三電平與兩電平混合靜止無(wú)功發(fā)生器

張志文，吳興陽(yáng)，羅隆福，申建強(qiáng)

（湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 410082）

近年來(lái)，隨著我國(guó)電力工業(yè)的不斷發(fā)展，大范圍的高電壓輸電網(wǎng)絡(luò)逐漸形成，同時(shí)對(duì)電網(wǎng)無(wú)功功率的要求也日益嚴(yán)格。無(wú)功電源如同有功電源一樣，是保證電力系統(tǒng)電能質(zhì)量，降低電網(wǎng)損耗以及保證其安全運(yùn)行所不可缺少的部分。電網(wǎng)無(wú)功功率不平衡將導(dǎo)致系統(tǒng)電壓的巨大波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致用電設(shè)備的損壞，甚至出現(xiàn)系統(tǒng)電壓崩潰和穩(wěn)定性破壞事故。因此，電力系統(tǒng)無(wú)功功率補(bǔ)償問(wèn)題得到了越來(lái)越多的重視。早期有少量動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置如同步調(diào)相機(jī)、飽和電抗器等，但存在響應(yīng)速度慢，維護(hù)困難以及損耗和噪音大等缺點(diǎn)。靜止無(wú)功功率補(bǔ)償器SVC（static var compensator），無(wú)論是晶閘管可控電抗器TCR（thyristor controlled reactor）或晶閘管投切電容器 TSC（thyristor switched capacitor），都是對(duì)儲(chǔ)能原件進(jìn)行控制。由于儲(chǔ)能元件的時(shí)滯影響，SVC仍然存在著對(duì)電網(wǎng)的恒阻抗性、連續(xù)可控性差等弊端，它不可能實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)的無(wú)功功率控制。然而靜止無(wú)功發(fā)生器SVG（static var generator），以其優(yōu)越的補(bǔ)償性能、高可靠性、無(wú)需維護(hù)、控制靈活、調(diào)節(jié)速度快、范圍廣、需要電容容量小等特點(diǎn)成為現(xiàn)代補(bǔ)償裝置的發(fā)展方向，受到了廣泛的注意，并成為國(guó)內(nèi)外電力系統(tǒng)行業(yè)的重點(diǎn)研究方向之一。

靜止無(wú)功發(fā)生器是指由自換相的電力半導(dǎo)體橋式變流器來(lái)進(jìn)行發(fā)生和吸收無(wú)功功率的無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置。由于SVG是將自換相橋式電路經(jīng)過(guò)電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，就可以吸收或發(fā)出滿(mǎn)足要求的無(wú)功功率，實(shí)現(xiàn)集動(dòng)態(tài)補(bǔ)償感性無(wú)功功率和容性無(wú)功功率于一身。但是，由于大功率等級(jí)的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)頻率較低，而且為了盡量降低系統(tǒng)的損耗尤其是電力半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)損耗，大容量的SVG往往需要應(yīng)用一些相關(guān)的技術(shù)來(lái)輔助實(shí)現(xiàn)。如：文獻(xiàn)［2］中，為了提高系統(tǒng)的補(bǔ)償容量采用了變壓器移相的多重化技術(shù)，然而這需要特別設(shè)計(jì)一套復(fù)雜的變壓器，不僅設(shè)計(jì)難度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且不利于實(shí)際應(yīng)用；文獻(xiàn)［4］中，為了提高SVG系統(tǒng)的應(yīng)用電壓水平采用了多個(gè)絕緣柵雙極晶體管IGBT（insulated－gate bipolar transistor）的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，而目前在處理電力電子開(kāi)關(guān)器件的均壓、均流上并不算很成功。

本文提出的新型SVG結(jié)構(gòu)將很好地解決提高補(bǔ)償容量及其效率的問(wèn)題；并且在系統(tǒng)發(fā)生一定范圍內(nèi)的異常時(shí)，仍能發(fā)揮補(bǔ)償作用；同時(shí)本文中的SVG系統(tǒng)在文中的控制方式與目的下，不僅僅可以補(bǔ)償無(wú)功功率，也可以補(bǔ)償諧波電流成分從而使系統(tǒng)的功率因數(shù)接近為1。

