三电平与两电平混合静止无功发生器

张志文，吴兴阳，罗隆福，申建强

（湖南大学电气与信息工程学院，湖南 410082）

近年来，随着我国电力工业的不断发展，大范围的高电压输电网络逐渐形成，同时对电网无功功率的要求也日益严格。无功电源如同有功电源一样，是保证电力系统电能质量，降低电网损耗以及保证其安全运行所不可缺少的部分。电网无功功率不平衡将导致系统电压的巨大波动，严重时会导致用电设备的损坏，甚至出现系统电压崩溃和稳定性破坏事故。因此，电力系统无功功率补偿问题得到了越来越多的重视。早期有少量动态无功补偿装置如同步调相机、饱和电抗器等，但存在响应速度慢，维护困难以及损耗和噪音大等缺点。静止无功功率补偿器SVC（static var compensator），无论是晶闸管可控电抗器TCR（thyristor controlled reactor）或晶闸管投切电容器 TSC（thyristor switched capacitor），都是对储能原件进行控制。由于储能元件的时滞影响，SVC仍然存在着对电网的恒阻抗性、连续可控性差等弊端，它不可能实现瞬时的无功功率控制。然而静止无功发生器SVG（static var generator），以其优越的补偿性能、高可靠性、无需维护、控制灵活、调节速度快、范围广、需要电容容量小等特点成为现代补偿装置的发展方向，受到了广泛的注意，并成为国内外电力系统行业的重点研究方向之一。

静止无功发生器是指由自换相的电力半导体桥式变流器来进行发生和吸收无功功率的无功功率动态补偿装置。由于SVG是将自换相桥式电路经过电抗器并联在电网上，适当的调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，就可以吸收或发出满足要求的无功功率，实现集动态补偿感性无功功率和容性无功功率于一身。但是，由于大功率等级的半导体开关的开关频率较低，而且为了尽量降低系统的损耗尤其是电力半导体开关器件的开关损耗，大容量的SVG往往需要应用一些相关的技术来辅助实现。如：文献［2］中，为了提高系统的补偿容量采用了变压器移相的多重化技术，然而这需要特别设计一套复杂的变压器，不仅设计难度大、结构复杂，而且不利于实际应用；文献［4］中，为了提高SVG系统的应用电压水平采用了多个绝缘栅双极晶体管IGBT（insulated－gate bipolar transistor）的串联结构，而目前在处理电力电子开关器件的均压、均流上并不算很成功。

本文提出的新型SVG结构将很好地解决提高补偿容量及其效率的问题；并且在系统发生一定范围内的异常时，仍能发挥补偿作用；同时本文中的SVG系统在文中的控制方式与目的下，不仅仅可以补偿无功功率，也可以补偿谐波电流成分从而使系统的功率因数接近为1。

在本文所提出的SVG系统中外加了一个特殊绕组。由于电力系统在发生某些异常时（如单相接地故障），仍允许运行一段时间。外加的特殊绕组就是为了在这种特殊的异常状态下仍然能够发挥补偿作用而设置的。通过仿真和实验分析可以得到，本文提出的SVG具有较高的转换效率，且补偿后的系统功率因数约为1。本文提出的SVG的主电路图如图1所示。

