含四桥臂H 桥变流器的不对称配电网综合补偿方法

游建章 郭谋发

（福州大学电气工程与自动化学院 福州 350108）

0 引言

随着电力电子技术的迅速发展，电力电子设备以控制灵活的特点广泛应用于配电网，主要可分为两大类：功率变换型和电能质量调节型。功率变换型包括发电端的风力发电变流器和光伏发电变流器、消纳可再生能源的电力储能变流器、用于功率双向控制的电力电子变压器（Power Electronic Transformer,PET）和柔性多状态开关（Soft Open Point,SOP）。电能质量调节型包含配电网静止同步补偿器（Distribution Static Synchronous Compensator,DSTATCOM）/静止无功发生器（Static Var Generator,SVG）、有源电力滤波器（Active Power Filter,APF）、动态电压恢复器（Dynamic Voltage Regulator,DVR）、电力弹簧（Electric Spring,ES）和统一电能质量调节器（Unified Power Quality Conditioner,UPQC）[1-4]。其中SVG 和APF 的工作原理类似，通过柔性控制变流器注入电流，使其与给定或检测的无功功率或谐波电流大小相等、方向相反，实现无功功率或谐波电流的补偿[5-6]。

配电网深入用电负荷末端，结构复杂，普遍存在单相接地故障，接地故障电弧无法自行熄灭将引发火灾和电网设备击穿损坏[7]。传统的消弧线圈无法补偿谐波和有功分量，接地故障残流较大，仍存在接地故障电弧重燃和人身触电的隐患。因此国内外学者借鉴有源无功补偿和谐波抑制原理，将柔性电力电子技术应用于接地故障电流补偿。瑞典SN公司研制出剩余电流补偿装置（Residual Current Compensator,RCC），其结构为有源逆变器经升压变压器并联于消弧线圈两端，有源逆变器补偿接地故障电流的有功分量和谐波分量，实现接地故障电流的全补偿[8]。文献[9]提出以单相级联H 桥变流器作为接地故障电流补偿装置，省去了升压变压器和消弧线圈。

上述已有的柔性电力电子设备，包括功率变换型、电能质量调节型和接地故障电流补偿型，均存在设备功能单一，仅能满足特定的电网运行需求，设备利用率较低，造价较高等问题。为节约成本，国内外学者开始研究将电力电子设备的功能进行融合，以提高设备的利用效率，增强经济性。文献[10-11]提出了无功补偿和有源滤波综合补偿方法。文献[12-13]提出了多功能光伏并网逆变器，在功率交换的同时对并网点的电能质量进行治理。文献[14-16]提出了带储能单元的无功补偿装置，实现四象限功率调节。上述多功能电力电子设备主要融合功率变换和电能质量治理中的两种功能，均对电网正常运行状态下的电气量进行调节，尚未考虑接地故障电流补偿。

文献[17]提出以三相级联H 桥变流器作为接地故障电流补偿装置，三相直接挂接于配电线路，中性点直接接地，可拓展用于无功补偿和谐波抑制。但每相级联H 桥变流器耐压为线电压，需投入较多电力电子元件。文献[18]提出SVG 中性点经消弧线圈接地，具有接地故障电流补偿和无功补偿功能的装置，每相级联H 桥变流器耐压为相电压，但受消弧线圈元件特性影响，接地故障电流补偿的动态性能欠佳。因此，针对上述问题，本文提出SVG 中性点经级联H 桥（Cascaded H-Birdge,CHB）接地的新型四桥臂拓扑结构。同时，为降低综合成本，以新型四桥臂拓扑结构作为综合补偿装置结构，将有功和无功功率补偿、三相不平衡负荷补偿和三相对地参数不对称电流补偿，以及接地故障电流补偿等功能集成至同一套补偿装置，并研究与之适应的控制方法。提出基于分序解耦控制的多目标协同控制策略，成功实现了功率交换、电能质量调节和接地故障电流补偿等方面的融合，理论上也可集成至PET、SOP 和可再生能源并网逆变器中，有效提升了电力电子设备的适用性。考虑配电线路三相对地参数不对称电流和接地故障电流补偿的相互影响，提出三相对地参数不对称电流补偿与接地故障电流补偿的切换方法。