在本文所提出的SVG系統(tǒng)中外加了一個(gè)特殊繞組。由于電力系統(tǒng)在發(fā)生某些異常時(shí)（如單相接地故障），仍允許運(yùn)行一段時(shí)間。外加的特殊繞組就是為了在這種特殊的異常狀態(tài)下仍然能夠發(fā)揮補(bǔ)償作用而設(shè)置的。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)分析可以得到，本文提出的SVG具有較高的轉(zhuǎn)換效率，且補(bǔ)償后的系統(tǒng)功率因數(shù)約為1。本文提出的SVG的主電路圖如圖1所示。

圖1 SVG系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Main circuit configuration of the SVG

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

本文所提出的SVG的主電路如圖1所示。在此電路中，有一個(gè)三電平逆變器（逆變器1）和兩個(gè)二電平逆變器（逆變器2和逆變器3），通過(guò)一個(gè)特殊的變壓器和小電抗器與電力網(wǎng)相連接。其中，逆變器1和逆變器2分別接在變壓器每一相的三個(gè)開(kāi)環(huán)繞組兩端，逆變器3接在三相變壓器內(nèi)的小Y型繞組的一端。逆變器1具有較低的開(kāi)關(guān)頻率，逆變器2、3的開(kāi)關(guān)頻率約為900Hz。逆變器1采用三相二極管鉗位三電平逆變器，逆變器2、3采用三相橋式二電平逆變電路。二極管鉗位三電平逆變器可以很好的解決開(kāi)關(guān)器件的耐壓不高的問(wèn)題，而且對(duì)開(kāi)關(guān)器件的動(dòng)態(tài)性能要求低，開(kāi)關(guān)器件受到的電壓應(yīng)力也比較的小。由于逆變器的輸出電平數(shù)比較多、du／dt比較低，對(duì)外圍電磁干擾也比較的小。同時(shí)開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率的要求也比較低、開(kāi)關(guān)損耗也比較小。整流器1、2用來(lái)提供逆變器1的直流電壓，整流器3、4用于提供逆變器2、3的直流電壓。SVG直流側(cè)電容的設(shè)計(jì)也是很重要的一部分，其主要包括額定電壓和電容值的設(shè)計(jì)。直流側(cè)電容的電壓值決定了補(bǔ)償電流的跟蹤能力，取值過(guò)低不能很好的跟蹤補(bǔ)償電流，補(bǔ)償效果不好；取值過(guò)高會(huì)導(dǎo)致逆變器和電容器的容量增大，成本增加。因而，直流側(cè)電容的電壓值和電容值的取值應(yīng)綜合考慮。在工程實(shí)際中，一般要求逆變器直流側(cè)電壓是交流側(cè)電壓的3倍以上。電容容量的工程計(jì)算公式為

其中，Ic為逆變器額定輸出電流的方均根值，Udc為直流電壓平均值，fmin為逆變器最低輸出頻率，σ為允許的直流電壓頻率的低峰值紋波因數(shù)Kφ為與負(fù)載位移因數(shù)角有關(guān)的系數(shù)。一般根據(jù)補(bǔ)償容量電容容量的取值在5000μF～20000μF。

小Y型外加繞組用于解決系統(tǒng)運(yùn)行異常引起的部分線路電壓升高的問(wèn)題。當(dāng)系統(tǒng)的電壓超過(guò)逆變器1、2的最大設(shè)計(jì)時(shí)，可以借助于此外加繞組來(lái)抬升本系統(tǒng)的輸出電壓，從而仍能很好地達(dá)到補(bǔ)償效果。

例如：當(dāng)由于某種原因?qū)е孪到y(tǒng)的某一相發(fā)生接地故障，由于電力系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障時(shí)，仍允許系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間，在此情況下，非接地相的電壓會(huì)升高，高出逆變器1、2的設(shè)計(jì)范圍，此時(shí)在外加繞組的助磁作用下可以是輸出電壓得到抬升，從而使整個(gè)系統(tǒng)仍能發(fā)揮補(bǔ)償作用。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，該外加繞組可以退出使用，也可以適當(dāng)?shù)募右允褂檬贡鞠到y(tǒng)達(dá)到更好的補(bǔ)償效果。

本系統(tǒng)中各電力電子器件容量、電容容量、變壓器的變比等可根據(jù)具體要求選取相應(yīng)的型號(hào)、匝數(shù)比，本系統(tǒng)的具體的參數(shù)設(shè)置會(huì)在下文中介紹。

