一种新型静止无功发生器的设计与实现

汤茂然

摘 要：静止无功发生器（SVG）是目前无功补偿技术领域的代表，可以有效补偿无功和抑制谐波，提高功率因数，改善电能质量。文章在分析了SVG的基本原理和结构的基础上，选择了I型三电平三桥臂结构逆变器作为SVG的主电路，选择了基于DSP+FPGA的矢量发生器作为系统的主控制器。最后，借助示波器和功率分析仪对样机进行试验测试和分析，测试了系统在无功补偿、谐波补偿以及目标功率因数下的实际补偿效果，分析了系统无功补偿和谐波补偿性能，通过实验再次验证了整个新型SVG系统的可行性和有效性。

关键词：静止无功发生器；电能质量；三电平；DSP+FPGA

目前我们国家的经济发展水平还处在腾飞时期，这一切都不能没有电，因此，用电的需求只会有增无减。所以，怎样把电能质量提高，且稳定高效地运行的问题日益显现。首先要考虑的就是如何把无功量降下来，如果忽略电网系统中的无功量，任其一直攀升，肯定会导致大量的电压损失和电能损耗，还会造成电压跌落，这对于电能质量也有很坏的影响，不利于电力系统安全高效运行[1]。

相对于其他的各类武功补偿装置而言，静止无功发生器（Static Var Generator，SVG）具有响应计时、运行损耗和噪音更小、便于维护等优势，该装置可以对无功功率进行动态连续补偿，可以非常有效地将负序无功电流、电流突变以及谐波等情况进行改善，因此该技术很快就得到了快速发展，成为智能无功补偿技术领域的代表。

1 新型SVG的总体方案设计

本文根据实际需求设计一款补偿容量为±200 kVar，用于电压等级为380 V的SVG系统，既可以单独使用，也可以进行大容量大功率的动态连续补偿，比如用在轧钢厂、地铁、港口、整流和感应加热设备等复杂场合的负载上，新型SVG规格要求如表1所示。

1.1 SVG的补偿原理

SVG采用桥式电路结构，其工作原理是将能够自换相的桥式电路接入电网，中间可以加入电抗器，也可以直接并电网上，并通过控制逆变器开关器件的通断来控制输出电压电流的幅值和相位，整个装置类似一个可调相的交流源，通过监测分析电网电流无功分量，吸收或者发出相位相反，大小相同的电流来平衡无功[2]，其工作原理如图1所示。

从一定意义上说，可以把SVG等效成交流源，并且它的幅值和相位可调，其频率和电网一致，但它本身还是有一定损耗的，需要将其等效到电抗上电阻一起考虑。SVG系统的单相等效电路如图2所示，其中电抗上的电压等于X两端电压和R两端电压的向量和，也等于和之间的向量差。

由于逆变器没有有功损耗，与相位差仍为90°，但是电网侧的电压与却不一样，他们之间的相位差跟90°还有一个δ角，实际上是会有有功损耗的，而这个损耗又需要电网来给予补偿，向量差其实就是这个δ角，因此只要控制δ角以及的幅值，电流就得到了有效控制，以此来补偿无功[3]。

1.2 新型SVG主电路设计方案

SVG主电路的核心部分其实就是一个逆变器电路。逆变器的结构类型目前主要有3种：两电平、三电平和多电平逆变器。考虑到逆变器的损耗、设计成本以及简化控制等问题，选择了三电平逆变器作为SVG的主电路设计方案[3]。对于三相四线制三电平SVG系统，其拓扑结构主要有三桥臂和四桥臂两种。三桥臂SVG要比四桥臂少了一个N桥臂，因此其零序补偿能力稍弱一些，但通过电容分压方式，其结构与三相三线制基本相同，不需要额外的硬件，开关状态少，控制容易，易扩展，且成本较四桥臂低得多。并且如果采用全数字化控制方法，可以及时高效地计算出指令电流，也可以自由选择补偿模式，因此，三电平三桥臂SVG适用性更广，故采用三桥臂结构。

由于传统的二极管钳位三电平电路的损耗过于集中，会导致局部过热，因此对其进行了改进，将二极管鉗位三电平电路改为有源钳位三电平电路，使其内管损耗部分转移到钳位管，有效地分散了内管损耗，解决了局部过热问题，从而使系统稳定性得到提高，改进后的三电平逆变器主电路如图3所示。

1.3 控制电路的设计与选型

新型SVG采用DSP和FPGA相结合的控制方案来实现矢量发生器选择的DSP芯片是TI公司的TMS320F28377DZWT芯片，它是一款32位双核处理器，性能非常强大，其结构上采用核心板加底板方式设计，尺寸为130 mm×90 mm，底板采用沉金无铅工艺的两层板设计。另外，FPGA则采用功耗小、成本低、但速度快的高性能10M02SCU169I7G芯片，用于辅助DSP对系统进行控制[4]。