1 功率补偿和三相不平衡负荷补偿原理

1.1 功率补偿原理

配电网的简化结构如图1 所示。以SVG 中性点经CHB 接地作为综合补偿装置，三相星形联结，中性点经CHB 接地，三相挂接于母线处，图中为各相电源电压，为母线处各相电压，为中性点电压（或零序电压），设置A相发生接地故障，Rf为接地过渡电阻，为故障点电流，rAΣ、rBΣ、rCΣ分别为A、B、C 相所有馈线对地泄漏电阻之和，CAΣ、CBΣ、CCΣ分别为A、B、C相所有馈线对地电容之和，为综合补偿装置的接地支路注入电流，分别为A、B、C 相所有馈线对地电流之和，分别为A、B、C 相电源电流，分别为A、B、C 相负荷电流。

利用瞬时功率理论可求得瞬时有功功率和瞬时无功功率的关系为

式中，Tabc-dq为派克变换矩阵；vGA、vGB和vGC分别为综合补偿装置并网点A、B 和C 相电压；VSG为相电源电压幅值；ω为系统角频率。

整理式（2）～式（4）可得

将式（5）代入式（1），经整理后得d 轴和q 轴的参考电流值为

式中，Pref和Qref分别为调度中心下发的有功和无功功率补偿的目标值。

式（6）所示参考电流值经dq-abc 变换后可得到三相补偿电流参考值，控制变流器输出该补偿电流可实现有功功率和无功功率的补偿。

1.2 三相不平衡负荷补偿原理

三相负荷不平衡将导致负荷电流中出现负序分量。三相不平衡负荷电流的抑制原理为：检测并提取负荷电流中的负序电流分量；再控制变流器输出与负荷电流中负序分量大小相等，方向相反的补偿电流，使二者完全抵消，保证了源端负荷电流的平衡。因此，其关键技术在于负荷电流负序分量的提取。

正常运行时，系统零序电流为零，根据对称分量法，三相不平衡负荷电流可表示为

式中，iLi为各相负荷电流；iLi1为各相负荷电流的正序分量；iLi2为各相负荷电流的负序分量；i=A,B,C。

三相负荷电流经abc-dq 变换至dq 坐标轴，则

负荷电流中的基波正序有功和无功分量分别在d 轴和q 轴上为直流量，利用低通滤波器可分别从d 轴和q 轴分量中提取基波正序有功和无功分量，再经dq-abc 反变换可得到abc 坐标系下的三相基波正序电流，即

将实时检测的三相负荷电流减去三相基波正序电流即可得到三相负序电流，以该值作为给定控制目标值，控制综合补偿装置输出补偿电流，可补偿三相不平衡负荷，即

2 接地故障电流补偿和三相对地参数不对称电流补偿原理

2.1 接地故障电流补偿原理

对图 1 所示的接地点列写基尔霍夫电流定律（KCL），得

若控制注入电流为系统总对地电流，即

系统总对地电流无法直接获取，但可经过电压和对地参数求得，将式（12）转换为电压形式，得

式中，YA、YB、YC为各相对地导纳，，

若控制综合补偿装置接地支路注入式（15）所示补偿电流，则可抑制接地故障点电流为零，可称为电流补偿法；若控制零序电压为，则故障点电流也可被抑制为零，可称为电压补偿法。

