基于二极管箝位式SVG的电能质量综合控制技术研究

王智勇，沐欣欣，覃日升，敖刚，吴远密，李冬东

（1.云南电网有限责任公司安宁供电局，昆明 650300；2.云南电网有限责任公司玉溪供电局，云南 玉溪 653100；3.云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217；4.云南电网有限责任公司西双版纳供电局，云南 景洪 666100）

0 前言

功率因数低、谐波含有率高和三相电流不平衡是中低压配电网电能质量的三个主要问题。无功功率在电力系统运行中不可或缺，无功不足会引起系统电压降低甚至崩溃，损坏用电设备，破坏系统稳定[1]。谐波电流将引发公用电网污染、中性线过热，影响变压器工作和绝缘保护可靠性等问题，产生大量负面影响[2-3]。三相不平衡系统的长期运行，会导致增大线路的电能消耗、増大配电变压器的电能消耗等，影响电力器件安全[4]。综合以上分析，将电力系统运行时电能质量各指标控制在一定范围内，保证对用户的供电质量是电业部门的主要职责之一。传统研究表明，无功缺失、谐波电流和三相不对称问题均可通过定量补偿的方案实现减小或消除[5]。

静止无功发生器（Static Var Generator,SVG）是现代无功补偿装置和电力电子器件在无功补偿上的应用，其补偿原理是通过装置检测电网所需要的无功电流，然后通过逆变装置将补偿的直流侧电压逆变为与电网电压具有相同性质的补偿电压[6-7]。SVG通常具有响应速度快[8]、补偿能力强[9-11]、可靠性高[12]等优点。

当前SVG尚未广泛应用到低压系统中，尤其配电网系统。若能将SVG技术应用到低压三相四线制的配电网中，实现无功补偿、谐波和三相不平衡的治理，可以优化电压分布、提高用户侧电能质量、降低电能损耗，从而降低供电公司在运营中的成本，増大企业利润，满足各级用户需求。

结构选择方面，由于三相全桥拓扑结构SVG不能满足配网条件下的灵活补偿要求，而四桥臂结构和三桥臂半桥结构SVG具有完全相同的端口条件，但四桥臂结构成本有所增加。仅管三桥臂半桥式拓扑结构SVG存在直流侧电容均压控制问题，但是其电容电压可以利用反馈来控制解决，制定相应控制策略即可。故综合考虑，选取三桥臂半桥拓扑结构作为改进研究重点。

综上所述，低压配电网系统应用SVG补偿装置，以提升电能质量这一方案将日益受到关注重视[13]。本文将基于这一背景，结合可靠性和经济性以及补偿不平衡电流的能力，研究设计二极管箝位式三相半桥结构的SVG，并在云南电网实际低压工况下开展仿真运用，并进行策略分析。

1 三相半桥SVG及其改进

三相半桥拓扑是三相四线制系统中常用的电压型SVG结构，图1为三相半桥SVG拓扑结构，各节点、支路和器件的电气量标识如图1。其直流侧电容电压控制应满足直流侧电容电压恒定和两侧电容电压相对平衡这两点要求。

图1 三相半桥SVG拓扑结构

假设系统电压不含谐波分量，进一步得：

故三相半桥SVG逆变器的N相输出能力为：

不平衡电流补偿能力是衡量三相四线制SVG功能的另一个重要指标，三相半桥SVG在克服直流侧电容均压控制问题基础上，可通过拓扑结构优化实现。对此，本文提出了二极管箝位式三相半桥SVG结构，其拓扑电路如图2。

图2 二极管箝位式三相半桥SVG拓扑结构

二极管箝位式三相半桥SVG以电网电压相位角θ为基准，对检测电流ia、ib、ic分别做正序Park变换和负序Park变换，变换输出正序有功、正序无功和负序有功、负序无功四个电流分量，以作为反馈值开展闭环控制。调制波信号各序分量控制框图如图3。

正序分量中直流侧电压目标值Udcref与直流侧电压反馈值Udc做PI调节，输出正序电流有功指令值。进一步对SVG输出电流做Park变换，将输出的dq正序检测值作为反馈值，进行闭环控制。该电流控制闭环的输出为电压调制信号的有功分量和无功分量，经过解耦后输出再通过dq/abc逆变换输出正序的三相调制波