图1 SVG系统的主电路结构图Fig.1 Main circuit configuration of the SVG

1 系统设计

1.1 本系统的硬件结构

本文所提出的SVG的主电路如图1所示。在此电路中，有一个三电平逆变器（逆变器1）和两个二电平逆变器（逆变器2和逆变器3），通过一个特殊的变压器和小电抗器与电力网相连接。其中，逆变器1和逆变器2分别接在变压器每一相的三个开环绕组两端，逆变器3接在三相变压器内的小Y型绕组的一端。逆变器1具有较低的开关频率，逆变器2、3的开关频率约为900Hz。逆变器1采用三相二极管钳位三电平逆变器，逆变器2、3采用三相桥式二电平逆变电路。二极管钳位三电平逆变器可以很好的解决开关器件的耐压不高的问题，而且对开关器件的动态性能要求低，开关器件受到的电压应力也比较的小。由于逆变器的输出电平数比较多、du／dt比较低，对外围电磁干扰也比较的小。同时开关器件的开关频率的要求也比较低、开关损耗也比较小。整流器1、2用来提供逆变器1的直流电压，整流器3、4用于提供逆变器2、3的直流电压。SVG直流侧电容的设计也是很重要的一部分，其主要包括额定电压和电容值的设计。直流侧电容的电压值决定了补偿电流的跟踪能力，取值过低不能很好的跟踪补偿电流，补偿效果不好；取值过高会导致逆变器和电容器的容量增大，成本增加。因而，直流侧电容的电压值和电容值的取值应综合考虑。在工程实际中，一般要求逆变器直流侧电压是交流侧电压的3倍以上。电容容量的工程计算公式为

其中，Ic为逆变器额定输出电流的方均根值，Udc为直流电压平均值，fmin为逆变器最低输出频率，σ为允许的直流电压频率的低峰值纹波因数Kφ为与负载位移因数角有关的系数。一般根据补偿容量电容容量的取值在5000μF～20000μF。

小Y型外加绕组用于解决系统运行异常引起的部分线路电压升高的问题。当系统的电压超过逆变器1、2的最大设计时，可以借助于此外加绕组来抬升本系统的输出电压，从而仍能很好地达到补偿效果。

例如：当由于某种原因导致系统的某一相发生接地故障，由于电力系统在发生单相接地故障时，仍允许系统运行一段时间，在此情况下，非接地相的电压会升高，高出逆变器1、2的设计范围，此时在外加绕组的助磁作用下可以是输出电压得到抬升，从而使整个系统仍能发挥补偿作用。当系统正常运行时，该外加绕组可以退出使用，也可以适当的加以使用使本系统达到更好的补偿效果。

本系统中各电力电子器件容量、电容容量、变压器的变比等可根据具体要求选取相应的型号、匝数比，本系统的具体的参数设置会在下文中介绍。

1.2 本系统的控制方法

本文所提出的SVG系统的控制方法如图2所示。此SVG系统是基于αβ0坐标系的空间矢量法来实现控制的。整个控制部分分为：负载运行参数检测单元、数据处理单元、基于空间矢量的脉冲宽度调制PWM（pulse width modulation）的脉冲产生单元。系统电压经过前置变压器转换后再经过六脉波整流为逆变器1的直流侧电容提供能量，而为逆变器2、3的直流侧电容提供能量的整流器的输入部分直接接在系统上，并确保各个逆变器直流侧的电容电压值保持稳定。根据数据处理后需要SVG输出的波形产生PWM波控制各逆变器的IGBT，使系统合成的总电压、电流满足要求。各逆变器的输出电压、电流经过一个特殊的变压器转换后，通过小电感与电网相连接。

在整个SVG系统中，最主要也是最重要的是要得到需要SVG补偿的分量。本文中的SVG系统是用于补偿“杂散”电流的，所以在本文中最主要的是得到SVG应该输出的电流波形。在本文中把SVG系统等效为一个电流控制的电压源CCVS（current controlled voltage source），所以在进行数据处理时，将需要SVG输出的杂散电流乘以j wl以得到小电感L上的电压降。然后将电感L的电压相量与系统的电压相量相加，便得到要求SVG输出的电压相量。具体如何得到需求SVG输出的电压波形的方法如图3所示。

图2 SVG系统的控制框图Fig.2 Control block diagram of the SVG

图3 检测需SVG系统输出电压框图Fig.3 Measurement block diagram of the voltage needed the SVG output

在得到SVG应该输出的电压、电流后，下面一个关键点就是空间矢量的PWM的产生。用SX1、SX2、SX3、SX4表示三电平逆变器1中的由上而下的IGBT，其中X为a、b、c。对应的3种开关状态分别用P、O、N表示，如图4所示。