2.2 三相对地参数不对称电流补偿原理

假设系统三相线路对地参数不对称，正常运行时，对图1 所示的接地点列写KCL，得

各相对地电流转换成电压形式为

3 多目标综合补偿方法

3.1 分序解耦控制的多目标综合补偿方法

由第1 节和第2 节分析可知，有功功率和无功功率补偿的给定值和反馈值分别为调度中心下发功率需求的转换电流值和综合补偿装置注入电流的正序分量；三相不平衡负荷电流补偿的给定值和反馈值分别为负荷电流和综合补偿装置注入电流的负序分量；接地故障电流补偿的给定值和反馈值分别为系统总对地电流和综合补偿装置注入电流的零序分量；三相对地参数不对称电流补偿的给定值和反馈值分别为系统不对称电流和综合补偿装置注入电流的零序分量。

因此，通过分序解耦控制可在一套综合补偿装置上实现功率补偿、三相不平衡负荷补偿和接地故障电流补偿以及三相对地参数不对称电流补偿等功能。但接地故障电流补偿和三相对地参数不对称电流补偿的补偿对象均为零序分量，二者存在切换过程。

3.2 三相对地参数不对称电流补偿与接地故障电流补偿的切换方法

三相对地参数不对称电流补偿和接地故障电流补偿二者原理类似，实现方法有电流法和电压法，电压法均以中性点电压（零序电压）为调控对象，具有无需测量对地参数的优势，但给定控制目标值差别较大，不对称电流补偿给定控制目标值为零，接地故障电流补偿给定控制目标值为故障相电源电压的负值，接近于相电源电压。发生低阻接地故障时二者切换若存在延时，将使综合补偿装置产生过电流且增大了接地故障点电流。电流法调控对象为不对称电流和接地故障电流，将接地故障后综合补偿装置输出的零序补偿电流看作不对称电流和接地故障电流的叠加，则即使二者切换过程存在延时，造成的影响仅为延时期间补偿效果欠佳，不会产生过电流和增大接地故障点电流，但需测量对地参数，受对地参数测量精度影响。

故本文综合电压法和电流法的优势，三相对地参数不对称电流补偿采用电流抑制法，实现与接地故障电流补偿的平稳切换；接地故障电流补偿采用电压补偿法，省去对地参数测量环节，且在接地故障电流补偿的同时抑制了三相对地参数不对称电压。此时，三相对地参数不对称电流补偿涉及不对称电流的测量或计算，本文提出利用电压抑制法测量不对称电流：系统正常运行且三相对地参数不对称时，控制综合补偿装置使中性点电压为零，即采用电压抑制法，并测量和保存此时装置注入电流值，该值即为系统不对称电流。

3.3 综合补偿装置结构

本文提出SVG 中性点经CHB 接地的新型四桥臂综合补偿装置结构，三相桥臂用于功率补偿和三相不平衡负荷补偿，接地桥臂用于接地故障电流补偿和三相对地参数不对称电流补偿。每个桥臂的承受电压为相电压，较文献[17]节省了投入元件，同等情况下，本文所提结构需H 桥总数量约为文献[17]所提结构的77%。以电力电子开关耐压1 700V，直流侧电源电压800V 为例，承受相电压（峰值8 165V）时每个桥臂需要H 桥的数量为12 个，本文所提结构需要总的H 桥数量为48 个；而承受线电压（峰值14 142V）时每个桥臂需要H 桥的个数为21 个，文献[17]所提结构需要总的H 桥模块个数为63 个，因此，本文所提结构可节省H 桥个数为15 个，可有效减小装置体积。且响应速度较文献[18]更快，文献[18]接地桥臂采用消弧线圈，但受其元件特性影响，存在衰减分量，持续时间可达8 个工频周波，因此本文所提综合补偿装置的响应速度相较于文献[18]可提升0.16s。另外，在一套装置上可同时实现有功功率、无功功率补偿、三相不平衡负荷补偿以及接地故障电流补偿和三相对地参数不对称电流补偿等功能，综合成本较低。为实现有功功率的补偿，在级联H 桥变流器的直流侧电容两端并接蓄电池储能单元，为装置提供有功功率支撑，并可拓展分布式储能功能。

