王智勇，覃日升，唐杰，李冬東，司成志，姚建忠

（1. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司安寧供電局，昆明 650300；2. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217；3. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司文山供電局，云南 文山 663000；4. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司迪慶供電局，云南 迪慶 674400）

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模也越來(lái)越大，電能質(zhì)量問(wèn)題關(guān)注度越來(lái)越高。劣質(zhì)電能質(zhì)量的長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致大量的電能損耗、縮短用電設(shè)備的使用壽命，甚至燒毀用電設(shè)備造成安全事故[1-2]。在電力系統(tǒng)中，控制電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)是電力部門的一大職責(zé)。

SVG即靜止無(wú)功發(fā)生器，是目前常用的無(wú)功補(bǔ)償裝置，其原理是通過(guò)檢測(cè)裝置對(duì)運(yùn)行電網(wǎng)中所需無(wú)功量通過(guò)逆變裝置將直流電壓逆變?yōu)榕c電網(wǎng)相同性質(zhì)的補(bǔ)償量[3-4]。然而SVG不僅可輸出無(wú)功電流對(duì)電網(wǎng)基波電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高功率因數(shù)，又可輸出負(fù)序電流補(bǔ)償不平衡[5-7]，且安裝方便，所以使用廣泛[8-10]。

目前SVG多用于高中壓電網(wǎng)，將SVG技術(shù)應(yīng)用于低壓配電網(wǎng)治理低壓電能質(zhì)量問(wèn)題，可以提高用戶的用電質(zhì)量和降低電能損耗。

綜上，把SVG裝置運(yùn)用在低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)，應(yīng)受到電業(yè)部門的重視[11-12]?；谶@一背景，本文借鑒鏈?zhǔn)饺切谓Y(jié)構(gòu)SVG，提出低壓三角形結(jié)構(gòu)SVG及其控制策略，并根據(jù)斯坦米茲理論（Steimetz）設(shè)計(jì)了斯坦米茲綜合控制和斯坦米茲分相控制兩種算法。針對(duì)兩種控制算法分別搭建相應(yīng)的仿真模型并進(jìn)行分析。

1 三角形結(jié)構(gòu)SVG拓?fù)?/h2>

在高壓大功率場(chǎng)合，通常采用鏈?zhǔn)饺切谓Y(jié)構(gòu)SVG，其主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中usa、usb和usc為三相電力系統(tǒng)的相電壓，ia、ib和ic為鏈?zhǔn)饺切蜸VG接入三相電力系統(tǒng)的線電流，iab、ibc和ica為鏈?zhǔn)饺切蜸VG三個(gè)單相鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)中的相電流。

圖1 鏈?zhǔn)饺墙Y(jié)構(gòu)SVG主電路拓?fù)?/p>

圖2 低壓三角形結(jié)構(gòu)SVG主電路拓?fù)?/p>

鏈?zhǔn)饺切蜸VG每個(gè)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)都并聯(lián)在三相電力系統(tǒng)的線電壓上，因此在同樣電壓等級(jí)的三相電力系統(tǒng)中，鏈?zhǔn)饺切蜸VG比鏈?zhǔn)叫切蜸VG需要更多的H橋功率單元進(jìn)行串聯(lián)來(lái)承受三相電力系統(tǒng)電壓[13-15]。但是，鏈?zhǔn)饺切蜸VG的線電流為兩相的相電流疊加，在相電流一定的情況下，輸出線電流為鏈?zhǔn)叫切蜸VG輸出線電流的倍。鏈?zhǔn)饺切蜸VG沒(méi)有中性點(diǎn)，每個(gè)單相鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)完全獨(dú)立控制，互相沒(méi)有影響，采用斯坦梅茲理論可以實(shí)現(xiàn)對(duì)三相不平衡電流的補(bǔ)償。

綜上，鏈?zhǔn)饺切蜸VG適用于大電流場(chǎng)合，能實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)荷無(wú)功電流和三相不平衡電流的補(bǔ)償。

本文提出額定電壓為400 V的低壓SVG，所以其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略參照鏈?zhǔn)饺切蜸VG進(jìn)行研究，其低壓三角結(jié)構(gòu)SVG主電路拓?fù)淙鐖D2所示。

2 三角形SVG不平衡控制算法

傅里葉分解負(fù)荷電流，得到負(fù)荷基波電流和各次諧波電流的有效值和相位角；基波部分的補(bǔ)償，用對(duì)稱分量法將負(fù)荷基波電流分解為正序分量、負(fù)序分量和零序分量，控制三角形SVG線電流基波的負(fù)序分量與負(fù)載電流基波的負(fù)序分量反向，三角形SVG線電流基波的零序分量與負(fù)載電流基波的零序分量反向，同時(shí)控制三角形SVG線電流基波正序分量的實(shí)部為零，虛部與負(fù)載電流基波正序分量的虛部反向，從而使得電網(wǎng)的基波電流只含有正序分量的實(shí)部，達(dá)到補(bǔ)償負(fù)荷三相不平衡電流和無(wú)功電流的目的；諧波部分的補(bǔ)償，可以針對(duì)各次諧波進(jìn)行，通過(guò)控制使得三角形SVG線電流的各次諧波電流與負(fù)載的各次諧波電流反向，從而使得電網(wǎng)電流中不含諧波電流。

