王雷雷，孟曉芳，孫國凱

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，沈陽110866）

電壓不對稱下角型級聯(lián)SVG指令提取及電壓控制

王雷雷，孟曉芳，孫國凱

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，沈陽110866）

電網(wǎng)電壓不對稱時，角型級聯(lián)靜止無功發(fā)生器(static var generator,SVG)對電網(wǎng)綜合補償存在指令電流提取困難、直流側(cè)電壓不平衡等問題。針對該問題，提出一種電壓不對稱下角型級聯(lián)SVG相電流指令的合成方法。該方法不僅可以快速合成相電流指令，同時能有效調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓。首先，分析了角型級聯(lián)SVG的拓撲結(jié)構(gòu)，得到補償器相電流和各電流變量的變換關(guān)系。隨后，由向量正交條件求得零序電流，并將該零序電流與檢測到的線電流指令疊加便可得到綜合補償相電流指令。在MATLAB仿真環(huán)境下搭建了級聯(lián)SVG仿真模型，結(jié)果表明，基于此方法的角型級聯(lián)SVG能很好地實現(xiàn)對電網(wǎng)電壓不對稱時不平衡負載電流的綜合補償，并能有效平衡級聯(lián)SVG的直流側(cè)電壓。

電網(wǎng)電壓不對稱；角型級聯(lián)SVG；相電流合成；綜合補償；直流側(cè)電壓控制

0 引言

隨著電力網(wǎng)絡(luò)的日趨復(fù)雜，電網(wǎng)中涌入了大量不平衡負載，如電力機車和帶有整流裝置的設(shè)備等，使電網(wǎng)中產(chǎn)生無功、負序和諧波電流，嚴重威脅著用戶的用電安全和電網(wǎng)的經(jīng)濟運行[1-3]。因此,對電能質(zhì)量的綜合治理顯得尤為重要。在眾多補償設(shè)備中，級聯(lián)靜止無功發(fā)生器(SVG)因其占地面積小、諧波含量少、運行范圍廣及補償功能多樣化而備受推崇[4-5]。同時級聯(lián)SVG具有各鏈節(jié)H橋獨立、易于擴展、無需多重逆變器接入等優(yōu)點，因而滿足了現(xiàn)代電力對高電壓、大容量的需求[6-7]。

當電網(wǎng)負載不平衡時，需要級聯(lián)SVG輸出相應(yīng)的負序電流進行補償。若采用星型級聯(lián)SVG補償，會使SVG的電壓相位發(fā)生偏移，導(dǎo)致有的相需要的逆變單元多，有的相則需要的少，因此星型級聯(lián)SVG不適合補償負載嚴重不平衡的系統(tǒng)。而采用角型級聯(lián)SVG進行補償，由于三相鏈節(jié)相互獨立，故可進行單獨控制，方便投切和運行。這種運行方式能在不改變電網(wǎng)結(jié)構(gòu)情況下，調(diào)節(jié)不平衡負載，對不平衡負載電流有很好的補償效果，這是星型級聯(lián)SVG無法做到的。因此，角型級聯(lián)SVG在未來電網(wǎng)綜合補償領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛應(yīng)用[8-9]。

Hirofumi Akagi在文獻[10]和文獻[11]中對各類級聯(lián)型多電平補償器進行了詳細的介紹，提出角型級聯(lián)SVG能夠補償負序電流，并對角型級聯(lián)SVG的負序補償原理進行了詳細闡述。何英杰等在文獻[12]中分析了在電網(wǎng)負載嚴重不平衡時，使用三角形聯(lián)結(jié)的SVG進行綜合補償較星型聯(lián)結(jié)的SVG有著明顯的優(yōu)勢。熊橋坡在文獻[13]中提出應(yīng)用角型級聯(lián)SVG對電網(wǎng)無功、負序以及諧波電流綜合補償?shù)姆椒?，并推?dǎo)出dp/Δ變換矩陣用于提取角型側(cè)相電流指令。當應(yīng)用該矩陣獲取綜合補償電流指令時，由于電流指令獲取過程中含有大量的坐標變換，致使檢測算法變得較為復(fù)雜，影響裝置的響應(yīng)速度。于是，熊橋坡等在文獻[14]中針對上述存在的問題進行了改進，提出了線電流指令中注入零序電流合成相電流指令的方法，大大減少了裝置的檢測時間提高了檢測速度和響應(yīng)速度，但其補償?shù)那疤崾请娋W(wǎng)電壓對稱，而當電網(wǎng)中負載嚴重不平衡時會引起電網(wǎng)電壓變化，因而此方法不再適用。