1.4 新型SVG总体结构框图

通过对SVG的原理、系统构成以及主电路逆变器拓扑的分析，并对采样、滤波、控制等电路进行设计，整个系统的结构框架如图4所示。

1.5 SVG的控制方案

SVG系统采用的电流控制方法为直接电流控制策略，对比其他方法，采用该方法可以使SVG系统响应更及时，控制角度更加精确，采用该方法时可以认为SVG就是一个受控电流源。

为了使新型SVG系统性能得到改善，提高控制精度和响应速度，并减少设备体积等，在设计中尽可能地减少了模拟电路控制模块的设计，而是更多地采用了数字化地控制方式，主要采用的有数字PI控制器和数字锁相环两种数字控制模块。

2 新型SVG系统的仿真分析

为了避免系统设计时出现较大失误，可以通过Matlab软件搭载系统的整体仿真模型，在仿真后通过实物搭建，以此提高设计效率和系统可靠性[5]。

2.1 仿真模型的建立

主要仿真参数为：电压有效值380 V，电感0.2 mH，等效电阻0.5 Ω，总母线电压设为800 V，单侧母线电压设为400 V（实际为380 V左右），正负母线电容分别为5 600 μF×6。在进行系统的仿真调试时，为了使系统取得更好的控制效果，会不断对参数进行修正和优化[6]。所设计的新型SVG系统的整体仿真模型如图5所示。

2.2 仿真结果分析

搭建仿真模型后，通过Simulink中示波器模块得到负载侧和电网侧电压电流的仿真波形，可以大致了解系统的无功、谐波补偿能力和电网电能质量的提高情况。系统的无功（包括感性和容性）及谐波补偿的仿真波形如图6—7所示。

由图6—7波形可看出，加感性或容性负载后，通过SVG启动补偿后，电网电压和电流之间的相位差从较大恢复到几乎为纯阻性负载的情况，有较好的无功补偿效果。

由图8可知新型SVG系统对电网谐波的抑制能力也非常强，高次谐波的含量降到了0.1%以下。综上，通过仿真模型的波形分析可知该系统具有良好的无功补偿和谐波抑制效果。

3 新型SVG系统的实验结果分析

在实验样机研制成功后，对样机进行了测试和分析，测试了该系统在无功补偿、谐波补偿以及目标功率因数补偿情况下的不同工况。

3.1 无功补偿实验分析

在该实验中以补偿容性负载为例（补偿感性负载后的波形几乎与容性一致），补偿前、后的电网电压和电流波形分别如图9和图10所示，其中第4通道显示的为电网电压波形，第1通道显示的为补偿后的电网电流波形。

从上述电网电压、电流补偿后的波形可以看出，补偿后电网中的无功分量被有效抵消了，恢复到了未加容性负载时的状况，但由于电网本身的复杂性，就算无功分量得到完全补偿，也几乎不可能得到标准的正弦波，但从补偿前后的相位变化，已经可以得出结论，所设计的新型SVG系统对于无功补偿具有良好的效果，补偿后电压电流相位几乎一致，功率因数明显提高，即电网电能质量得到了改善。

3.2 谐波抑制实验分析

新型SVG系统的谐波补偿原理和无功补偿原理基本相同，就是先把电网电流检测出来，再通过分析电网电流中的谐波分量，并输出大小相同、方向相反的电流给电网，用这种办法来抵消掉电网电流中的谐波部分，以此来使电网的电能质量得到提升。

为了便于观察并得到真实的检测波形，再检测SVG系统输出电流时，将电流环进行了反向设置，因此实际输出电流波形与检测电流波形相反，以达到补偿的目的。图11和图12为模拟谐波补偿时的输出电流波形。

从示波器中可看到，所设计的新型SVG系统对电网谐波补偿的效果非常好，启动和关闭时的相应时间大约为20 ms，系统输出电流反向波形与电网谐波电流分量波形几乎一致，能够有效地进行动态谐波补偿。

4 结语

本文提出了一種新型静止无功发生器的整体设计方案，结合软件仿真对控制策略以及整体方案的可行性进行了验证，且完成了实验样机的研制，通过示波器和功率分析仪对样机进行了实验分析，验证了系统的有效性和可行性。该新型SVG可有效改善电能质量和提高电网效率，具有较强的实际应用价值。

[参考文献]

[1]李元正，陈劲操，马炳洲，等.三电平结构SVG输出电流谐波分析及滤波器设计[J].电测与仪表，2017（15）：120-128.

[2]刘俊杰.静止无功发生器（SVG）的设计与研究[D].天津：天津理工大学，2013.

[3]刘国营，李德存，翟保豫，等.静止无功发生器在电力系统中的应用[J].电气技术，2017（7）：82-85.

[4]张颖杰.基于DSP的静止无功发生器设计[D]大连：.大连理工大学，2013.

[5]HWANYONG L，NAKHOON B.Simultaneously accelerating Open VG and SVG tiny with multimedia hardware[J].Computer Standards & Interfaces，2014（2）：349-353.

[6]朱琦，王慧贞.滞环电流控制双Buck逆变器建模及分析[J].电力电子技术，2012（2）：63-65.