3.4 综合补偿的控制方法

控制系统及协同控制策略是综合补偿装置能否实现注入多功能综合补偿电流的关键。按照模块化的思想，将控制系统划分为给定模块、控制模块和调制模块，总体结构如图2 所示。

图2 综合补偿装置控制系统结构 Fig.2 Structure of control system of comprehensive compensation device

给定模块包括电气量采集、状态检测、故障选相和注入电流控制目标值计算等子模块，采集的电气量包含配电网母线三相电压、零序电压（中性点电压）、三相电流、补偿装置注入电流等。状态检测包含电网调度下发的有功功率和无功功率补偿指令的获取、三相负荷不平衡检测、三相对地参数不对称检测和单相接地故障检测。注入电流控制目标值计算子模块对三相功率补偿、三相不平衡负荷补偿、接地故障电流补偿及三相对地参数不对称电流补偿等功能的给定控制目标值进行运算，分别对应文中的式（6）、式（10）、式（15）和式（18），经dq0-abc 反变换得到综合补偿装置三相桥臂需要输出的三相补偿电流给定值。三相对地参数不对称电流补偿及接地故障电流补偿目标值作为综合补偿装置接地桥臂的给定值。实时检测的补偿装置注入电流和母线零序电压作为控制器的反馈量。控制模块主要包含产生三相对地参数不对称和接地故障补偿电流的电压控制器、控制三相桥臂输出补偿电流的电流控制器以及控制单相桥臂输出补偿电流的电流控制器。调制模块采用载波相移SPWM 调制法生成各开关管的状态信号，驱动各H 桥单元模块的开关元件，使级联H 桥变流器两端输出所需的电压波形[19-22]。

4 仿真分析

4.1 仿真建模

通过PSCAD/EMTDC 软件进行仿真分析，不对称配电网模型如图3 所示。配电线路参数选择贝杰龙模型，具体参数见表1。

表1 线路参数 Tab.1 Parameters of lines

图3 含四桥臂H 桥变流器的不对称配电网模型 Fig.3 Asymmetrical distribution network model with four-arm H-bridge converter

4.2 功率补偿和三相不平衡负荷电流补偿

在图3 所示配电网的馈线7 增设三相不平衡负荷，功率补偿目标是有功功率 0.5MW，无功功率0.3Mvar。在0.6s 时刻投入综合补偿装置进行功率补偿和三相不平衡负荷补偿，补偿结果如图4 所示。由图4a 可看出，补偿装置投入后，电源端有功功率和无功功率分别减少0.5MW 和0.3Mvar，减少的功率由补偿装置提供，验证了本文所述功率补偿方法的有效性。装置投入前，源端功率受三相不平衡负荷影响，存在二倍频波动，其中有功功率波动的峰值为0.01MW，装置投入后，源端功率二倍频波动被消除，其中有功功率波动的峰值降为0.000 05MW，补偿了波动值的99.5%，补偿效果明显，对系统三相负荷的平衡有较大提升。由图4b 可知，补偿装置投入前源端三相电流不平衡，补偿装置投入后，源端三相电流趋于平衡，验证了本文所述三相不平衡负荷补偿方法的有效性。

图4 功率和三相不平衡负荷补偿效果 Fig.4 The effect of power and unbalanced load compensation

4.3 接地故障电流补偿和三相对地参数不对称电流补偿

在图3 所示配电网的馈线8 增设一条三相对地参数不对称线路，配电线路不对称度一般不超过3.5%[23]，通过馈线8 使系统中性点电压不对称度为3.0%。在母线处设置接地故障点，接地过渡电阻为100Ω。接地故障电流和三相对地参数不对称电流补偿效果如图5 所示，接地故障电流幅值由57.8A 降为 1.5A；中性点不对称电压幅值由 0.24kV 降为0.02kV，验证了所提方法的有效性。

图5 接地故障电流和三相对地参数不对称电流补偿效果 Fig.5 The compensation effect of ground fault current and parameter asymmetry current

