不平衡電網(wǎng)下的無功補償控制策略

楊朝強，付子義，董彥杰

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不平衡電網(wǎng)下的無功補償控制策略

楊朝強1,2，付子義1，董彥杰1

（1. 河南理工大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，河南 焦作 454000；2. 神華國能焦作電廠有限公司，河南 焦作 454000）

針對電網(wǎng)電壓不平衡下的無功補償問題，提出一種利用靜止無功發(fā)生器（SVG）在不平衡電網(wǎng)下正、負序電流獨立控制的無功補償控制方法。該方法采用,坐標下結(jié)構(gòu)完全對稱的正、負序雙電流內(nèi)環(huán)控制以實現(xiàn)對正、負序電流的獨立調(diào)節(jié)，在正序電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)對檢測出的無功分量進行控制，在負序電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)對檢測出的電網(wǎng)電流不平衡分量進行控制。對該控制方法的原理進行分析，最后通過仿真驗證了該方法的正確性和可行性。

無功補償；不平衡電網(wǎng)；靜止無功發(fā)生器；正負序電流

0 引言

在電力系統(tǒng)中，無法保證系統(tǒng)每時每刻都處于三相電網(wǎng)平衡的狀態(tài)[1]，各種不平衡在所難免，電網(wǎng)不對稱故障、負載的不平衡以及輸電線路阻抗的不平衡等原因都可導(dǎo)致電網(wǎng)不平衡現(xiàn)象[2]。隨著新能源占比快速提高，且新能源機組不具備常規(guī)電源的動態(tài)無功支撐能力，系統(tǒng)動態(tài)無功儲備急劇下降，電壓調(diào)節(jié)能力降低，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)不平衡時，電網(wǎng)電壓崩潰風(fēng)險將加大；要保證現(xiàn)代電網(wǎng)運行的安全、可靠性，平穩(wěn)、經(jīng)濟性，研究不平衡下的無功補償是很有必要的[3]。

電力系統(tǒng)中大部分元件是阻感性的，需要消耗容性無功。電力系統(tǒng)運行中無功功率雖然不對外做功，但卻能夠補充電網(wǎng)電壓降落所消耗的能量，穩(wěn)定電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓[4]。無功補償技術(shù)不僅可以對電網(wǎng)中的感性無功功率進行補償，來提高電網(wǎng)的功率因數(shù)和降低電網(wǎng)損耗，而且能改善配電網(wǎng)三相不平衡負載[5]。目前電網(wǎng)不平衡下的無功補償研究大部分都是針對電網(wǎng)負載不平衡，而當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)不平衡時，負載不平衡下的無功補償控制理論，無法對電網(wǎng)電流不平衡進行有效補償。文獻[6]采用TCR+FC型SVC(static var compensator)裝置的,變換的控制策略，對負載不平衡進行了有效補償，沒有分析電網(wǎng)電壓不平衡時帶來的影響。文獻[7]提出一種在不平衡電網(wǎng)下的SVG+APF并直流母線聯(lián)合運行系統(tǒng)，能夠在無功補償和諧波抑制的同時實現(xiàn)對電網(wǎng)電壓不平衡的有效補償，該研究針對的是混合型補償，適用于容量比較大的場合。

本文針對電網(wǎng)電壓不平衡下的無功補償，提出一種采用結(jié)構(gòu)完全對稱的正、負序,坐標下雙電流內(nèi)環(huán)控制的SVG無功補償方法。該方法控制策略簡明有效，不僅可以在不平衡電網(wǎng)下對無功進行補償，還可以對電網(wǎng)不平衡進行補償，通過對該方法控制策略進行分析，建立了基于matlab的仿真模型，通過仿真驗證了該方法的正確性和可行性。

1 傳統(tǒng)無功補償?shù)目刂撇呗?/h2>

圖1 SVG基本結(jié)構(gòu)

當(dāng)三相負載不對稱時，產(chǎn)生的三相負載電流中會出現(xiàn)負序電流，負序電流的存在不僅會影響補償裝置的正常運行還會對電網(wǎng)中的其它設(shè)備造成影響，因此需要對不平衡進行補償，常規(guī)SVG補償裝置在補償負載不平衡時通過檢測出負載電流中的負序電流經(jīng)反饋加入到控制環(huán)節(jié)中去補償負序電流，常規(guī)SVG補償裝置控制如圖2所示。

忽略耦合影響，常規(guī)SVG控制電壓控制指令為[8]

圖2 常規(guī)下無功補償控制

2 改進后無功補償?shù)目刂撇呗?/h2>

圖3 改進型無功補償結(jié)構(gòu)

正序電流內(nèi)環(huán)前饋解耦控制算法為

引入負載負序電流的負序電流內(nèi)環(huán)前饋解耦控制算法為

3 仿真分析

3.1 仿真參數(shù)

對兩種控制策略的參數(shù)在三相負載不對稱和電網(wǎng)電壓不平衡時分別設(shè)置如下：

表1 三相負載不對稱時仿真參數(shù)

Tab.1 Simulation parameters of three phase load asymmetry

表2 三相電壓不平衡時仿真參數(shù)

