静止无功发生器的直接电流控制

张 浩，王鲁杨，徐文忠，杨兴武，胡慧慧

(1.上海电力学院 电气工程学院，上海 200090;2.国网上海电力公司 市北供电公司，上海 200072)

当前配电系统中各种冲击性负荷、非线性负荷日趋增多，导致电网电压波动和闪变，谐波含量增加.[1]同时许多陈旧设备消耗了大量的无功功率，而更多先进的重要用电设备对电能质量的要求却不断提高.[2]静止无功发生器(Static Var Generator，SVG)作为目前无功补偿最先进设备之一，对于改善电网电压质量、提高电力系统稳定性起着积极的作用，被广泛应用于当前的电力系统中.[3-4]与传统的以晶闸管控制电抗器(Thyristor Controlled Reactor，TCR)和晶闸管控制电容器(Thyristor Switched Capacitor，TSC)为代表的装置相比，静止无功补偿器(Static Var Compensator，SVC)可实现从感性到容性大范围的连续、动态、平滑的无功调节功能.其调节速度更快，运行范围更广，配合级联多电平、多重化等技术后可减少电网中的谐波含量.

本文主要研究了SVG系统的工作原理与控制方法.本文中的SVG采用基于LCL滤波的三相电压型PWM变流器(LCL-VSR)为拓扑结构，采用新颖的有源阻尼三闭环控制策略并基于瞬时无功功率理论实现了补偿电流的直接控制.目前虽有很多文献介绍过SVG的直接电流控制方法，但阐述不够详尽，未能够根据不同的补偿目的提出相应的控制方案，仅对电流基波无功进行补偿或仅针对电流谐波无功进行补偿等.本文介绍了两种主要补偿方式的控制方法，并通过仿真进行了验证.

1 SVG拓扑结构与无功补偿原理

基于VSR拓扑的SVG装置可以分为电压型和电流型两种结构.基于运行效率的原因，[1]当前大多数研究者都选用电压型桥式结构，如图1所示.

图1 基于LCL-VSR的SVG拓扑示意

将VSR拓扑电路经由LCL滤波器并联电网，适当调节该电路交流侧电压的相位及幅值，便可使该电路吸收或者发出满足补偿目标的无功电流，以实现动态及连续无功补偿的目的.[5]VSR通过LCL滤波器与电网联接，配合相应控制策略可滤除电流中的大量谐波，获得比L型更好的滤波效果.直流储能电容C起能量交换作用，并能滤除VSR输入电流的少量纹波.

SVG处于工作状态时，是通过全控功率开关(IGCT等)的通断将直流侧电压转换成工频交流输出电压，故在研究时可将其等效地看成与电网同频率的幅相均可控的一个交流电压源.

考虑损耗，可将LCL滤波器和 VSR本身的电能损耗等效为连接电抗器的电阻.设网侧电压和 SVG输出的交流电压分别为和，电抗器X的电压为，其总损耗为 R，电流为则 SVG一相简化后的等效电路及工作原理的向量图分别如图2和图3所示.

图2 SVG单相等效电路

图3 SVG工作原理示意(虑及损耗)

2 SVG直接电流控制策略

一般来说，SVG的控制方法分间接电流控制和直接电流控制两种.间接电流控制按照上述工作原理将SVG看成交流电压源，通过对SVG的交流电压基波的幅相控制来间接控制SVG的补偿电流.直接电流控制，就是能实时跟踪电流的瞬时变化并对其进行反馈控制.主要采用PWM跟踪型控制技术，可以是滞环比较方式或三角波比较方式.当采用间接控制策略时，就不能对电流波形进行实时跟踪，系统参数易受温度影响而发生漂移，并会产生大量谐波.本文提出的基于三角波比较方式(SPWM)的直接电流控制策略，其无功电流的计算采用基于瞬时无功功率理论的ip-iq方式.

图4为电压、电流旋转矢量图.三相电网电压、电流分别合成的电压、电流旋转矢量为U和i，等效旋转角速度为ω，U和i二者的夹角为φ.

