安科瑞 鮑靜君

　　摘要：為了實現(xiàn)低成本,、準確地大容量無功補償，設(shè)計了一種基于“SVG +智能電容”混合式無功補償系統(tǒng),。系統(tǒng)由一臺高精度補償?shù)男∪萘快o止無功發(fā)生器(Static Var Generator, SVG)和多臺智能電容組成,。首先對混合系統(tǒng)中SVG的電流跟蹤控制進行分析，針對PI控制對周期性信號跟蹤性差和重復(fù)控制在負載突變時導(dǎo)致補償電流畸變的問題,，提出采用加權(quán)式并聯(lián)型重復(fù)控制的電流跟蹤控制策略,。然后對整體系統(tǒng)的運行特性進行分析，給出系統(tǒng) 無功分配控制方法,。以TMS320F28335作為混合式系統(tǒng)的核心控制器,設(shè)計了一套混合式無功補償系統(tǒng),。通過仿真和試驗結(jié)果表明，混合無功補償系統(tǒng)可以對無功電流進行補償。

　　關(guān)鍵詞：混合式無功補償,；靜止無功發(fā)生器,；智能電容；重復(fù)控制

　　引言

　　隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,，無功補償系統(tǒng)不僅可以補償無功功率,，還同時具有治理諧波功能，使電力系統(tǒng)運行更加安全可靠,。智能電容器是目前較為普遍的智能型無功補償裝置,，其成本低，在大容量無功補償具有較大優(yōu)勢,，但其只能分級補償,，不能治理閃變和不平衡。SVG已經(jīng)代表了新一代的無功補償系統(tǒng),，其調(diào)節(jié)速度快,，運行范圍寬，可治理補償電流中的諧波,。 然而,，大容量的SVG結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制難度大,，成本高,。由于單一無功補償裝置的局限性，科研人員對混合無功補償系統(tǒng)進行研究,，其中“SVG + TSC”形式的混合無功補償裝置應(yīng)用較為廣泛,，針對大容量、固定的無功,，利用投切式電容器進行補償,；針對小容量、電容欠補的無功,利用SVG進行補償,。另外,，PI控制作為SVG常規(guī)電流的跟蹤控制策略，具有結(jié)構(gòu)簡單且易于實現(xiàn)等特點,，但是PI控制對周期性信號跟蹤能力較差,，治理擾動能力較差。采用重復(fù)控制,，解決了周期性信號跟蹤和擾動治理的問題,。但是在SVG控制系統(tǒng)中，當負載發(fā)生突變時,，重復(fù)控制由于滯后一個周期控制的特性,，導(dǎo)致SVG補償后的電流發(fā)生畸變,。

　　結(jié)合基于TSC發(fā)展而來的智能電容和SVG的優(yōu)勢，采用“SVG +智能電容”形式的混合無功補償方式,。針對SVG常規(guī)電流跟蹤控制策略的不足,，引入加權(quán)式并聯(lián)型重復(fù)控制，可以得到更好補償效果,。對混合整體系統(tǒng)的運行特性進行分析,，給出無功分配原則?；诖?，設(shè)計一套三相混合式無功補償系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明,，所設(shè)計的系統(tǒng)能夠?qū)o功電流進行補償,。

　　1、混合式無功補償系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

　　所研究的混合式無功補償系統(tǒng)主要由一個SVG和多個智能電容并聯(lián)組成,，其結(jié)構(gòu)如圖1所示,。混合式無功補償系統(tǒng)以SVG的控制器為無功協(xié)調(diào)控制中心,，首先利用電壓電流傳感器實時檢測電網(wǎng)電壓和電流以及負載側(cè)電流信號,，通過無功電流檢測方法計算出無功電流，進一步計算出平均無功電流,，并得到需要補償?shù)目偀o功,，然后根據(jù)無功分配原則計算出需要投切智能電容的數(shù)量，并通過RS485通訊方式控制智能電容的投切,，同時計算出SVG需要補償?shù)臒o功電流,，通過控制SVG達到準確的無功補償，進而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的無功補償,。 智能電容也同時檢測電網(wǎng)的電壓和電流信號,，采集得到的數(shù)據(jù)通過計算和分析，判斷是否發(fā)生過流,、過壓,、過熱 等故障，并及時切除工作電容器,，保護主電路。

　　根據(jù)對混合式無功補償系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)以及工作原理的分析,，主要針對混合式無功補償系統(tǒng)中SVG的補償控制以及整體混合式無功補償系統(tǒng)的控制方法進行研究,。

　　2、混合式無功補償系統(tǒng)的補償控制

　　2.1 混合式無功補償系統(tǒng)中SVG的補償控制

　　2.1.1重復(fù)控制分析

　　SVG的電流跟蹤控制策略常采用PI控制,，PI控制的結(jié)構(gòu)簡單且易于實現(xiàn),，但是PI控制對周期性信號跟蹤能力和治理擾動能力較差,。重復(fù)控制可以解決了周期性信號跟蹤和擾動治理的補償問題。重復(fù)控制理論是基于內(nèi)模原理建立的,，完整的數(shù)字式重復(fù)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示,。