筆者在電網(wǎng)電壓三相不對稱情況下展開負載電流綜合補償?shù)难芯?，通過分析電壓不對稱情況下角型補償器線電流與相電流的轉(zhuǎn)換關(guān)系，以及有功功率對相間直流側(cè)電壓的影響，推導(dǎo)出影響角型級聯(lián)SVG相電流指令合成和相間直流側(cè)調(diào)壓的關(guān)鍵因素，提出一種角型級聯(lián)SVG綜合補償相電流指令的提取方法。

1 角型級聯(lián)補償器的工作原理

圖1為角型級聯(lián)SVG接線示意圖。圖中，usa、usb、usc為電網(wǎng)電壓；isa、isb、isc為網(wǎng)側(cè)電流；ila、ilb、ilc為負載電流；ia、ib、ic為補償器線電流；iab、ibc、ica為補償器相電流。

補償器通過連接電抗接入電網(wǎng)，以A相為例電網(wǎng)A相補償器接入點各電流關(guān)系為：isa=ia+ila，知道調(diào)節(jié)補償器線電流ia、ib、ic的輸出，能實現(xiàn)對負載電流ila、ilb、ilc的補償。三相系統(tǒng)負載不平衡時，負載電流中包含無功、負序和諧波電流，由于級聯(lián)H橋呈電容性，故采用級聯(lián)SVG補償時，線電流指令表示如下：

圖1 角型級聯(lián)SVG主電路圖Fig.1 Main circuit diagram of angular chain type SVG

由于補償器線電流ia=iab-ica，調(diào)節(jié)補償器的輸出電壓就可以獨立控制角內(nèi)相電流iab、ibc、ica，故角型補償器多采用相電流為控制量。通過矩陣求解得到相電流與各電流分量的關(guān)系如下：

從上式可知，相電流指令信號除了包括正序無功、負序和諧波分量之外，還含有一部分輔助零序電流。因此為了方便獲取補償器的相電流指令，就需要向線電流中注入零序電流。并且該零序分量的引入，不影響補償器的線電流，也不消耗補償器的能量，只參與相電流指令的合成。對于零序電流的計算，將在本文第二節(jié)詳細給出。

2 零序電流的計算及相電流指令的合成

2.1 零序電流的計算

由于負序電流的存在以及裝置損耗的差異，導(dǎo)致級聯(lián)SVG各相從電網(wǎng)吸收的有功功率分配不均勻，使得各相直流側(cè)電壓發(fā)生變化。因此，為調(diào)節(jié)各相直流側(cè)電壓使其達到平衡，就需要向補償器注入負序電流來進行補償，但注入負序電流又會對電網(wǎng)造成二次污染。因此為了調(diào)節(jié)直流側(cè)各相電壓，且不向電網(wǎng)注入額外的負序電流，可通過向補償器中注入零序電流來實現(xiàn)[13-14]。

設(shè)注入零序電流為

式中，θ為零序電流的初始相位,零序電流的坐標向量為（x,y），因而有零序電流有效值,

SVG在補償電網(wǎng)無功、負序和諧波電流時，由于直流側(cè)電容電壓不平衡只與并聯(lián)損耗（開關(guān)器件狀態(tài)損耗、直流側(cè)電容和緩沖電路的有功損耗）相關(guān)，而與裝置自身的電容大小以及電壓和電流的諧波分量無關(guān)[15-18]，故忽略諧波電流對有功功率轉(zhuǎn)移的影響。

設(shè)SVG的輸出電流只包含無功分量和負序分量（實際工作時補償電流中包含諧波電流），注入零序電流后，SVG的最終穩(wěn)態(tài)輸出電流為：

當電網(wǎng)電壓不對稱時會產(chǎn)生負序分量，設(shè)電網(wǎng)電壓為：

式中，U+為電壓正序分量的有效值；U-為電壓負序分量的有效值；?為電壓負序分量的初始相位。為了計算方便，下面將SVG的輸出電壓和輸出電流轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的直角坐標形式進行求解，則有：

由于注入零序電流后輸出電壓與輸出電流正交，因此有：

由向量正交條件解得：

其中，

將式(7)代入到零序電流幅值和相位公式求得I0、θ，進而代入式(4)得到注入零序電流的瞬時值i0。

圖2為零序電流計算框圖，電網(wǎng)電壓經(jīng)正負dq變換后，將得到相應(yīng)的有功和無功直流電壓分量代入電壓有效值及相位計算公式得到輸入量U+、U-、?；將負載電流分別經(jīng)過正負dq變換后得到直流分量，將各部分直流分量代入電流有效值及相位計算公式得到輸入量為正序無功電流的初相位（本文γ=0）；sinωt由電網(wǎng)電壓經(jīng)鎖相環(huán)得到。