根据图1可列出等效电路状态方程为：

零序分量则以0作为两极电压Udc1和Udc2的差值的控制目标值做闭环PI调节，再以调节后的输出值为指令与零序电流做闭环PI调节，生成零序调制波信号mz。

基于上述正负零序控制策略，加入并联重复控制和串联重复控制，最终形成总控制框图3。

图3 加入重复控制的总控制框图

2 SVG治理效果仿真分析

为了验证前文提出的二极管箝位式SVG及其控制策略的理论的可行性，本文在PSCAD环境下搭建了SVG主电路仿真模型，如图4。结合某10 kV现场工况，负载侧三相有功负载分别为85 A，100 A，120 A，即存在三相负载不平衡情况。

图4 二极管箝位式SVG主电路仿真模型

基于图3控制框图策略，在PSCAD环境下的电能治理仿真结果如图5至7，治理后三相负载电流均为100 A。

图5 补偿前电网电流

图6 补偿后电网电流

对比图5和图6，二极管箝位式SVG实现了系统的三相不平衡治理；由图7知，二极管箝位式SVG的调制信号没有饱和并且具有很好的正弦度，具备适应该10 kV负载不平衡工况电能质量治理的能力，能运用于该场合。

图7 SVG输出电流

此外，通过整个仿真时长统计，直流电压稳定在780 V左右，正负极直流电压均稳定在390 V附近。故图3中的控制策略适用于二极管箝位式SVG，具有良好的稳定性和控制精度。仿真结果显示，本文提出的二极管箝位式SVG治理效果及控制策略理论层面有效，可在工程中进一步实践运用。

3 SVG样机实现及运用

为了验证前文提出的控制策略在实际工程中的可行性，本文搭建了低压SVG样机实用平台。样机的额定容量为40 kVar，额定电压为400 V，额定电流为60 A，其安装10 kV某低压台区。基于仿真分析，本节将分析样机的电能治理补偿效果，以验证工程实用性。

3.1 不平衡补偿效果

通过样机开机前调整三相可调电阻，从而使三相电流不平衡，通过功率分析仪记录此时三相电流；设置样机运行于补偿不平衡模式，待输出稳定，测量三相电流。SVG样机投入前后三相电流及不平衡度对比如表1和表2所示，样机投入前后电网电流趋于三相平衡，不平衡度治理效果显著。

表1 SVG样机投入前三相电流及不平衡度

表2 SVG样机投入后三相电流及不平衡度

3.2 无功补偿效果

在试验电路中调节交流电源输出线电压值为400 V±3%，调整负载发出大于样机50%额定容量、小于额定容量的无功功率。待负载输出稳定无功，通过功率分析仪测量电网侧三相基波无功功率。SVG样机投入前后无功功率、功率因数对比及无功补偿度如表3和表4所示，样机投入前后电网无功明显增加，功率因素也达到正常值，有利于电压的稳定，无功补偿效果明显。

表3 SVG样机投入前无功功率及功率因数

表4 SVG样机投入后无功功率、功率因数及无功补偿率

3.3 谐波补偿效果

通过交流电源投入谐波电流运行，记录此时的三相谐波电流。投入样机并运行于谐波补偿功能，稳定后记录三相谐波电流。SVG样机投入前后各次谐波电流值对比及谐波补偿度如表5、表6和表7所示，样机投入前后各次谐波含量明显降低，谐波补偿率均达到95%以上，谐波治理效果明显。

表5 SVG样机投入前各次谐波电流

表6 SVG样机投入后各次谐波电流

表7 SVG样机投入后各次谐波补偿率

基于以上试验数据的分析，SVG样机对系统电能质量进行补偿后，三相不平衡度低于5%，无功补偿率大于99%，谐波补偿率大于95%。这些数据验证了本文设计的二极管箝位式SVG拓扑与控制策略的可行性，具有工程实用性。

4 结束语

配电网系统的电能质量关乎用电效益，SVG的补偿治理是当前解决这一问题的主要措施。本文基于可靠性和经济性，结合理论模型分析，提出设计了旨在解决10 kV及以下配电网系统补偿治理的二极管箝位式SVG拓扑，制定了相应的补偿控制策略，在实际工况数据下开展了仿真分析，结果显示了策略的可行性。此外，基于样机试验分析，设计的样机实现了三相不平衡补偿、无功功率补偿和谐波电流治理，展现出了工程可行，具有良好的动态性能，具有精确补偿效果。综合而言，本文从理论模型、仿真分析、工程运用角度，验证了提出的二极管箝位式SVG的可行性和实用性。