4.4 综合补偿

4.4.1 三相对地参数不对称电流和接地故障电流补偿的切换方法

在1.3s 时刻投入三相对地参数不对称补偿，在1.5s 时刻母线处经10Ω 电阻接地故障。图6a 和图6b 分别为三相对地参数不对称补偿采用电压抑制法和电流抑制法，并延时切换至接地故障电流补偿 时的接地故障电流波形。由图6 可知，三相对地参数不对称补偿采用电压抑制法在低阻接地故障时存在增大接地故障电流的风险，故障电流幅值由77.3A 增大至133.4A；但若采用电流抑制法则可避免此问题，故障电流幅值由77.3A 减小至77.1A。

图6 三相对地参数不对称和接地故障电流补偿切换方法 Fig.6 Switching method for parameter asymmetry and ground fault current compensation

4.4.2 综合补偿方法

为验证综合补偿方法的有效性，在图3 所示配电网的母线处同时添加三相不平衡负荷和三相对地参数不对称线路，在0.6s 时刻投入综合补偿装置的三相桥臂进行有功功率、无功功率和三相不平衡负荷的补偿；在1.0s 时刻再投入综合补偿装置的接地桥臂进行三相对地参数不对称电压（中性点偏移电压）抑制；在1.3s 时刻设置母线处经10 Ω电阻接地故障；在1.32s 时刻三相对地参数不对称电流补偿切换至接地故障电流补偿。综合补偿结果如图7 所示。由图7 可知，在1.3s 时刻电源和装置的输出功率受接地故障影响，产生了一定的波动，但在投入接地故障电流补偿后迅速趋于稳定，之后装置可靠输出给定综合补偿电流。因此，验证了所提综合补 偿方法可在一套综合补偿装置上同时实现功率补偿、三相不平衡负荷补偿和三相对地参数不对称电流补偿以及接地故障电流补偿等功能，且三相对地参数不对称电流补偿可平稳切换至接地故障电流补偿。

图7 综合补偿效果 Fig.7 The effect of comprehensive compensation

4.4.3 综合补偿装置

不同补偿装置的优势比较见表2。由表2 可知，本文所提综合补偿装置相较于已有补偿装置兼具功能更为丰富、桥臂两端承受电压为相电压以及故障抑制响应速度快等优势，具有更好的适应性。

表2 不同补偿装置的优势比较 Tab.2 Comparison of advantages of different compensation devices

5 结论

针对配电网已有电力电子装置功能单一和接地故障电流补偿装置仅在故障期间发挥作用，使用率低，以及拓扑结构存在动态响应速度欠佳和承受电压高等问题，提出集多功能于一体的新型综合补偿装置拓扑结构及其综合补偿方法，并经仿真验证了所提方法的有效性，得出结论如下：

1）以四桥臂级联H 桥变流器作为综合补偿装置，并通过分序解耦控制在一套综合补偿装置上同时实现有功功率和无功功率补偿、三相不平衡负荷补偿和三相对地参数不对称电流补偿以及接地故障电流补偿等功能，将功率补偿、三相不平衡负荷电流和三相对地参数不对称电流以及接地故障电流分别经过旋转坐标变换至dq0 轴，并分别提取正序、负序分量和零序分量，实现各功能的解耦控制。

2）考虑各功能间的相互影响，提出了三相对地参数不对称电流补偿和接地故障电流补偿的切换方法，三相对地参数不对称电流补偿采用电流抑制法，接地故障电流补偿采用电压补偿法，避免了二者切换期间因延时而产生过电流的风险。

3）提出了无需测量对地参数的三相对地参数不对称电流的求取方法，在中性点不对称电压超过设定值时，控制综合补偿装置接地桥臂使中性点不对称电压为零，同时测量接地桥臂电流，该电流即为三相对地参数不对称电流。

下一步将研发基于四桥臂级联H 桥变流器的综合补偿装置样机，对本文提出的综合补偿方法进行实验验证。