SVG技术在配电网中的应用

王光政，平 增，卢 伟，侯建峰，张 娟

(1.华北水利水电学院，河南 郑州450045;2.洛阳电力公司，河南 洛阳471000;

3.武汉光谷环保科技股份有限公司麻城大别山分公司，湖北武汉438300)

在我国电网的总损耗中，220 kV及其以上电网的损耗所占比例约为31%，110 kV电网约占26%，10 kV及其以下配电网约占43%［1－3］.配电网中一个重要的问题就是无功补偿问题.

配电网中存在着大量的感性负荷，这些感性负荷在配电网中将吸收大量的无功功率，导致配电网的功率因数下降，使电压损失和电能损耗增加.

当前，伴随着电力电子开关器件的不断发展［4］，为SVG应用提供了条件.利用SVG可以实时地跟踪补偿无功，并可以实现感性到容性的无级补偿，以此来减少无功功率在线路上的传输，降低输配电设备上的电压降和有功功率损耗，提高配电网的输配电能力.所以研究SVG在配电网中的应用是十分必要的，具有很大的经济效益和社会意义.

1 SVG的工作原理

SVG的基本原理就是将自换相桥电路通过电抗器或者直接并联在电网上，通过控制开关器件的通断，来调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，使该电路吸收或发出所需无功电流，实现动态无功补偿的目的［5］.SVG的主电路可以分为电压型桥式电路和电流型桥式电路.由于电压型桥式电路结构比较简单，且容易控制，运行效率也比较高，所以现实中采用电压型结构的比较多.电压型SVG的原理如图1所示.

图1 电压型SVG原理图

理想情况下，将连接电抗视为纯电感，不考虑其损耗及其变流器的损耗.使电网电压和逆变器输出电压同相，仅改变逆变器输出电压幅值大小，就可以控制SVG从电网发出的电流是超前系统电压90°还是滞后系统电压90°，并且可以控制该电流的大小.理想情况下的电路如图2所示.

图2 SVG等效电路

2 SVG的直接电流控制

基于瞬时无功功率理论的dq坐标系下的直接电流控制结构，是利用dq变换把SVG发出的电流瞬时值变换为Id和Iq，然后与有功和无功电流参考值进行比较后，再进行dq变换，得到三相交流电流值，作为调制信号与三角波进行比较来进行PWM控制.如图2所示，设配电网侧电压分别为usa，usb，usc;R，L分别表示电抗器的等效电阻和电感，SVG逆变器输出电压分别用uia，uib，uic来表示，i的方向为从配电网侧流向SVG逆变侧.假设三相电网电压是平衡的，没有谐波的成分存在，则可以得到SVG的动态方程为

对式(1)进行Park变换，可得SVG在dq坐标下的暂态模型为

由式(2)可以看出，有功电流和无功电流存在耦合，这就给SVG的控制带来了难度.所以要实现dq轴电流的独立控制，就要对其进行解耦.一般采取前馈解耦的控制策略，令x1=uid，x2=uiq，采用式(3)和式(4)所示的控制方程，

式中kp，ki分别为电流内环比例调节参数和积分调节参数.

把式(3)和式(4)代入到式(2)可以得到解耦控制方程，化成矩阵形式为

因此可以得到系统的控制结构如图3所示.

图3 dq轴直接电流控制

在该系统控制结构中，直流侧电容电压udc需要恒定，如果不恒定容易对装置的正常运行产生不利影响，使输出电压波形产生畸变，不能准确地确定主电路功率器件的容量.利用常规PI控制器可以对udc进行有效控制，但是其缺点是容易使被控系统呈现严重的非线性，具有较大的超调量和静差，响应速度也比较慢.针对常规PI控制器的特点，提出能量PI控制的方法，即利用SVG直流侧电容的能量偏差作为电压控制的输入量如式(6)所示，

式中:C为SVG直流侧电容值;t为直流侧电容器的充电时间.

能量PI控制器的输入采用电容电压与设定电容电压的平方差值，当电容电压偏离设定值越多，则控制器的反馈量就越大，能量PI控制器就类似一个随着电容电压偏差增加可以自动提高比例系数的常规PI控制器.为了让接入到配电网侧的接入电压稳定，需要引入电压负反馈，即让接入点电压的参考信号和采样值的差值经过PI调节器，构成交流电压外环，来达到稳定接入点电压的目的，交流电压外环的输出iqref为电流内环的无功参考信号.

3 SVG的仿真试验

运用MATLAB建立了SVG的仿真模型，仿真电路中各参数分别为:电网电压380 V，频率50 Hz，直流侧电容1 200 μF，直流侧电压500 V，连接电抗为3 MH，连接电阻0.4 Ω，公共连接点电压控制器kP=2，kI=100，直流侧电容电压控制器 kP=0.8，kI=100.建立仿真模型的主要目的是验证能量PI控制器的优点和SVG对电网功率因数的改善作用.