图4 电网电压、电流矢量示意

根据瞬时无功功率理论，三相电路系统中的瞬时有功电流和瞬时无功电流可表示为:

ip和iq与三相电流瞬时值 ia，ib，ic之间存在如下关系:

建立与电压(电流)矢量同步旋转的p-q旋转坐标系:设定p轴方向与电压旋转矢量U同向，如图4所示，这样，瞬时有功电流ip则落在p轴上;瞬时无功电流iq落在q轴上，且经如此的变换后ip和iq都成为直流量.基于以上理论，根据不同补偿目的，有两种不同的补偿控制方法，即基波无功补偿方式和基波谐波无功全补偿方式.

2.1 基波无功补偿方式

在实际应用中，只对电流基波无功进行补偿可以将无功补偿到期望范围内，因为其占有无功绝大部分的比重.其方法是将基波电流的无功成分经由负载电流抽离出来，再经反变换得出补偿的指令电流，其原理如图5所示.

当反变换求取无功电流时，断开 ip通道，有功电流的反变换由求差得出，用于维持直流电容电压的稳定.其变换公式为:

式中:C23——C32的逆矩阵(C矩阵的逆矩阵为其本身).

该方法不检测谐波成分，对开关频率的限制较低，使采用高压、大功率但开关频率不高的开关器件成为可能，因而适用于大容量系统.但开关频率的降低，也会降低直流电压的利用率，因此可以通过采用多重化技术或级联多电平技术加以改善.

图5 检测基波无功原理示意

2.2 基波谐波无功全补偿方式

若要既补偿无功又补偿谐波，控制上可断开图5中的iq，只将ip送入低通滤波器 LPF，如图6所示.将检测出的三相有功电流与三相输入电流之差，也即无功电流与谐波电流之和作为指令值.

图6 检测基波和谐波无功原理示意

求取无功电流指令值时，断开iq，直流电压给定值与实际值之差经PI调节后叠加在ip基波有功分量上.

其变换公式为:

此方法同时实现了谐波电流和基波无功电流的补偿，原理简单，控制方案容易设计，对开关频率限制也不及单补偿的方法那样强，且PI调节控制技术也已成熟，特别适用于单机容量不大的中小功率型SVG，或结合TSC用于分组投切的连续补偿.

3 仿真验证及分析

为验证本文所提出的 ip-iq基波、谐波无功电流全补偿控制方法的正确性，根据上述讨论，利用Matlab/Simulink软件进行了仿真，按照图 7建立仿真模型.需要指出的是，这里针对 LCL型滤波器采用了有源阻尼的控制方式，即对网侧电流内环和直流侧电压外环的控制均使用PI调节以实现无静差控制，且采集LCL滤波器的电容电流作为第3环PI控制，从而等效地增加系统阻尼，有效抑制了LCL三阶系统谐振的可能.

无功电流检测部分仿真如图8所示.

图7 ip-iq全补偿直接电流控制示意

图8 无功电流检测模块仿真

仿真系统参数选择如表1所示.

表1 仿真系统元件参数

本文选择低压配电系统0.4 kV电网作为仿真对象，负载先设定为感性，0.6 s时又突加5 kW容性负载.SVG开关频率设为10 kHz，仿真时间设为1.2 s.部分仿真结果如图9所示.

图9a为补偿后电网侧电压和电流波形.从图9a可看出，在稳定后电压和电流实现了同相位运行，从而实现了补偿目的，且采用三闭环控制后有效滤除了大量谐波.在0.6 s时突加容性负载，但电流仅有幅值上的跳变，仍能很好地跟随电压，几乎没有受负载变化的影响.

图9b为直流侧电容电压，由图9b可以看出，快速充电后，电压基本稳定在设定值900 V.0.6 s时系统受到扰动后，经过调整可以很快重新稳定，具有良好的暂态稳定性.

图9c中的网侧有功功率和无功功率在稳态时都很稳定，尤其是无功功率，经补偿后始终为零，实现了单位功率因数调节的目的.由此可以看出，仿真波形质量符合预期目标，仿真结果证明了该方法是可行的.

图9 部分仿真波形

4 结论

(1)仿真结果表明，LCL滤波型SVG系统配合三闭环控制方法能极大地改善直接电流控制方法的效果.

(2)仿真选择了低压配电网，具有一定的真实性，且设计简单，控制方法易于实现，仿真效果也很理想.

(3)在中小功率场合下，采用SVG装置，再配合三闭环控制方法，具有很高的推广意义和实用价值.

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