1.2 本系統(tǒng)的控制方法

本文所提出的SVG系統(tǒng)的控制方法如圖2所示。此SVG系統(tǒng)是基于αβ0坐標(biāo)系的空間矢量法來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的。整個(gè)控制部分分為：負(fù)載運(yùn)行參數(shù)檢測(cè)單元、數(shù)據(jù)處理單元、基于空間矢量的脈沖寬度調(diào)制PWM（pulse width modulation）的脈沖產(chǎn)生單元。系統(tǒng)電壓經(jīng)過(guò)前置變壓器轉(zhuǎn)換后再經(jīng)過(guò)六脈波整流為逆變器1的直流側(cè)電容提供能量，而為逆變器2、3的直流側(cè)電容提供能量的整流器的輸入部分直接接在系統(tǒng)上，并確保各個(gè)逆變器直流側(cè)的電容電壓值保持穩(wěn)定。根據(jù)數(shù)據(jù)處理后需要SVG輸出的波形產(chǎn)生PWM波控制各逆變器的IGBT，使系統(tǒng)合成的總電壓、電流滿(mǎn)足要求。各逆變器的輸出電壓、電流經(jīng)過(guò)一個(gè)特殊的變壓器轉(zhuǎn)換后，通過(guò)小電感與電網(wǎng)相連接。

在整個(gè)SVG系統(tǒng)中，最主要也是最重要的是要得到需要SVG補(bǔ)償?shù)姆至?。本文中的SVG系統(tǒng)是用于補(bǔ)償“雜散”電流的，所以在本文中最主要的是得到SVG應(yīng)該輸出的電流波形。在本文中把SVG系統(tǒng)等效為一個(gè)電流控制的電壓源CCVS（current controlled voltage source），所以在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，將需要SVG輸出的雜散電流乘以j wl以得到小電感L上的電壓降。然后將電感L的電壓相量與系統(tǒng)的電壓相量相加，便得到要求SVG輸出的電壓相量。具體如何得到需求SVG輸出的電壓波形的方法如圖3所示。

圖2 SVG系統(tǒng)的控制框圖Fig.2 Control block diagram of the SVG

圖3 檢測(cè)需SVG系統(tǒng)輸出電壓框圖Fig.3 Measurement block diagram of the voltage needed the SVG output

在得到SVG應(yīng)該輸出的電壓、電流后，下面一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)就是空間矢量的PWM的產(chǎn)生。用SX1、SX2、SX3、SX4表示三電平逆變器1中的由上而下的IGBT，其中X為a、b、c。對(duì)應(yīng)的3種開(kāi)關(guān)狀態(tài)分別用P、O、N表示，如圖4所示。

圖4 開(kāi)關(guān)狀態(tài)簡(jiǎn)寫(xiě)Fig.4 Switching state abbreviations

三電平逆變器1存在27種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，二電平逆變器2、3存在8種開(kāi)關(guān)狀態(tài)。假設(shè)逆變器1直流側(cè)的每個(gè)電容的電壓值為單位長(zhǎng)度1，則可以將逆變器1對(duì)應(yīng)的27種開(kāi)關(guān)狀態(tài)的輸出電壓與逆變器2對(duì)應(yīng)的8種開(kāi)關(guān)狀態(tài)的輸出的電壓值范圍畫(huà)出。首先選擇逆變器1直流側(cè)兩電容的中點(diǎn)為源點(diǎn)O，將三電平逆變器1的27種開(kāi)關(guān)狀態(tài)輸出電壓分別畫(huà)出，得到19個(gè)黑點(diǎn)（包括源點(diǎn)在內(nèi)）。由于逆變器2是接在開(kāi)端繞組上的，則此時(shí)逆變器2的輸出電壓就是從這19個(gè)黑點(diǎn)延伸出來(lái)的六邊形，具體如圖5所示。需要說(shuō)明的是：從逆變器1的19個(gè)黑點(diǎn)延伸出來(lái)的小六邊形為逆變器2的輸出電壓范圍，逆變器3的輸出電壓范圍和逆變器2類(lèi)似，只是具體的實(shí)名制的值不同而已。具體如圖5所示。

圖5 各逆變器輸出電壓范圍Fig.5 Output voltage range of each inverter

本文采用空間矢量PWM來(lái)控制IGBT的開(kāi)關(guān)。為使整個(gè)SVG系統(tǒng)輸出的電壓相量接近于實(shí)際所希望輸出的電壓值，本文采用逆變器的輸出電壓和作用時(shí)間的有限組合來(lái)進(jìn)行逼近。在采樣周期內(nèi)，對(duì)于一個(gè)所期望的輸出電壓相量 ，根據(jù)相量所在的區(qū)域確定合成此所需相量的三個(gè)基本相量，然后用這三個(gè)基本電壓合成所期望的相量 ，根據(jù)伏秒平衡原理，滿(mǎn)足以下方程組：