2.2 相電流指令的合成

角型級聯(lián)SVG相電流指令合成原理如圖3所示，ila、ilb、ilc為檢測電路采集到的負載電流，將負載電流有功分量和無功分量解耦，再經(jīng)濾波后得到負載電流的正序有功基波分量；負載電流減去正序有功基波分量，可得到負載電流負序基波分量、無功分量和諧波分量之和即線電流指令信號根據(jù)零序電流合成算法合成零序電流指令將線電流指令信號變換后，再與零序電流指令疊加便可得到角型級聯(lián)SVG綜合補償相電流指令信號

圖2 零序電流計算框圖Fig.2 Block diagram of zero sequence current calculation

圖3 相電流指令合成原理圖Fig.3 Schematic diagram of phase current command signal synthesis

3 級聯(lián)SVG直流側(cè)電壓總控制原理

級聯(lián)SVG直流側(cè)電壓總控制原理如圖4所示。udcref為各鏈節(jié)H橋模塊電壓設(shè)定值，udc-ij為直流側(cè)第i(i=ab、bc、ca)相第j(j=1，2，……，N)級H橋模塊電壓，對udc-ij求和并取平均。將求得的平均值與udcref作比較，所得差值經(jīng)PI控制器比例調(diào)節(jié)作為級聯(lián)SVG直流側(cè)與電網(wǎng)能量交換指令，即第i相的有功損耗電流指令將有功電流與之前得到的相電流疊加，再與級聯(lián)SVG的實際輸出電流icab、icbc、icca比較，所得誤差值經(jīng)電流跟蹤環(huán)節(jié)輸出電壓控制指令該指令經(jīng)相間均壓控制和模塊均壓控制后，由載波移相調(diào)制形成PWM信號，控制補償器功率開關(guān)的通斷，進而輸出綜合補償電流、調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓。

圖4 直流側(cè)電壓總控制原理框圖Fig.4 Block diagram of DC-side total voltage control

4 仿真驗證

針對提出的電網(wǎng)電壓不對稱下相電流合成方法及直流側(cè)電壓控制，搭建了五級H橋角型級聯(lián)SVG的仿真模型，對角型級聯(lián)SVG綜合補償性能及直流側(cè)電壓控制效果進行仿真分析，系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1所示。

表1 主電路仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameters of main circuit

具體的仿真條件及負載參數(shù)如下：工況1，角型級聯(lián)SVG采用本文提出的相電流合成方法及直流側(cè)電壓控制，設(shè)置仿真在0.5 s時系統(tǒng)負載發(fā)生突變。三相不平衡負載初值分別為：RA=1.2 Ω、LA=0.008 H；RB=3 Ω、LB=0.001 H；RC=1.8 Ω、LA=0.006 H。在仿真進行到0.5 s時，投入另一組不平衡負載：RA=2 Ω、LA=0.01 H；RB=2 Ω、LB=0.006 H；RC=1.2 Ω、LC=0.008 H。

補償前負載三相電流波形和補償后網(wǎng)側(cè)三相電流如圖5所示，其中圖5（a）為投入SVG前負載三相電流波形。投入SVG之前，三相電流發(fā)生了嚴重的畸變，0.5 s時系統(tǒng)負載突變，電流畸變達到最大，經(jīng)計算電流不平衡度由27.31%增加到36.24%，諧波畸變率(THD)最大時也達到了16.38%。圖（b）為投入SVG后網(wǎng)側(cè)電流變化波形，補償后網(wǎng)側(cè)電流不平衡度明顯改善，經(jīng)計算電流不平衡度降低至0.8%。電流諧波含量明顯減少，諧波畸變率降低至2.21%。在0.5 s負載切換時，電流出現(xiàn)輕微的抖動，經(jīng)歷約0.015 s網(wǎng)側(cè)三相電流即呈現(xiàn)平滑標準的正弦波，達到了快速消除不平衡電流以及補償諧波的目的。圖6為角型級聯(lián)SVG輸出電流波形。

圖5 補償前負載電流波形和補償后網(wǎng)側(cè)電流波形Fig.5 Load current waveform before compensation and network side current waveform after compensation

圖6 級聯(lián)SVG的輸出電流波形Fig.6 Output current waveform of cascaded SVG

補償前后負載側(cè)A相和電網(wǎng)A相電壓與電流波形如圖7所示，可以看到補償前負載側(cè)A相電流和電壓之間存在明顯的相位差，功率因數(shù)為0.715。投入SVG補償后電流與電壓相位達到一致，經(jīng)測量功率因數(shù)達到了0.995，相較于補償前提高了0.28。

