SVG在交流微电网无功补偿中的应用

陈景文，肖 妍，党宏社，李 霞

(陕西科技大学 电气与控制工程学院，陕西 西安 710021)

0 引言

随着新能源的发展，以太阳能和风能为代表的可再生能源得到广泛应用，风能太阳能具有间歇性和不确定性，为合理稳定利用它们，微电网提出恰好可以解决以上问题，由于微电网中负荷大部分为感性负载，导致微电网在工作过程中产生大量的无功交换，降低了系统的电能利用率，而无功补偿在提高微电网的电能质量方面有显著效果[1-4].在无功补偿装置中，静止无功发生器(SVG)是目前研究的热点[5,6].它能够连续调节感性和容性负载，补偿容性和感性的无功，调节速度快，运行范围更宽广，同时能够补偿部分谐波，控制精度高且相对稳定[7-9].文章以SVG为对象研究其在微电网中无功补偿的方法和效果.

在SVG应用过程中，无功电流的检测准确度对SVG的补偿效果有决定性作用，目前检测无功电流的方法很多，文献[10，11]采用自适应理论进行检测法的改进，提高了系统无功电流的检测精度，文献[12]采用改进的神经网络理论进行预测，提高了系统无功补偿精度和实时性，但以上方法都较为复杂，而目前多应用瞬时无功理论进行无功电流的检测[13].能够实现在已知任何时候的负载电压和负载电流瞬时值的情况下，计算得出瞬时无功电流和有功电流，它有较好的实时性，并且方法实施简单，主要包括p-q法和ip-iq法.其中ip-iq法能够摒弃p-q法当三相电路不对称运行时或者电压波形发生失真时，就不能准确地检测出无功电流这一缺陷.

无功电流的控制事实上就是控制生成PWM的方法，文献[14-16]采用解耦控制，能够有效分离有功和无功，但电网运行中会产生谐波且模型较为复杂，文章对于这一问题采用PR调节器，对两种功率解耦的同时可以有效抑制部分谐波，减少延时，增加控制精度.文献[17，18]基于dq轴的直接电流控制需要对SVG发出的电流进行坐标变换.文献[19]提出一种三电流滞环控制法，具有较好的动、静态特性，补偿效果优，但结构较为复杂.

本文采用基于abc轴直接电流控制不需要对于SVG发出的电流进行坐标变换，直接与检测到的三相瞬时电流做差送入滞环比较器，完成电流闭环控制，结果表明文章所采用的方法具有一定的有效性.

1 交流微电网SVG系统结构

如图1所示为SVG的系统结构，电流检测通过检测负载电流中的瞬时无功电流分量和SVG发出的电流送入控制模块，并通过无功电流控制产生驱动SVG的PWM工作脉冲，触发SVG发出感性或容性电流补偿微电网侧的无功功率.其中SVG主电路采用电压型桥式电路，整个装置逆变的能量由直流侧电容提供，电容在装置不进行逆变补偿时通过续流二极管自动进行充电维持能量.

图1 系统结构图

2 无功电流的检测

2.1 瞬时无功理论

所谓瞬时无功理论其实就是基于坐标变换的方法进行计算的，能够实现在已知任意时刻的负载电压和负载电流瞬时值的情况下，计算的出瞬时无功电流，拥有较好的实时性并且精度高，满足SVG动态补偿的特性：

文章以三相三线系统为对象，设三相电路中a、b、c三相电压的瞬时值为ea、eb、ec，瞬时电流分别为ia、ib、ic.首先对于瞬时电流这三个量进行坐标变换，将其变换至αβ平面上，如图2所示.

图2 αβ坐标系中的电流电压矢量

设变换后αβ平面上的瞬时电流值为iα、iβ，则可推出公式(1)：

(1)

在αβ平面上，矢量iα、iβ合成为电流i，如公式(2)所示：

i=iα+iβ=i∠φi

(2)

公式(3)为矢量i在e的法线上的投影，即为瞬时无功电流：

iq=isinφ

(3)

公式(3)中：φ=φe-φi

2.2 ip-iq法无功电流检测原理

当三相电流不对称时，设a、b、c三相负载电流为ia、ib、ic，首先将检测到的负载电流进行坐标变换至旋转坐标系中如公式(4)所示：

(4)

再通过低通滤波器滤波，剩下基波电流分量如公式(5)所示：

(5)

断开有功通道，通过反变换得到的电流分量便是无功电流.按照图3所示的方法进行负载侧无功电流的检测，由于只取-cosωt、sinωt参与运算并且只进行无功电流的检测和坐标变化，因而检测结果不受电压畸变的影响，检测结果较为准确.

