链式多电平静止无功发生器的研究

孙巧利，章国宝

（东南大学 自动化学院，江苏 南京 210096）

电力是现代社会不可或缺的主要能源形式之一，随着现代电力电子技术的飞速发展，特别是近年来电力电子装置在电力系统、各个工业部门和家电领域中的广泛应用，对电力系统稳定、安全、经济运行造成潜在威胁，使电能质量受到严重影响，甚至危及电力系统的安全运行。同时，各种精密电子设备对电能质量的要求也越来越高，因此改善电能质量成为摆在电力部门和用户面前亟待解决的问题。无功功率作为电能质量的重要衡量指标，对它的补偿关系到提高供电用电设备的安全可靠运行、降低电路损耗、减少设备容量、提高功率因数等方面。静止无功发生器（Static Var Generation，SVG），是FACTS家族中重要的并联型补偿设备。自从1991年在日本投入运行以来，相继在美国、德国等国得到了成功的应用。我国首台由清华大学和河南省电力局共同研制的±20 M var SVG已于1999年4月投入运行。SVG的应用大大提高了电力系统的可靠性、安全性和稳定性，给使用者带来了巨大的经济和社会效益。伴随着SVG的应用，链式H桥结构也得到了越来越多的运用[1-2]。者直接并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流就可使该电路吸收或发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿目的。

严格来说，SVG分为采用电压型桥式电路和电流型桥式电路的两种类型。其电压型桥式电路基本结构如图1所示，图中自换相桥式电路中的功率开关可采用GTO或IGBT，图1中的SVG就是采用IGBT的逆变桥。

图1 电压型桥式电路Fig.1 Bridge circuit of voltage type

1 静止无功发生器的基本原理[3]

SVG的基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器或

因为SVG正常工作时是通过电力半导体开关的通断将直流侧电压转换成交流侧与电网同频率的输出电压，就像一个电压型逆变器，只不过其交流侧输出接的是电网不是无源负载。

SVG分为采用电压型桥式电路和电流型桥式电路的两种类型。SVG的工作原理可以用如图2所示的等效电路图来说明。设电网电压和SVG输出的交流电压分别用相量和表示，则连接电抗X和R上的电压为和的相量差，而连接电抗的电流可由其电压来控制。这个电流就是SVG从电网吸收的电流。因此，改变SVG交流侧输出电压的幅值及它相对于的相位，就可改变连接电抗上的电压，从而控制SVG从电网吸收电流的相位和幅值，也控制了SVG吸收无功功率的性质和大小。

图2 SVG等效电路Fig 2.The equivalent circuit of SVG

在图2的等效电路中（R=0），将连接电抗器视为纯电感，不考虑其损耗以及变流器的损耗，因此不必从电网吸收有功能量。 在这种情况下，只需使和同相，仅改变的幅值大小就可控制SVG从电网吸收的电流I˙是超前还是滞后90°，并能控制该电流的大小。 如图 3 所示，当大于时，电流超前电压 90°，SVG 吸收容性无功功率； 当小于时，电流滞后电压90°，SVG吸收感性无功功率。

考虑到连接电抗器的损耗和变流器本身的损耗 （如管压降、线路电阻等），并将总的损耗集中作为连接电抗器的电阻考虑，于是SVG的实际等效电路如图4（R≠0）所示。在这种情况下，变流器的电压与电流仍相差90°，因为变流器不需要有功能量。 而电网电压与电流I˙相差不再是 90°，而是比90°小了δ角，因此电网提供了有功功率来补充电路中的损耗，也就是说相对于电网电压来讲，电流中有一定量的有功分量。这个δ角就是变流器电压与电网电压的相位差。改变这个相位差，并改变U˙SVG的幅值，那么产生的电流I˙的相位和大小也随之改变，SVG从电网吸收的无功功率也因此得到调节。