圖7 補償前后負載側(cè)和網(wǎng)側(cè)A相電壓與電流波形Fig.7 Voltage and current waveforms of load side and phase A in grid side before and after compensation

工況2加入相間均壓控制及模塊均壓控制前、后進行對比，其負載參數(shù)與工況1保持一致。

圖8為角型級聯(lián)SVG各鏈節(jié)未進行相間均壓控制時的直流側(cè)電壓波形，各相鏈節(jié)電壓偏離給定值，且偏差越來越大。圖9為角型級聯(lián)SVG進行相間均壓控制后直流側(cè)各相電壓波形。各相鏈節(jié)電壓很快被穩(wěn)定在450 V，表明該控制具有很好的響應(yīng)速度及穩(wěn)定性。

圖8 未加入相間均壓控制各相電壓波形Fig.8 Voltage waveform of each phase without the phase to phase voltage control

圖9 加入相間均壓控制后各相電壓波形Fig.9 voltage waveform of each phase with the phase to phase voltage control

5 結(jié)論

分析了電網(wǎng)電壓不對稱下影響角型級聯(lián)SVG相電流指令合成的關(guān)鍵因素，研究了相間直流側(cè)電壓不平衡的控制原理。從功率角度進行了零序電流求解，提出了角型級聯(lián)SVG綜合補償時零序電流合成相電流指令的方法。實現(xiàn)了對負載不平衡電網(wǎng)的綜合補償，抑制了直流側(cè)電壓不平衡現(xiàn)象。補償后諧波畸變率降低到2.21%、電流不平衡度減少至0.8%、功率因數(shù)增加到0.995%，直流側(cè)各相電壓及相內(nèi)各模塊電容電壓維持在給定值。仿真結(jié)果表明，采用文中所提方法在電網(wǎng)電壓不對稱下具有很好的補償效果和動態(tài)性能，為角型級聯(lián)SVG在負載不平衡電網(wǎng)中的應(yīng)用提供了理論支持。

[1]羅安，吳傳平，彭雙劍.諧波治理技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展[J].大功率變流技術(shù)，2011(6):1-5.LUO An,WU Chuan Ping,PENG Shuang Jian,et al.Har?monic power technology and its development[J].High-pow?er converter technology,2011(6):1-5.

[2]CAVALIERE C A C,WATANABE E H,AREDES M.Multipulse STATCOM operation under unbalanced voltages[C].Proc.IEEE Power Engineering Society Winter Meeting,New York,USA,2002:567-572.

[3]BLAZIC B,PAPIC I.Improved D-STATCOM(ontrol for op?eration with unbalanced currents and voltages[J].IEEE Transactions on Power Dclivcrv,2006,21(1):225-233.

[4]劉釗，肖白露，康勇，等.基于D-STATCOM的串聯(lián)解禍控制[J].電力自動化設(shè)備，2009,29(5):78-81.LIU Zhao,XIAO Bai-lu,KANG Yong,et al.Study on tan?demcontingency control based on D-STATCOM[J].Power Automation Equipment,2009,29(5):78-81.

[5]BARRENA J A,MARROYO L,RODRIGUEZ M A,et al.In?dividual voltage balancing strategy for PWM cascaded H-bridge(onvcrter based STATCOM[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2008,55(1):21一29.

[6]田銘興，閻宏，趙雨欣.級聯(lián)H橋SVG直流側(cè)電容電壓平衡控制方法[J].電網(wǎng)技術(shù),2013,37(9):2632-2638.TIAN Ming Xing,YAN Hong,ZHAO Yu Xin.Study on Ca?pacitance Voltage Balance Control Method for Cascade H-bridge SVG DC Capacitor[J].Power System Technology,2013,37(9):2631-2638.

[7]劉鳳君.多電平逆變技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007:185-192.LIU Feng Jun.Multi-level inverter technology and its ap?plication[M].Beijing:Mechanical Industry Press,2007:185-192.

[8]何英杰，付亞斌，段文巖.一種星接H橋級聯(lián)型SVG直流側(cè)電壓均衡控制方法研究[J].電工技術(shù)學(xué)報,2016,31(11):13-21.HE Yingjie,FU Yabin,DUAN Wenyan.Study on a Voltage Equalization Control Method for Star-connected H-bridge SVG DC[J].Journal of Electrical Engineering,2016,31(11):13-21.