其中，t1、t2、t3分別為V1、V2、V3相量對(duì)應(yīng)的作用時(shí)間；TS為采樣周期。根據(jù)此方程組可以得到各基本相量的作用時(shí)間。而后根據(jù)基本相量與開(kāi)關(guān)狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)合其他一些要求來(lái)確定所有的開(kāi)關(guān)狀態(tài)及輸出形式。例如：若在某一時(shí)刻檢測(cè)到的系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，經(jīng)過(guò)數(shù)字處理后得到需要SVG輸出的電壓為圖5中的V0，根據(jù)V0在圖5中的區(qū)域確定相應(yīng)的3個(gè)基本相量，此時(shí)的電壓相量V0可以由基本相量的部分長(zhǎng)度的電壓相量V1、V2和V3合成，并由此計(jì)算出各電壓相量的作用時(shí)間。根據(jù)各基本相量對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和作用時(shí)間得出PWM波形。

2 仿真與實(shí)驗(yàn)研究

本文利用Matlab仿真軟件，對(duì)如圖1所示的SVG系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。仿真的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：電力系統(tǒng)的電壓為220V，50Hz；SVG的補(bǔ)償容量為33KVA；前置變壓器的變比為1.5∶1；二電平逆變器的直流側(cè)電壓為515V，電容量為8 mF；三電平逆變器的單個(gè)電容的直流側(cè)電壓為772V，電容量為18mF；特殊變壓器的變比N1∶N2∶ N3 為 1.1727：1.06833：1；小 電 感 L 為0.01mH；負(fù)載為3個(gè)單相負(fù)載和三相整流橋。其中，3個(gè)單相負(fù)載分別為：a相200Ω、0.001H；b相200Ω、1×10－5F；c相80Ω。三相整流橋負(fù)載的電阻為100Ω，電感為10mH。仿真的相關(guān)波形如圖6所示。其中，圖6a為系統(tǒng)電壓波形；圖6b為本SVG系統(tǒng)投入運(yùn)行前系統(tǒng)的電流波形；圖6c為負(fù)載電流的有功分量波形；圖6d為根據(jù)負(fù)載電流得到的為達(dá)到全補(bǔ)償所需要本SVG系統(tǒng)輸出的電流波形；圖6e為投入本SVG系統(tǒng)后系統(tǒng)的電流波形；圖6f為當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相（C相接地）故障時(shí)，本SVG系統(tǒng)投入運(yùn)行補(bǔ)償后的電流波形。根據(jù)上述研究，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，經(jīng)過(guò)調(diào)試與實(shí)驗(yàn)得到的實(shí)驗(yàn)波形如圖7所示。其中，圖7a為SVG系統(tǒng)投入運(yùn)行前的實(shí)驗(yàn)波形；圖7b為系統(tǒng)提供補(bǔ)償后的實(shí)驗(yàn)波形；圖7c為運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生c相單相接地故障時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形。

3 結(jié)論

無(wú)功功率是整個(gè)電力系統(tǒng)的重要部分，其在電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行中不可忽視。本文在對(duì)傳統(tǒng)的SVG進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上提出了一種新型的SVG系統(tǒng)。該SVG系統(tǒng)不僅可以很好地補(bǔ)償系統(tǒng)中的無(wú)功功率，而且通過(guò)對(duì)控制方式的改變也可以達(dá)到濾除諧波的效果，擴(kuò)展了SVG的補(bǔ)償功能。可以得到下面的結(jié)論：

1）本文SVG系統(tǒng)可以很好的補(bǔ)償系統(tǒng)的雜散電流，使功率因數(shù)接近于1。

2）本文中采用的電流控制電壓源的控制方法是有效的，且算法簡(jiǎn)單明了、易于實(shí)現(xiàn)。

3）本系統(tǒng)對(duì)參數(shù)檢查的依賴(lài)性較大，參數(shù)檢測(cè)精度越高補(bǔ)償效果越好。

4）在電力系統(tǒng)某些異常運(yùn)行條件下，本SVG系統(tǒng)仍可以很好地發(fā)揮補(bǔ)償作用。

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