如图4所示，能量PI控制超调量小，在很短的时间内就能达到稳定，常规的PI控制调整时间和超调量都很大.仿真结果表明，能量PI控制具有更好的动态性.

图4 不同PI控制下的直流侧电容电压波形

如图5和图6所示，投入SVG前系统的功率因数很低，投入SVG之后系统的功率因数提高，无功得到了很好的补偿，补偿后配电网的电压和电流几乎是同相的，功率因数提高了.所以SVG在系统中可以实时跟踪调节系统的无功，维持系统的稳定性.

4 SVG在配电网中的应用

4.1 调节配电网中的电压

在电力系统中电压是衡量电能质量的主要指标之一，电压损耗过大，易造成负荷端电压过低，对电力系统和国民经济可能造成重大的损失.假定SVG投入运行前电压损耗为

SVG投入补偿后电压损耗为

由式(7)和式(8)知，只要适当控制无功补偿Qc，就能调节配电网中的电压水平.

4.2 提高系统的功率因数

当SVG没有无功功率Qc补偿前投入运行时，负荷电流中的无功分量由系统来承担.如果无功分量很大，则系统的功率因数就会很低，同时线路损耗也会增加.当SVG接入后，SVG就会产生容性无功电流，补偿负荷中需要的无功电流，进而使系统的功率因数提高.

4.3 降低配电网的网损

在配电网运行中，负荷电流在线路、变压器上产生的功率损耗为

如式(9)所示，当线路或变压器上的有功功率和电压一定时，功率损耗与负荷功率因数的平方成反比，所以提高了有功负荷率因数，可使线损率降低.因此在用户侧安装无功补偿装置，实行无功功率就地补偿，可以提高功率因数，降低线路、变压器的有功功率损耗，在提高供电企业效益的同时也降低了用户的用电费用.

4.4 降低变压器的容量

投入SVG可以减少变压器的初次投资费用.设变压器的容量为s，当SVG投入后，可以节省变压器的容量为

如式(10)所示，投入SVG后可以充分挖掘出设备的潜力，节约成本.

5 结语

SVG代表着现阶段电力系统中无功补偿技术新的发展方向，能够快速连续地吸收和发出感性无功，从而保证系统高效、稳定运行，所以SVG应用于配电网中具有很大的优势.文中采用能量PI控制器来代替传统的PI控制器，并运用MATLAB对其进行了仿真，检验了其优越性.随着可再生能源、分布式电源以及智能电网和微电网的兴起，SVG将具有广阔的应用前景.

［1］江辉，彭建春.联营与双边交易混合模式下的输电网损耗分配方法及其特性［J］.中国电机工程学报，2006，26(8):49－54.

［2］鲁广明，鲍海，杨以涵，等.输电网网损分摊方法的比较研究［J］.华东电力，2008，36(5):37 －40.

［3］江辉，周有庆，彭建春，等.基于节点电纳摄动的通用配电网损耗分配方法［J］.中国电机工程学报，2005，25(6):42－48.

［4］熊卿.配电变压器一体化静止无功补偿器(DT－STATCOM)关键技术研究［D］.武汉:华中科技大学，2011.

［5］欧剑波，罗安，唐杰，等.静止同步补偿器的系统参数设计及应用研究［J］.电力电子技术，2007，41(8)34 －36.

［6］ Massoud Amin S，Bruce F，Wollenberg.Towards Smart Grid［J］.IEEE Power ＆ Energy Magnizine，2005，3(5):34－41.

［7］ Ayday Erman，Raiagopal Sridhar.Secure，intuitive and lowcost device authentication for Smart Grid networks［C］∥IEEE Consumer Communications and Networking Conference，2011:1161 －1165.

［8］李兴源，魏巍，王渝红，等.坚强智能电网发展技术的研究［J］.电力系统保护与控制，2009，17:1 －7.

［9］苏玲，张建华，王利，等.微电网相关问题及技术研究［J］.电力系统保护与控制，2010，19:235 －239.

［10］鲁宗相，王彩霞，闵勇，等.微电网研究综述［J］.电力系统自动化，2007，31(19):100 －107.

［11］ Basak Prasenjit，Saha AK，Chowdhury S，et al.Microgrid:control techniques and modelling［C］∥Proceedings of the Universities Power Engineering Conference，2009.

［12］ Johan Driesen，Farid Katiraei.Design for distributed energy resources［J］.IEEE Power＆ Energy Magnizine，2008，6(3):30－39.

［13］ Malmedal Keith，Kroplski Ben，Sen P K.Distributed energy resources and renewable energy in distribution systems:Protection considerations and penetration levels［C］∥Conference Record－IAS Annual Meeting(IEEE Industry Applications Society)，2008.