SVG型无功发生器提高电力系统电压稳定性的理论研究

陈端云 谢巧云 江凡 李文成 米为民

摘要：非线性、冲击性负荷大量接入电网，引起了电网无功功率不足。闪变，谐波分量占的比重越来越大等一系列电能质量问题。静止无功发生器（Static VarGeneration，简称SVG）是指由自换相的电力半导体桥式变流器来进行动态无功补偿的装置。它适于实时补偿冲击性负荷的无功电流和谐波电流。研究采用跟踪型PWM控制技术对晶闸管的开关进行直接控制的新技术。通过供给电网需要的无功功率使得补偿后的电压电流的相位角接近于0。补偿后的电流在很大程度上降低电力系统谐波能量损耗，提高电力系统电压稳定性。仿真结果表明该控制技术具有控制精度高、鲁棒性强等特点，验证了该控制方法的正确性和有效性。

关键词：SVG;无功补偿;实时补偿;谐波能量损耗;电压稳定性

中图分类号：TM714.2 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）32-0192-03

我国是一个人口大国，自然资源相对紧张，能源日益减少，伴随着能源的减少和资源的紧缺，我国提出了“节约型”社会的口号。在工业和日常生活用电负荷中，阻感负载占很大比例。随着电力电子装置的普及，电压不平衡对并网的电力电子装置的危害问题受到了更大的重视。[1]非线性原件的大量存在，严重的加剧了电力系统中的谐波所占的比重，使得系统的电压质量大大下降，功率因数尤其低。三相电压不平衡度是衡量电网电能质量的一个重要标志。随着人们对电能质量要求的提高，电压不平衡问题受到越来越多的关注。[2]改善工业企业用电的功率因数是提高用电效率节约电能的重要手段。[3]IEEE和IEC均对电压不平衡的定义、最大允许值等做了明确的规定。[4]

目前，在我国普遍采用的无功补偿装置主要是并联电容器和晶闸管控制电抗器（TCR）及晶闸管投切电容器（TSC）。电容器在调解时不能平滑调节，且自身分相调节能力有限。目前关于电容补偿比较创新的一种方法是通过晶闸管开关装置直接调节电容两端电压来调节电容无功。[5]而SVC型无功补偿器受系统谐波影响大，自身产生较大量谐波，受系统阻抗影响大，响应时间长，且体积较大。SVG型无功发生器相对于上述补偿装置在各个方面都有所改善。为了充分利用SVG的优点，国内的研究机构及企业开始大量研究基于SVG型无功发生器的补偿装置。如何在补偿无功的基础上进一步扩展SVG的功能，也是目前SVG的发展趋势之一。[6]除此之外利用其它新型无功补偿装置进行无功补偿的例子还有很多，其中有基于单相STATCOM的不平衡负荷平衡化补偿，基于有源电力滤波器控制的补偿方式等一系列控制方式，单相STATCOM由于具有输出无功电流谐波含量低、响应速度快等优点而适合于不平衡负荷的平衡化补偿。[7]有源电力滤波器能同时补偿大容量变电站的功率因素和电流谐波。[8]

本文借鉴上述一系列的研究理论，研究利用跟踪型PWM控制技术，对晶闸管的开关进行直接控制，进而控制输入电网的无功功率的新技术。该研究在实现 电网无功就地补偿的原则下，使得电网电压、电流相同步，相位角接近于0。补偿后的电流在很大程度上降低线路损耗，降低电力系统谐波能量损耗，提高电力系统电压稳定性。为企业研究新产品提供理论依据。

一、SVG的基本结构及工作原理

1.SVG的结构及原理

SVG并联于电网中，相当于一个可变的无功电流源，通过调节逆变器交流侧输出电压的幅或者直接控制其交流侧电流的幅值和相位，迅速吸收或者发出所需要的无功功率，实现快速动态调节无功的目的。SVG分为电压型桥式电路和电流型桥式电路两种类型，其电压源型逆变电路的电路结构原理图如图1所示。

电网电压为US，SVG侧的电压为USVG，它们之间通过一个电感相连，两者之间的电压差就是电电感上消耗的电压，两端输出电压的幅值和相位的关系确定了输出功率的性质与容量，当USVG幅值大于US电压幅值时吸收容性无功，当USVG小于US电压幅值时消耗感性无功。

2.SVG的电压-电流工作特性

SVG的电压-电流特性如图2所示。

在电压电流特性曲线中可以看出SVG无功发生器两端的电压与电流相量是成直线关系的，当电压电流发生变化时，其端电压与电流的关系是水平移动的，故可保证其能输出最大感性和容性电流，进而可以提高整个系统运行的稳定性。

二、PWM控制原理

1.PWM跟踪控制技术

在PWM跟踪控制技术中，把希望输出的电流或电压波形作为指令信号，把实际电流或电压波形作为反馈信号，通过两者的瞬时值比较来决定逆变电路各功率开关器件的通断，使实际的输出跟踪指令信号变化。

三角波比较控制方式，是跟踪控制法中常用的一种控制方式。这种控制方式输出电流所含的谐波较少，因此常用于对谐波和噪聲要求严格的场合。

在以往的研究中，主要运用的方法是电压控制法和电流控制法，电压控制法就是将STATCOM视为交流电压源，通过控制STATCOM交流器所产生交流电压基波分量的相位以及幅值，也即单δ控制和δ与θ逆变器导通角的配合问题，来间接控制STATCOM的交流侧所需产生的无功电流，电压控制多用于较大容量的场合。本文研究利用跟踪型PWM控制技术结合电流控制法的理论来直接控制晶闸管的开关，以实现直接控制电流的目的，该研究的理论可在通用场合下使用。