　　其中Q(z)會影響重復(fù)控制的穩(wěn)定性,Q(z)一般設(shè)置為一個小于且接近于1的常數(shù)，或者也可以設(shè)置為一個具有低通濾波性質(zhì)的函數(shù),，當Q(z) =0.95時,，重復(fù)控制內(nèi)模環(huán)節(jié)的伯德圖如圖3所示,此時系統(tǒng)是處于穩(wěn)定狀態(tài)。

　　電網(wǎng)工頻f=50Hz,，系統(tǒng)開關(guān)頻率設(shè)置為fs=25.6kHz,。一個基波周期的采樣點數(shù)為:

　　S(z)主要作用是使系統(tǒng)髙頻段衰減。S(z)可設(shè)置為一個二階低通濾波器,，截止頻率設(shè)置為2kHz,，fs=25.6kHz.因此，S(z)設(shè)置為,；

　　加入和未加入濾波器時系統(tǒng)伯德圖如圖4所示,。

　　由圖可以看出加入濾波器后，幅值在高頻率段呈大幅衰減,。Kr用來控制穩(wěn)定裕度和誤差收斂速度,，取值范圍為0-1，Zk為相位補償環(huán)節(jié),，當k值越大,，可以補償?shù)南辔粶缶驮酱螅侠淼倪x擇k可以很好的補償S(z)Gp(z)的相位,，由系統(tǒng)特征方程得出系統(tǒng)穩(wěn)定條件| Q(z) -Krs(z)P(z)|等于或者小于1,，經(jīng)過仿真測試設(shè)置為K=6，Kr=0.95,。

　　首先對重復(fù)控制進行分析,。以SVG的A相為例, 被控對象在s域的表達式為；

　　式中交流側(cè)輸出電感La=0.8mH,；線路等效電阻Ra =0.003Ωo

　　設(shè)置輸入信號iref為一個階躍信號,，在0.02s處發(fā)生階躍變化，變化前幅值為0,，變化后幅值為1,，分別檢測輸入信號和輸出信號，結(jié)果如圖5所示,。

　　由圖5可以看出,，當指令信號發(fā)生階躍時,輸出信號雖然可以快速響應(yīng)，跟隨輸入,，但是從階躍后的二個周期開始,，會出現(xiàn)周峰值呈衰減趨勢的誤差突變信號,。在SVG控制系統(tǒng)中，這必然會導(dǎo)致補償后的電流發(fā)生畸變,。

　　2.1.2加權(quán)式并聯(lián)型重復(fù)控制

　　基于上述分析,，提出采用加權(quán)式并聯(lián)型重復(fù)控制的電流跟蹤控制策略，并選擇較佳權(quán)值比來均衡PI和重復(fù)控制的作用,。

　　加權(quán)式并聯(lián)型重復(fù)控制是在PI和重復(fù)支路上加入加權(quán)系數(shù)α和β,，均衡PI和重復(fù)控制的作用，其結(jié)構(gòu)如圖6所示,。

　　加權(quán)式并聯(lián)型重復(fù)控制目的是為了加強動態(tài)時PI控制的作用,，同時削弱了穩(wěn)態(tài)時重復(fù)控制的作用,在保證穩(wěn)定性的前提下,除掉由重復(fù)控制引起的信號畸變。

　　設(shè)定權(quán)值時需滿足α+β=1,隨著權(quán)值比β/α增大,，逐漸削弱重復(fù)控制的作用,，加強PI控制的作用。圖7是設(shè)置不同β/α時,，系統(tǒng)開環(huán)的伯德圖(未包含內(nèi)模),。PI參數(shù)根據(jù)采用零極點對消法可求得Kp=25.72，Ki=96,。

　　圖7可以看出,，β/α的比值越大，系統(tǒng)的帶寬越大,，系統(tǒng)動態(tài)性能越好,。

　　圖8是設(shè)置不同β/α時，系統(tǒng)指令信號發(fā)生階躍變換后,，系統(tǒng)輸出的幅值變化,。由圖8可以看出，隨著β/α的增大,，由重復(fù)控制引起的峰值變化越小,。

　　增大權(quán)值比β/α不僅可以消減峰值變化，同時還可以提高系統(tǒng)動態(tài)性能,。但是權(quán)值比并非越大越好, 當權(quán)值比越大,，重復(fù)控制作用越弱，系統(tǒng)穩(wěn)定時的補償精度也隨之較低,，所以權(quán)值比可折中選取,，文中在仿真中進一步對其進行分析。

