基于三角形结构SVG动态调整技术研究

王智勇，覃日升，唐杰，李冬东，司成志，姚建忠

（1. 云南电网有限责任公司安宁供电局，昆明 650300；2. 云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217；3. 云南电网有限责任公司文山供电局，云南 文山 663000；4. 云南电网有限责任公司迪庆供电局，云南 迪庆 674400）

0 前言

随着经济的发展，电网规模也越来越大，电能质量问题关注度越来越高。劣质电能质量的长期运行会导致大量的电能损耗、缩短用电设备的使用寿命，甚至烧毁用电设备造成安全事故[1-2]。在电力系统中，控制电能质量各项指标是电力部门的一大职责。

SVG即静止无功发生器，是目前常用的无功补偿装置，其原理是通过检测装置对运行电网中所需无功量通过逆变装置将直流电压逆变为与电网相同性质的补偿量[3-4]。然而SVG不仅可输出无功电流对电网基波电压进行调节，提高功率因数，又可输出负序电流补偿不平衡[5-7]，且安装方便，所以使用广泛[8-10]。

目前SVG多用于高中压电网，将SVG技术应用于低压配电网治理低压电能质量问题，可以提高用户的用电质量和降低电能损耗。

综上，把SVG装置运用在低压配电网系统，应受到电业部门的重视[11-12]。基于这一背景，本文借鉴链式三角形结构SVG，提出低压三角形结构SVG及其控制策略，并根据斯坦米兹理论（Steimetz）设计了斯坦米兹综合控制和斯坦米兹分相控制两种算法。针对两种控制算法分别搭建相应的仿真模型并进行分析。

1 三角形结构SVG拓扑

在高压大功率场合，通常采用链式三角形结构SVG，其主电路拓扑结构如图1所示，图中usa、usb和usc为三相电力系统的相电压，ia、ib和ic为链式三角形SVG接入三相电力系统的线电流，iab、ibc和ica为链式三角形SVG三个单相链式结构中的相电流。

图1 链式三角结构SVG主电路拓扑

图2 低压三角形结构SVG主电路拓扑

链式三角形SVG每个链式结构都并联在三相电力系统的线电压上，因此在同样电压等级的三相电力系统中，链式三角形SVG比链式星形SVG需要更多的H桥功率单元进行串联来承受三相电力系统电压[13-15]。但是，链式三角形SVG的线电流为两相的相电流叠加，在相电流一定的情况下，输出线电流为链式星形SVG输出线电流的倍。链式三角形SVG没有中性点，每个单相链式结构完全独立控制，互相没有影响，采用斯坦梅兹理论可以实现对三相不平衡电流的补偿。

综上，链式三角形SVG适用于大电流场合，能实现对负荷无功电流和三相不平衡电流的补偿。

本文提出额定电压为400 V的低压SVG，所以其电路拓扑结构及控制策略参照链式三角形SVG进行研究，其低压三角结构SVG主电路拓扑如图2所示。

2 三角形SVG不平衡控制算法

傅里叶分解负荷电流，得到负荷基波电流和各次谐波电流的有效值和相位角；基波部分的补偿，用对称分量法将负荷基波电流分解为正序分量、负序分量和零序分量，控制三角形SVG线电流基波的负序分量与负载电流基波的负序分量反向，三角形SVG线电流基波的零序分量与负载电流基波的零序分量反向，同时控制三角形SVG线电流基波正序分量的实部为零，虚部与负载电流基波正序分量的虚部反向，从而使得电网的基波电流只含有正序分量的实部，达到补偿负荷三相不平衡电流和无功电流的目的；谐波部分的补偿，可以针对各次谐波进行，通过控制使得三角形SVG线电流的各次谐波电流与负载的各次谐波电流反向，从而使得电网电流中不含谐波电流。

对负荷三相不平衡电流及无功电流进行补偿时，三相负荷电流一定时，补偿装置的相电流ia、ib、ic也一定，而三角形SVG相电流与线电流满足如下关系：

式1中detA=0，故当线电流ia、ib和ic确定时，线电流iab、ibc和ica有无数组解。

H桥功率单元直流侧为电容，不能持续地吸收或释放有功，所以装置相电流的基波部分必须与其相电压（电网线电压）垂直（超前或滞后90°）。采用斯坦梅兹理论，即可解得满足上述条件的解。

目前，基于电纳补偿原理的斯坦梅兹理论已经得到广泛地应用。应用斯坦梅兹理论，可以对负荷的无功电流和三相不平衡电流进行全补偿，因此，斯坦梅兹理论适用于负荷的基波电流补偿。

3 三角形SVG不平衡控制仿真模型

三角形结构SVG主电路仿真模型如图3所示，该主电路模型共计有三个H桥功率模块组成（模型中的pu-A1、pu-B1、pu-C1分别代表A、B、C三相的功率模块），三个功率模块依次首尾相接构成三角形结构，每个模块均串有一个电抗器。每个功率单元包含4个IGBT开关器件（每个IGBT开关器件均反并联一个二极管），交流侧A、B、C三相输出分别由三角形的三个顶点引出；功率单元直流侧由5800uF的电容和10 kΩ的电阻并联构成。

图3 三角形结构SVG主电路仿真模型（模型1）

0.4 kV 母线由一个 10 kV/0.4 kV 的变压器供电，在0.4 kV母线通过1 Ω的充电电阻给SVG供电，并且在充电电阻上面并联了旁路接触器。

对应于控制算法2的SVG仿真模型与控制算法1的仿真模型略有差异，其供电回路模型和不平衡负荷模型基本一致，三角形结构SVG主电路模型2如图4，该模型是在模型1的基础上，每相均增加了一个5 uF的电容。

图4 三角形结构SVG主电路模型（模型2）

4 三角形SVG不平衡控制仿真分析

4.1 控制算法模型1仿真分析

工况：电网功率因数约为1.0，三相电流分别为 353 A、424 A、282 A。负载侧为有功负载。在仿真中搭建等效负载如下：

A相负载电感值为0.0001 H，电阻值为3 Ω；

B相负载电感值为0.0001 H，电阻值为1 Ω；

C相负载电感值为0.0001 H，电阻值为2 Ω。

负载模型接线图如图5所示。补偿前后的电流如图6、图7，补偿前后对比如表1。

图5 不平衡负荷模型（模型1）

图6 补偿前电网电流

图7 补偿无功、负序后电网电流

表1 补偿前后主要参数对比

4.2 控制算法模型2仿真分析

控制算法2采用了斯坦米兹理论实现对三相不平衡负荷的治理。

工况：电网功率因数约为1.0，三相电流分别为 353 A、353 A、282 A。负载侧为有功负载。

在仿真中搭建等效负载如下：

A相负载电感值为0.0001 H，电阻值为1 Ω；

B相负载电感值为0.0001 H，电阻值为1 Ω；

C相负载电感值为0.0001 H，电阻值为3 Ω。

负载模型接线图如图8所示。补偿前后电流仿真如图9、图10。

图9 补偿前电网电流

图10 补偿无功、负序后电网电流

5 结束语

在配电网系统中，保证电能质量合格是供电部门供电能力的一种体现，也是对用电客户负责的一种责任。SVG的补偿治理是解决电能质量问题的重要措施。本文结合理论模型分析，提出了低压三角形拓扑结构SVG及其控制策略，并根据斯坦米兹理论设计了斯坦米兹综合控制和斯坦米兹分相控制两种算法。针对两种控制算法分别搭建了相应的仿真模型并进行了分析。分析发现，低压三角结构的SVG对不平衡负载与无功电流具有一定的补偿效果。