图3 无功示意图（纯电感时）Fig.3 Reactive sketch（at pure inductance time）

图4 无功示意图（有损耗时）Fig.4 Reactive sketch（having loss）

图5 H-桥级联结构Fig.5 H-bridge cascade structure

2 链式静止无功发生器

链式静止无功发生器具有以下显著优点：1）直流侧采用相互独立的直流电源，无须均压；2）具有模块化的结构特点，设计、制造、安装方便，所基于的低压、小容量逆变器技术成熟，易于控制，系统的可靠性高；3）对相同的电平数来说，级联结构所需的元器件数目最少；4）由于没有电容和箝位二极管的限制，级联结构的电平数可较大，因而可上更高电压，实现更低谐波[4-6]。图5为H桥链式结构。

SVG的控制策略很多，根据是否直接控制SVG的输出电流来分，可以分为电流间接控制和电流直接控制两种方法。所谓电流直接控制，就是采用跟踪型PWM控制技术对SVG的交流侧产生的无功电流控制。 常用的方法有三角形波比较法、滞环比较法和空间电压矢量法。所谓电流间接控制，是通过SVG变流器所产生交流电压基波分量的相位和幅值，来间接控制SVG的交流侧所需产生的无功电流。SVG是一种动态的、灵活的无功补偿手段，而这种优良的性能正是由实时的控制实现的。静止无功发生器产生的无功电流应实时跟踪指令电流的变化，这就要求补偿电流发生器具有很好的实时性。电流间接控制方法相对简单，技术相对成熟；但直接控制与间接控制相比，具有控制精度高、快速的瞬态响应、稳定性高、可抑制负序引起的不良影响等优点。本文的链式静止无功发生器的控制策略将采用电流直接控制方式，用空间电压矢量的方法。

3 仿真模型的建立与结果分析

采用SVPWM算法，建立链式7H桥模型。用saber仿真软件进行仿真，并对仿真结果进行分析。

图6是根据SVPWM算法搭建的链式7H桥控制电路的模型。

图6SVPWM模型Fig.6 SVPWM model

图7为链式7H桥网侧电压仿真波形。

图7 网侧电压波形Fig.7 Voltage waveform of network side

本文搭建的模型在检测无功电流时采用矢量控制，逆变时采用SVPWM算法，从仿真结果可以看出，采用SVPWM算法的链式7H桥静止无功发生器有较好的控制效果，从仿真波形图可以看出网侧电压谐波含量较少，能取得较为满意的结果。

4 结束语

多电平大容量的静止无功发生器采用链式H桥结构，可以独立分相控制，有利于解决系统的相间平衡问题，在系统受到扰动时，更好地提供电压支撑；所有链节的结构完全相同，可以实现模块化设计，便于扩展装置容量及维护；本文采用链式多电平结构，它由几个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦输出电压，由于这种变换器输出电压电平数的增加，使得输出波形有更好的谐波频谱，并且每个开关器件所承受的电压应力较小，不需要均压电路，可以避免大的dy/dt所产生的各种问题。从仿真结果看谐波含量较少，波形较好，具有较好的控制效果。

[1] 李媛.新型静止无功发生器SVG控制策略仿真研究 [D].北京：北京交通大学，2008.

[2] 佟艳.基于DSP的静止无功发生器的研究[D].天津：天津大学，2007.

[3] 粟时平，刘桂英.静止无功功率补偿技术[M].北京：中国电力出版社，2006.

[4] Mc granag han MF.Trends in Power Quality Monitoring[J].IEEE Power Engineering Review，2001，21（10）:3-9.

[5] Dixon J，del Valle Y，Orchard M，et al.A full compensating system for general loads，based on a combination of thyristor binary compensator，and a PWM-IGBT active power filter[J].Industrial Electronics，IEEE Transactions 2003，50 （5）:982-989.

[6] 鲍晓娟.基于TMS320F2812的静止无功发生器控制系统研究[D].北京:北京交通大学，2006.