對(duì)負(fù)荷三相不平衡電流及無(wú)功電流進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，三相負(fù)荷電流一定時(shí)，補(bǔ)償裝置的相電流ia、ib、ic也一定，而三角形SVG相電流與線電流滿足如下關(guān)系：

式1中detA=0，故當(dāng)線電流ia、ib和ic確定時(shí)，線電流iab、ibc和ica有無(wú)數(shù)組解。

H橋功率單元直流側(cè)為電容，不能持續(xù)地吸收或釋放有功，所以裝置相電流的基波部分必須與其相電壓（電網(wǎng)線電壓）垂直（超前或滯后90°）。采用斯坦梅茲理論，即可解得滿足上述條件的解。

目前，基于電納補(bǔ)償原理的斯坦梅茲理論已經(jīng)得到廣泛地應(yīng)用。應(yīng)用斯坦梅茲理論，可以對(duì)負(fù)荷的無(wú)功電流和三相不平衡電流進(jìn)行全補(bǔ)償，因此，斯坦梅茲理論適用于負(fù)荷的基波電流補(bǔ)償。

3 三角形SVG不平衡控制仿真模型

三角形結(jié)構(gòu)SVG主電路仿真模型如圖3所示，該主電路模型共計(jì)有三個(gè)H橋功率模塊組成（模型中的pu-A1、pu-B1、pu-C1分別代表A、B、C三相的功率模塊），三個(gè)功率模塊依次首尾相接構(gòu)成三角形結(jié)構(gòu)，每個(gè)模塊均串有一個(gè)電抗器。每個(gè)功率單元包含4個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)器件（每個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)器件均反并聯(lián)一個(gè)二極管），交流側(cè)A、B、C三相輸出分別由三角形的三個(gè)頂點(diǎn)引出；功率單元直流側(cè)由5800uF的電容和10 kΩ的電阻并聯(lián)構(gòu)成。

圖3 三角形結(jié)構(gòu)SVG主電路仿真模型（模型1）

0.4 kV 母線由一個(gè) 10 kV/0.4 kV 的變壓器供電，在0.4 kV母線通過(guò)1 Ω的充電電阻給SVG供電，并且在充電電阻上面并聯(lián)了旁路接觸器。

對(duì)應(yīng)于控制算法2的SVG仿真模型與控制算法1的仿真模型略有差異，其供電回路模型和不平衡負(fù)荷模型基本一致，三角形結(jié)構(gòu)SVG主電路模型2如圖4，該模型是在模型1的基礎(chǔ)上，每相均增加了一個(gè)5 uF的電容。

圖4 三角形結(jié)構(gòu)SVG主電路模型（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

工況：電網(wǎng)功率因數(shù)約為1.0，三相電流分別為 353 A、424 A、282 A。負(fù)載側(cè)為有功負(fù)載。在仿真中搭建等效負(fù)載如下：

A相負(fù)載電感值為0.0001 H，電阻值為3 Ω；

B相負(fù)載電感值為0.0001 H，電阻值為1 Ω；

C相負(fù)載電感值為0.0001 H，電阻值為2 Ω。

負(fù)載模型接線圖如圖5所示。補(bǔ)償前后的電流如圖6、圖7，補(bǔ)償前后對(duì)比如表1。

圖5 不平衡負(fù)荷模型（模型1）

圖6 補(bǔ)償前電網(wǎng)電流

圖7 補(bǔ)償無(wú)功、負(fù)序后電網(wǎng)電流

表1 補(bǔ)償前后主要參數(shù)對(duì)比

4.2 控制算法模型2仿真分析

控制算法2采用了斯坦米茲理論實(shí)現(xiàn)對(duì)三相不平衡負(fù)荷的治理。

工況：電網(wǎng)功率因數(shù)約為1.0，三相電流分別為 353 A、353 A、282 A。負(fù)載側(cè)為有功負(fù)載。

在仿真中搭建等效負(fù)載如下：

A相負(fù)載電感值為0.0001 H，電阻值為1 Ω；

B相負(fù)載電感值為0.0001 H，電阻值為1 Ω；

C相負(fù)載電感值為0.0001 H，電阻值為3 Ω。

負(fù)載模型接線圖如圖8所示。補(bǔ)償前后電流仿真如圖9、圖10。

圖9 補(bǔ)償前電網(wǎng)電流

圖10 補(bǔ)償無(wú)功、負(fù)序后電網(wǎng)電流

5 結(jié)束語(yǔ)

在配電網(wǎng)系統(tǒng)中，保證電能質(zhì)量合格是供電部門供電能力的一種體現(xiàn)，也是對(duì)用電客戶負(fù)責(zé)的一種責(zé)任。SVG的補(bǔ)償治理是解決電能質(zhì)量問(wèn)題的重要措施。本文結(jié)合理論模型分析，提出了低壓三角形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)SVG及其控制策略，并根據(jù)斯坦米茲理論設(shè)計(jì)了斯坦米茲綜合控制和斯坦米茲分相控制兩種算法。針對(duì)兩種控制算法分別搭建了相應(yīng)的仿真模型并進(jìn)行了分析。分析發(fā)現(xiàn)，低壓三角結(jié)構(gòu)的SVG對(duì)不平衡負(fù)載與無(wú)功電流具有一定的補(bǔ)償效果。