图4 开关状态简写Fig.4 Switching state abbreviations

三电平逆变器1存在27种开关状态，二电平逆变器2、3存在8种开关状态。假设逆变器1直流侧的每个电容的电压值为单位长度1，则可以将逆变器1对应的27种开关状态的输出电压与逆变器2对应的8种开关状态的输出的电压值范围画出。首先选择逆变器1直流侧两电容的中点为源点O，将三电平逆变器1的27种开关状态输出电压分别画出，得到19个黑点（包括源点在内）。由于逆变器2是接在开端绕组上的，则此时逆变器2的输出电压就是从这19个黑点延伸出来的六边形，具体如图5所示。需要说明的是：从逆变器1的19个黑点延伸出来的小六边形为逆变器2的输出电压范围，逆变器3的输出电压范围和逆变器2类似，只是具体的实名制的值不同而已。具体如图5所示。

图5 各逆变器输出电压范围Fig.5 Output voltage range of each inverter

本文采用空间矢量PWM来控制IGBT的开关。为使整个SVG系统输出的电压相量接近于实际所希望输出的电压值，本文采用逆变器的输出电压和作用时间的有限组合来进行逼近。在采样周期内，对于一个所期望的输出电压相量 ，根据相量所在的区域确定合成此所需相量的三个基本相量，然后用这三个基本电压合成所期望的相量 ，根据伏秒平衡原理，满足以下方程组：

其中，t1、t2、t3分别为V1、V2、V3相量对应的作用时间；TS为采样周期。根据此方程组可以得到各基本相量的作用时间。而后根据基本相量与开关状态的对应关系，结合其他一些要求来确定所有的开关状态及输出形式。例如：若在某一时刻检测到的系统运行参数，经过数字处理后得到需要SVG输出的电压为图5中的V0，根据V0在图5中的区域确定相应的3个基本相量，此时的电压相量V0可以由基本相量的部分长度的电压相量V1、V2和V3合成，并由此计算出各电压相量的作用时间。根据各基本相量对应的开关状态和作用时间得出PWM波形。

2 仿真与实验研究

本文利用Matlab仿真软件，对如图1所示的SVG系统进行了仿真分析。仿真的相关参数设置如下：电力系统的电压为220V，50Hz；SVG的补偿容量为33KVA；前置变压器的变比为1.5∶1；二电平逆变器的直流侧电压为515V，电容量为8 mF；三电平逆变器的单个电容的直流侧电压为772V，电容量为18mF；特殊变压器的变比N1∶N2∶ N3 为 1.1727：1.06833：1；小 电 感 L 为0.01mH；负载为3个单相负载和三相整流桥。其中，3个单相负载分别为：a相200Ω、0.001H；b相200Ω、1×10－5F；c相80Ω。三相整流桥负载的电阻为100Ω，电感为10mH。仿真的相关波形如图6所示。其中，图6a为系统电压波形；图6b为本SVG系统投入运行前系统的电流波形；图6c为负载电流的有功分量波形；图6d为根据负载电流得到的为达到全补偿所需要本SVG系统输出的电流波形；图6e为投入本SVG系统后系统的电流波形；图6f为当系统发生单相（C相接地）故障时，本SVG系统投入运行补偿后的电流波形。根据上述研究，搭建实验平台，经过调试与实验得到的实验波形如图7所示。其中，图7a为SVG系统投入运行前的实验波形；图7b为系统提供补偿后的实验波形；图7c为运行过程中发生c相单相接地故障时的实验波形。

3 结论

无功功率是整个电力系统的重要部分，其在电力系统稳定运行中不可忽视。本文在对传统的SVG进行研究的基础上提出了一种新型的SVG系统。该SVG系统不仅可以很好地补偿系统中的无功功率，而且通过对控制方式的改变也可以达到滤除谐波的效果，扩展了SVG的补偿功能。可以得到下面的结论：

1）本文SVG系统可以很好的补偿系统的杂散电流，使功率因数接近于1。

2）本文中采用的电流控制电压源的控制方法是有效的，且算法简单明了、易于实现。

3）本系统对参数检查的依赖性较大，参数检测精度越高补偿效果越好。

4）在电力系统某些异常运行条件下，本SVG系统仍可以很好地发挥补偿作用。

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