功補(bǔ)償系統(tǒng)接線圖Fig.1 Wiring diagram of SVG reactive compensation system

1.2 控制策略

靜止無功發(fā)生器的基本控制策略一般可分為電流直接控制和電壓控制兩大類.由于電壓控制策略中含有電網(wǎng)參數(shù)，會(huì)給控制過程帶來不確定性影響，因此本文采用基于dq0檢測法的電流直接控制策略對SVG進(jìn)行無功補(bǔ)償控制.

電流控制策略的基本原理為：利用配電網(wǎng)的瞬時(shí)無功參數(shù)調(diào)制形成相應(yīng)的PWM控制信號，完成SVG基本換流單元開通和關(guān)斷的控制，從而維持用電設(shè)備的無功平衡.無功電流的準(zhǔn)確檢測會(huì)直接影響SVG的工作性能，常用的無功電流檢測方法包括：p-q檢測法和dq0檢測法.在電壓三相不平衡的條件下，p-q檢測法檢測得到的基波電流會(huì)被諧波污染.因此，本文設(shè)計(jì)具有雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的dq0電流控制策略作為設(shè)備動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)目刂撇呗?控制原理如圖2所示.

圖2 電流控制原理圖Fig.2 Schematic diagram of current control

雙閉環(huán)控制系統(tǒng)是指通過外環(huán)電壓控制以維持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，內(nèi)環(huán)電流控制進(jìn)行相應(yīng)地?zé)o功補(bǔ)償.圖2中，uC0為給定的電容參考電壓，uC為SVG的電容電壓.在外環(huán)電壓的控制環(huán)節(jié)，控制系統(tǒng)通過比較uC0與uC之間的差值，將得到的電壓誤差信號作為有功控制的輸入信號，以實(shí)現(xiàn)電壓的穩(wěn)定控制.

供電SVG無功補(bǔ)償系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)控制為電流控制環(huán)節(jié)，基于瞬時(shí)電流負(fù)反饋控制.控制過程中將有功電流和無功電流的參考值id0、iq0分別與實(shí)際的有功瞬時(shí)電流和無功瞬時(shí)電流id、iq進(jìn)行比較，得到Δid=id0-id和Δiq=iq0-iq.利用PI控制器得到相應(yīng)的控制信號，使之逼近整定值，完成無功電流的實(shí)時(shí)跟隨.然后，通過坐標(biāo)變換形成三相控制信號，與固定頻率的三角波進(jìn)行比較得到SVG的控制信號.

具有雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的SVG無功補(bǔ)償裝置實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)受控電流源，不僅具有優(yōu)良的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確度，且其響應(yīng)速度與控制精度也顯著優(yōu)于間接控制法，對于保障大型設(shè)備的供電穩(wěn)定性具有重要作用.

2 控制信號提取

由上文分析可知，實(shí)現(xiàn)對靜止無功發(fā)生器的雙閉環(huán)控制的關(guān)鍵在于有功電流id與無功電流iq的獲取.本文采用dq0檢測法獲取瞬時(shí)有功電流與無功電流.dq0檢測法是一種基于矢量分析的坐標(biāo)變換方法，其基本原理是將abc坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到dq0坐標(biāo)系下，從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)有功電流與無功電流信號的提取.

假設(shè)供電的10 kV配網(wǎng)系統(tǒng)中三相電壓和電流分別為

（1）

（2）

式中：上標(biāo)1為電壓與電流的正序分量；上標(biāo)2為負(fù)序分量；上標(biāo)0為0序分量；下標(biāo)n為n次諧波分量.按照坐標(biāo)變換方法將其變換到dq0坐標(biāo)系下，則有

（3）

（4）

式中：D32為坐標(biāo)變換矩陣；φ為電壓與電流相位；θ為電壓與電流初始相位；ω為電網(wǎng)基波角頻率.利用采樣頻率為10 kHz，截止頻率為10 Hz的巴特沃斯低通數(shù)字濾波器對其進(jìn)行濾波處理后，可得到電壓與電流的有功分量和無功分量分別為

（5）

（6）

最后，將有功分量與無功分量進(jìn)行反變換，可得基波正序電壓、電流分量為

（7）

（8）

由上述求解過程可知，通過坐標(biāo)變換得到的電壓電流正序基波分量不受正弦信號初始相位的影響，能夠有效避免由于非線性和不對稱負(fù)載的存在而引起的同步參考相位缺失的問題.