[9]PENG Fangzheng，WANG Jin.A universal STATOM with delta-connected cascade multilevel inverter[C]//2004 35th Annual IEEE Power Electronics Specialists Confer?ence.Aachen，Germany:IEEE，2004:3529-3533.

[10]AKAGI H.Classification，terminology,and application of the Modular Multilevel Cascade Converter(MMCC)[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2011,26(11):3119-3130.

[11]HAGIWARA M,MAEDA R,AHAGI H.Negative-sequence reactive-power control by a PWM STATCOM based on a modular multilevel cascade converter(MMCC)[J].IEEE Transactions on Industry Application，2012，48(2)：720-729.

[12]何英杰，付亞彬，等.一種三角形聯(lián)結(jié)串聯(lián)H橋SVG直流側(cè)電壓控制方法研究[J].電工技術(shù)學(xué)報，2015,30(9):70-78.HE Ying Jie,FU Ya Bin,et al.Study on DC voltage control method of triangular joint series H-bridge SVG[J].Jour?nal of Electrical Engineering,2015,30(9):70-78.

[13]熊橋坡，羅安等.考慮負序補償?shù)慕切玩準絊VG指令電流提取方法[J].中國電機工程學(xué)報，2013,33(27):12-19.XIONG Qiao Po,LUO An et al.Method for extracting cur?rent-type SVG directive with negative sequence compensa?tion[J].Proceeding of the CSEE,2013,33(27):12-19.

[14]熊橋坡，羅安，何志興等.角型鏈式SVG零序電流推導(dǎo)及電流指令獲取[J].電力自動化設(shè)備，2015,35(2)：75-79.XIONG Qiao Po,LUO An,HE Zhi Xing et al.Derivation of angular sequence SVG zero sequence current and acqui?sition of current command[J].Electric Power Automation Equipment,2015,35(2):75-79.

[15]耿俊成，劉文華.鏈式STATCOM電容電壓不平衡現(xiàn)象研究[J].電力系統(tǒng)自動化，2003,27(16):53-57.GENG Jun Cheng,LIU Wen Hua.Study on Capacitance Voltage Unbalance in Chain STATCOM[J].Automation of Electric Power Systems,2003,27(16):53-57.

[16]HATANO N，ISE T.Control scheme of cascade H-bridge STATCOM using zero-sequence voltage and negative-se?quence current[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2010,25(2)：543-550.

[17]王志冰，于坤山，周孝信.H橋級聯(lián)多電平變流器的直流母線電壓平衡控制策略[J].中國電機工程學(xué)報，2012,32(6)：56-63.WANG Zhi Hui,YU Kun Shan,ZHOU Xiao Xin.DC bus voltage balance control strategy for H-bridge cascade mul?tilevel converter[J].Proceeding of the CSEE,2012,32(6):56-63.

[18]HAGIWARA M，MAEDA R，AKAGI H.Negative-se?quence reactive power control by a PWM STATCOM based on a modular multilevel cascade converter(MMCCSDBC)[C].IEEE Energy Congress and Exposition(ECCE)，Phoenix，AZ，2011：3728-3735.

Instruction Extraction and Voltage Control of Lower Angular Cascade SVG under Voltage Asymmetry

WANG Leilei,MENG Xiaofang,SUN Guokai
（School of Information and Electrical Engineering,Shenyang Agricultural University,Shenyang 110866,China）

When the grid voltage is asymmetric,the static Var Generator(SVG)has a problem that the current compensation is difficult and the DC side voltage is unbalanced.Aiming at this problem,a method of voltage asymmetric phase current directive is proposed.This method not only can quickly syn?thesize the phase current command signal of the compensator,but also can realize the DC side voltage reg?ulation.Firstly,the topological structure of the angular cascade SVG is analyzed,and the relationship be?tween the phase current of the compensator and the current component is obtained.Then,from the point of view of the loss of active power obtained zero sequence current component,the zero sequence current and compensator line current superposition can be integrated compensation phase current command.The results show that the SVG model based on this method can realize the comprehensive compensation of the unbalanced load current in the asymmetry of the grid voltage,and effectively adjust the SVG DC side volt?age in the MATLAB simulation environment.

grid voltage asymmetry；angular cascade SVG；phase current synthesis；integrated compensation；DC side voltage control

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.05.013

2017-03-21

王雷雷（1991—），男，碩士，研究方向：地方電力系統(tǒng)與自動化。

國家科技支撐計劃農(nóng)村住宅多能互補節(jié)能技術(shù)節(jié)能與示范項目資助（編號：2012BAJ26B00）。