图3 ip-iq法示意图

3 SVG系统的控制策略

SVG系统采用基于abc轴的直接电流控制如图4所示.udref为直流侧的给定电压作为参考电压，并与SVG直流侧实际电压udc做差，经PI调节后作为SVG的反变换有功电流信号idref输入，完成电压外环控制，此处不需要解耦，PI控制器结构参数设置相对简单而且能很好的达到效果；iqref为系统当前所检测到的负载无功分量，将其和有功电流idref经坐标反变换，得到ica、icb、icc即为检测到的三相负载无功电流，和SVG交流侧发出的三相交流电流做差通过PR调节送入滞环比较器，完成电流内环控制.

图4 基于abc轴的直接电流控制示意图

3.1 SVG中PWM信号的产生

滞环比较法的原理如图5所示.iqref为检测到的负载侧无功电流的信号，iqSVG为SVG交流侧实际所输出的无功电流信号，将两者相减后送入滞环比较器中，当电流相减后的信号小于滞环上下限的值，产生触发信号，电力开关器件动作，以使SVG动作补偿电网侧所需要的无功功率.

图5 滞环比较法示意图

3.2 PR调节器设计

PR调节器也称为比例谐振控制器，它可以对两种功率进行解耦，还可以优化PI调节器.

当使用PI调节器时，会对系统产生一定的延时和震荡，而比例谐振调节器，能够使PI调节器的静差调节变为无差调节，进一步对交流信号有很好的追踪控制，对PI调节器产生的问题进行很好的优化，另一方面在SVG多是应用于无功补偿，而在补偿中很多情况下是存在谐波含量的，而PR调节器可以很好消除这些谐波.

PR调节器本质上类似于PI调节器，对于电流控制而言，它的推导如公式(6)所示：

(6)

式(6)中：n代表谐波次数，GPI代表在dq坐标下函数形式，用比例环节与谐振环节参数表示，即为公式(7)：

(7)

把公式(6)代入公式(7)得到普通PR传递函数，得到：

(8)

公式(8)中：ωn为第n次谐波频率，ωn=ω0，ω0=2πf0，f0为基波频率.

理想条件下，ω0处有最大增益，其简化原理图如图6所示.

图6 PR调节器原理图

本次设计主要针对5、7、11、13、17、19、23、25次谐波进行调制，对于后续生成的PWM起到了优化作用.则PR调节器函数用公式(9)表示：

(9)

4 仿真与分析

4.1 SVG仿真模型的构建

为验证所提无功电流的检测和控制方法的准确性以及补偿效果的理想性，基于MATLAB建立了仿真模型.其中各项参数设置如表1所示.

表1 仿真模型具体参数

4.2 仿真结果分析

SVG无功补偿的效果主要是对网侧电流与电压的相位差和网侧的功率因数两个指标进行判断，本次仿真时间为1 s，0.5 s前为纯阻性负载，0.5 s后为阻感性或阻容性负载运行.

4.2.1 感性负载

感性负载在不加SVG和加入SVG的条件下进行对比，通过图7和图8可知，在不加入SVG的情况下，纯阻性负载运行时，电流和电压相位差为0，网侧功率因数为1，不存在无功功率，当0.5 s时变为阻容性负载在不加入SVG的情况下，电流与电压相位差不为0，网侧功率因数不为1，当加入SVG时，电流与电压的相位差无限接近为0，网侧功率因数最终达到0.999以上，SVG有效补偿了网侧的无功功率.

(a)未投入SVG

(b)投入SVG图7 感性负载的网侧a相电压与电流

(a)未投入SVG

(b)投入SVG图8 感性负载的网侧功率因数

4.2.2 容性负载

容性负载和感性负载仿真方式相同，如图9和图10所示，容性负载在不加入SVG时，网侧的电流是超前电压的，当经过SVG补偿后，网侧的电压和电流基本同相，网侧的功率因数最终也能够达到0.998以上.

(a)未投入SVG

(b)投入SVG图9 容性负载的网侧a相电压与电流

(a)未投入SVG

(b)投入SVG图10 容性负载的网侧功率因数

4.2.3 谐波分析

微电网在运行中肯定会存在谐波含量，当考虑谐波存在时，SVG不仅需要进行无功补偿，还需要进行谐波抑制，而PR调节器就有一定的抑制作用，如图11所示 ，投入SVG后不仅补偿了无功功率，还抑制了部分谐波，如图12所示，THD从原有的10.35%降低到了4.43%.

(a)未投入SVG

(b)投入SVG图11 网侧a相电压与电流

图12 各次谐波含量

5 结论

文章针对交流微电网中大量非线性负载接入导致的电能质量降低的问题，设计了基于PR调节的双闭环SVG装置，实现交流微电网的无功功率补偿.建立abc轴直接电流控制仿真模型，整定PR调节器参数，减少延时，优化了动态性能.为验证该系统的有效性，文章针对交流微电网中存在的感性、容性负载以及含有谐波的情况进行无功补偿，实验结果表明该SVG系统，在无功补偿的同时能够较好的抑制谐波，实现了交流微电网的高效运行，具有一定可行性.