2.电流控制法

电流控制是指采用跟踪型PWM控制技术对晶闸管的开关进行直接控制，以调整电流波形的瞬时值。由计算得出交流侧输入电流的指令值直接对电流值进行反馈控制，以使得其跟踪指令电流值。

采用PWM控制的电流控制方法如图3所示。

如图所示是采用的dqo控制方法，在外界参考电压和输出电压的相对量作比较后，形成相应的PWM控制波形，用此波形来控制晶闸管的开关，进而来实现对波形的直接控制，来控制SVG的运行方式。

传统的比例—积分—微分控制方法对系统的检测精度、计算延时和被控对象状态变化具有较强的依赖性，[9]因此现在用的越来越少。

基于PWM技术的新型静止无功补偿器可以更快速、精确地补偿无功功率，而且自身几乎不产生谐波，从而有效地稳定系统电压。[10]

三、SVG稳定电压的原理

1.稳压原理详解

发电机作为电源，也能起到一部分稳定电压的目的，当发电机滑差接近于零时，控制器以阻尼功率振荡为目标，以使系统迅速恢复至稳态。[11]系统、负载和补偿器的单相等效电路如图4所示。系统的无功备用容量越大，其电压稳定裕度越大。[12]其中U0为系统线电压，R和X分别为系统电阻和电抗。反映系统电压与无功功率关系的特性曲线如图5所示，由于系统电压变化不大，其横坐标也可换为无功电流。可以看出，特性曲线是向下倾斜的，即随着系统供给的无功功率Q的增加，供电电压下降。

可见，无功功率的变化将引起系统电压成比例地变化。投入补偿器之后，系统供给的无功功率为负载和补偿器无功功率之和，即：

（1）

如果补偿器的无功功率QR总能弥补QL的反方向变化，以使得Q维持不变，即=0，则也将为零，从而供电电压保持恒定。这就是SVG稳定电压的基本原理。补偿前后网络由于时段不同、负荷不同所致网络不一致，[13]因此本研究的重点是如何在提供所需的无功功率的基础上，保持补偿前后网络的一致性。

2.稳压模块分析

在matlab仿真时，对本次研究进行详细分析，主要包括以下几个小块：

（1）电网系统的变量都是模拟量，然而在数据的处理上，数字量的处理，相对于模拟量较简单，因此，本文采用处理数字量的技术，因此在模块的分配中，要用到将模拟信号离散化的过程。

（2）本次论文中涉及到三角比较法，研究中用到PI模块，通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。

（3）由于用到离散模拟量的技术，研究中使用与之配套的延时模块。

（4）研究中，最终要使得电流的波形吻合电压的波形，这里采用以电流为变量的控制原则。

（5）在处理时，由于abc三相电流总是处在不断的变化当中，因此通过派克变换，将其转换成dqo变量控制，更易实现信号的控制，在实现控制的基础上，再将其转换成abc三相电流控制的形式。

（6）本次研究的重点任务在于电流控制模块的设计，因为在使用电力电子设备时，其本身也是非线性装置，也会引进谐波，带来多余能量损耗。电流控制模块在设计时，既要能够产生负载所需要的电流控制变量，又要消除其自身产生的谐波给电力系统带来的影响。

四、Simulink动态仿真功能

Simulink是基于MATLAB的框图设计环境，能够仿真并分析该系统。可以用来对各种系统进行建模、分析和仿真。

在复杂系统仿真时，如果被研究系统结构复杂、多层次，则模型中信号的流向就不明确，如果把整个模型按实现的功能划分为子系统模块，就会使系统结构和层次简洁而清楚。

研究中负荷无功电流计算模块如图6所示。仿真图如图7所示。

将系统的各个模块连接起来，对系统进行仿真，可得补偿前的电压电流波形如图8所示，补偿后的电压电流波形如图9所示。

五、仿真结果分析

仿真结果表明：系统在0.01s后振荡停止，开始稳定运行。从系统开始振荡到稳定运行所需时间与SVG响应时间相吻合，说明该控制系统具有控制精度高、鲁棒性强等特点，补偿后的电流与电压相位相差不大，接近于0，可以较少电力系统谐波分量带来的损耗。

从波形图中也可以看到补偿后的电流波形有毛刺，即补偿后的电流含次谐波分量。这主要是因为主电路中的电力电子器件在高频通断过程中产生了其工作频率附近的一些频率很高的谐波。

六、结论

新型自动无功补偿方式可稳定系统电压，提高功率因数，降低线损，而且在不增加电源建设的前提下增加供电能力[14]，因此得到了广泛应用。静止无功发生器（SVG）的发展是电力电子技术与电力系统相结合的产物，也和现代控制技术、计算机技术、通讯技术所取得的巨大进展密切相关。电力系统的快速发展对电网的稳定和电能质量都提出了更高的要求，及时合理地对电网进行无功功率补偿和调节是解决以上矛盾的切实可行的办法。SVG作为有代表性的无功补偿装置，对它的深入研究将促进各种控制理论和算法在电力系统无功补偿方面取得进步。

电力系统无功功率补偿不足会引起功率因数下降，而三相功率不平衡则会影响到用电设备的安全。[15]

本文从无功补偿和谐波抑制的角度，研究了利用跟踪型PWM控制技术，对晶闸管的开关进行直接控制，进而控制输入电网的无功功率的新技术。该研究的结果表明SVG无功功率发生器能夠很好地补偿无功功率，使得补偿后的功率因数接近于1，电网电压、电流相同步，达到了稳定电压的目的。同时还能够看到无功发生器很好的跟踪无功功率的变化，并且进行实时补偿，使得补偿后的电流在很大程度上降低了电力系统谐波能量损耗，提高了电力系统电压稳定性。该研究的成果可以为相关领域的研究提供理论依据。

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（责任编辑：刘翠枝）