3 測試結(jié)果分析

對圖1所示的電路SVG無功補(bǔ)償能力進(jìn)行仿真分析.實(shí)驗(yàn)對比了兩種常見的電壓畸變進(jìn)行無功補(bǔ)償前后的波形特征以及頻率特征，并對其進(jìn)行分析.實(shí)驗(yàn)過程中，SVG無功補(bǔ)償系統(tǒng)對電壓信號的采樣頻率為2 500 Hz，實(shí)驗(yàn)周期為0.2 s.

圖3～6所示為樣本1和樣本2進(jìn)行無功補(bǔ)償前后的對比圖.樣本信號由實(shí)際濾波得到的信號經(jīng)過頻譜分析后獲得，在Simulink中利用可編程電源搭建相應(yīng)的諧波電路產(chǎn)生.

圖3 樣本1電壓信號波形Fig.3 Voltage signal waveform of sample 1

由圖3和圖4可知，在未使用SVG無功補(bǔ)償系統(tǒng)的條件下，樣本1信號存在間斷性的電壓波動(dòng)，同時(shí)其頻率分布在50 Hz附近有輕微的雜波干擾.通過本文提出的具有雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的SVG進(jìn)行無功補(bǔ)償后，電壓波形得到了較好的改善，且其雜波干擾也明顯降低，電壓畸變率由原先的23.5%降低到0.1%以下.

圖4 樣本1信號頻率分析Fig.4 Signal frequency analysis of sample 1

圖5 樣本2電壓信號波形Fig.5 Voltage signal waveform of sample 2

樣本2電壓信號波形存在不同頻率的畸變，通過對其頻率分析發(fā)現(xiàn)，其諧波頻率主要為25 Hz和75 Hz.由SVG系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償與濾波后，電壓恢復(fù)穩(wěn)定，整體諧波畸變率降到0.5%.

為了進(jìn)一步驗(yàn)證SVG進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)哪芰σ约氨疚奶岢龅碾p閉環(huán)控制策略的有效性.通過對三相電源隨機(jī)疊加不同頻次和幅值的諧波信號，獲得100組不同的電壓信號，利用SVG進(jìn)行無功補(bǔ)償測試，無功補(bǔ)償前信號畸變率分布如圖7所示.

圖6 樣本2信號頻率分析Fig.6 Signal frequency analysis of sample 2

圖7 無功補(bǔ)償前樣本信號畸變率統(tǒng)計(jì)Fig.7 Statistics of sample signal distortion rate before reactive power compensation

無功補(bǔ)償前所有電壓信號的平均畸變率為32.5%，采用本文所提的基于雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的SVG進(jìn)行無功補(bǔ)償后，電壓波形的平均畸變率降低為0.41%，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如圖8所示.由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本系統(tǒng)能夠較好地維持配電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性，降低系統(tǒng)的諧波畸變率，保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行.

4 結(jié) 論

本文采用靜止無功發(fā)生器與10 kV配網(wǎng)并聯(lián)的方式對用電設(shè)備進(jìn)行無功補(bǔ)償和諧波抑制.控制過程中，外環(huán)電壓控制用于維持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，內(nèi)環(huán)電流控制實(shí)現(xiàn)無功功率的快速響應(yīng).本文基于dq0檢測法有效避免了由于非線性和不對稱負(fù)載的存在而引起的同步參考相位缺失的問題，對于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確控制具有重要意義；兩組典型電氣設(shè)備電壓波形的仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠明顯改善電壓波形，并抑制諧波.通過100組電壓信號的測試分析表明，采用該系統(tǒng)可以使其電壓畸變率由補(bǔ)償前的32.5%降低為補(bǔ)償后的0.41%.

圖8 無功補(bǔ)償后樣本信號畸變率統(tǒng)計(jì)Fig.8 Statistics of sample signal distortion rate after reactive power compensation