Tab.2 Simulation parameters of unbalanced three-phase voltage

3.2 仿真結(jié)果分析

圖4、5所示，在負載不平衡的情況下，常規(guī)無功補償控制策略和改進型都能夠?qū)o功進行很好的補償；圖6、7可以看出常規(guī)型和改進型都能對負載的不平衡進行很好的補償。而通過圖8和圖10可以看出，在電網(wǎng)電壓不平衡時，常規(guī)無功補償控制策略雖然能夠?qū)o功進行補償，卻不能對由電壓不平衡造成的負序電流進行補償；圖9和圖11是改進型無功補償策略在電網(wǎng)電壓不平衡時，對無功和負序電流的補償圖形，改進型能對無功進行很好的補償，其中0.1 s時SVG投入，通過波形圖可以清楚的看出0.1 s前后，無功補償裝置對無功的補償作用十分明顯，負序電流帶來的電流不平衡也得到了很好的補償。

圖4 負載不平衡時常規(guī)無功補償

圖5 負載不平衡時改進型無功補償

圖6 常規(guī)下負載不平衡補償

圖7 改進型負載不平衡補償

圖8 電壓不平衡時常規(guī)無功補償

圖9 電壓不平衡時改進型無功補償

圖10 常規(guī)下電網(wǎng)不平衡補償圖

11 改進型電網(wǎng)不平衡補償

綜上，常規(guī)控制方法只能在三相負載不平衡情況下補償無功的同時補償不平衡，改進型控制方法既能夠在電網(wǎng)電壓不平衡情況下也能在三相負載不平衡情況下補償無功的同時補償不平衡。

4 結(jié)論

通過Matlab/SIMULINK仿真，驗證了在不平衡電網(wǎng)下SVG無功補償控制方法的可行性。相比傳統(tǒng)控制方法只能在三相負載不對稱時補償無功和不平衡，該控制方法能夠在電網(wǎng)電壓不平衡以及三相負載不對稱的情況下既補償無功又能對不平衡進行補償。綜上所述，該無功補償控制策略是一種有效、可行方案。

[1] Ahn S C, Hyun D S. New control scheme of three-phase PWM AC/DC converter without phase angle detection under the unbalanced input voltage conditions[J]. Power Electr-onics IEEE Transactions on, 2002, 17(5): 616-622.

[2] 孫紹華. 不平衡電網(wǎng)條件下并網(wǎng)逆變關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2015.

[3] 李珊珊. 不平衡電網(wǎng)下SVG電流檢測及控制策略優(yōu)化研究[D]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué), 2015.

[4] 王明. 三相不平衡系統(tǒng)動態(tài)無功補償控制技術(shù)研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2013.

[5] 房雪濤. 配電網(wǎng)三相不平衡負載的無功補償技術(shù)研究[D]. 東南大學(xué), 2015.

[6] 張明江, 紀延超, 顧強. 三相不平衡與無功功率的綜合補償方法[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2008(S1): 20-23.

[7] 董彥杰, 付子義. 不平衡電網(wǎng)下SVG和APF共母線聯(lián)合運行系統(tǒng)[J/OL]. 電源學(xué)報: 2018: 1-11.

[8] 張興, 張崇巍. PWM整流器及其控制[M]. 機械工業(yè)出版社, 2012. 2.

[9] 蔣衛(wèi)宏. 不對稱電網(wǎng)故障下PWM整流器的控制策略研究[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報, 2007(15): 3527-3530+3576.

[10] Song H S, Nam K. Dual current control scheme for PWM con-verter under unbalanced input voltage conditions[J]. Ind-ustrial Electronics IEEE Transactions on, 1999, 46(5): 953- 959.

Control Strategy of Reactive Power Compensation Under Unbalanced Grid

YANG Chao-qiang1,2, FU Zi-yi1, DONG Yan-jie1

(1. College of Electrical Engineering and Automation, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China; 2. Shenhua Guoneng Jiaozuo Dianchang Co., Ltd, Jiaozuo 454000, China)

Aiming at the problem of reactive power compensation under unbalanced grid voltage, a reactive power compensation control method based on static var generator (SVG) independent control of positive and negative sequence current in unbalanced grid is proposed. In this method, both positive and negative sequence current inner loop control with symmetrical structure in D and Q coordinates are used to realize independent regulation of positive and negative sequence current. The detected reactive power component is controlled in the positive sequence current inner loop control link and the detected unbalanced current component is controlled in the negative sequence current inner loop control link. The principle of the control method is analyzed, and the correctness and feasibility of the method are verified by simulation.

Reactive power compensation; Unbalanced grid; Static var generator; Positive and negative sequence current

TM714

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.11.022

楊朝強(1991-)，男，助理工程師/碩士研究生，研究方向：控制工程；付子義(1958-)，男，教授，博士/碩士生導(dǎo)師，從事電力系統(tǒng)自動化、智能信息處理、礦井綜合自動化等研究；董彥杰(1990-)，男，碩士研究生，研究方向：電力電子與電氣傳動。

楊朝強，付子義，董彥杰. 不平衡電網(wǎng)下的無功補償控制策略[J]. 軟件，2018，39（11）：96-100