　　在Matlab/Simulink環(huán)境下建立三電平SVG仿真模型,，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置：三相電源相電壓為220V,，頻率為50Hz，直流側(cè)電容為4000μF，輸出電感為0.8mH,，線路等效電阻,0.003Ω，開關(guān)頻率為25.6kHz,，由三相串聯(lián)Rl和三相不控整流橋組成含有諧波的無功負載源,，用階躍信號控制開關(guān)使負載發(fā)生變化，負載突變前設(shè)置有功功率為25kW,無功功率為25kvar,；突變后有功功率為15 kW,無功功率為15kvar,。另外，系統(tǒng)所研究的三電平SVG,，其主電路為三電平結(jié)構(gòu)的逆變電路,，其調(diào)制策略采用的是改進的60°SVPWM算法。

　　圖9為A相電壓和A相負載電流,，其中負載在0.105s時發(fā)生突變,。

　　電流跟蹤控制設(shè)置為加權(quán)式并聯(lián)型重復(fù)控制。同時,設(shè)置三個不同權(quán)值比（β/α）進行實驗分析,，權(quán)值比分別設(shè)置為β/α= 1,，β/α=2和β/α=3，每種權(quán)值比的補償結(jié)果如圖10所示,。由圖10可以看出,，加權(quán)式并聯(lián)型重復(fù)控制可以消弱補償結(jié)果的畸變，當權(quán)值比增大,，補償后電流的畸變変小,。

　　為了進一步分析權(quán)值比對系統(tǒng)補償控制的影響，設(shè)置11組不同的權(quán)值比進行多次試驗,，利用FFT對負載突變后的電流進行分析,，時間為從0.12s開始的3個周期，得到不同權(quán)值比下補償后的電流畸變率,，經(jīng)擬合得出畸變率隨權(quán)值比的變化趨勢,，結(jié)果如圖13所示。

　　由圖11可以看出,，權(quán)值比并非越大越好,，當時β/α=2~3左右時，補償后電流的THD??；當β/α太大時，系統(tǒng)補償后的電流THD反而增大,。

　　不同權(quán)值比的系統(tǒng)補償后的功率因數(shù)如圖12所示,。由圖可以看出，當β/α=1時,，其功率因數(shù)接近于1,，但是在負載突變時,，功率因數(shù)幅值變化較大，動態(tài)性能較差,；當β/α=2和β/α=3時,，系統(tǒng)的動態(tài)性能提高了，穩(wěn)態(tài)時功率因數(shù)雖有所下降,，但降幅較小,，系統(tǒng)整個補償過程中的功率因數(shù)變化平穩(wěn),、波動小,。綜合上述分析，設(shè)置權(quán)值比β/α=3,。

2.2混合式無功補償系統(tǒng)無功分配控制方法

　　在混合式無功補償系統(tǒng)中,，是由一組SVG和多組智能電容來共同完成無功補償,，混合式無功補償系統(tǒng)的補償原理如圖13所示。由圖13可以看出,，系統(tǒng)總無功Q主要由智能電容完成補償,，但是智能電容只能完成分級補償，進一步通過SVG完成級與級之間的無功補償,，實現(xiàn)對無功的準確補償,。另外，在SVG補償能力范圍之內(nèi),，都由SVG進行補償,，盡量減少智能電容投切的次數(shù)。

　　系統(tǒng)檢測岀無功電流直流分量iq,，在每個周期計算一次iq的平均值作為當前周期電網(wǎng)需要補償?shù)臒o功電流,，記為IQ。單個智能電容可以補償?shù)臒o功電流,，記為Ic,。SVG補償輸出的無功電流記為ISVG，智能電容的總數(shù)記為N,，當前時刻應(yīng)該投入個數(shù)為n,，定義K為不超過IQ/Ic的大整數(shù)，混合系統(tǒng)無功分配規(guī)則如表1所示,。

　　由表1可以得出智能電容器投切控制原理：

　　(1) KIc-3ISVGmax/4＜IQ≤ KIc+ISVG,，當K＞N時，此刻需要補償無功總量大于混合系統(tǒng)補償能力,，則智能電容全部投入,，即n=N，SVG滿額輸出：ISVG=ISVGmax

　　（2）KIc-3ISVGmax/4＜IQ≤ KIc,，當0＜K＜N,，此時需要補償無功容量大于SVG補償能力，因此投入部分智能電容,，投入個數(shù)n=K,，剩余的無功-3ISVGmax/4＜IQ≤0由SVG補償，此刻智能電容處于過補狀態(tài),，由SVG發(fā)出感性無功予以補償；

　?。?）KIc＜IQ≤ KIc+3ISVGmax/4,，當0＜K＜N時，此時投入智能電容數(shù)n=K,，剩余的無功0＜IQ≤3ISVGmax/4由SVG補償,，此刻智能電容處于欠補狀態(tài), 由SVG發(fā)出容性無功予以補償；

　?。?）KIc-3ISVGmax/4＜IQ≤ KIc+3ISVGmax/4,，當K＜0時，此時需要補償?shù)臒o功較小,，不需要投切智能電容,，所以n=0，所有無功均由SVG完成補償,。

　　上述無功分配原則中,，SVG的動作閾值為- 3ISVGmax/4 ＜IQ≤3ISVGmax/4 ，起到了節(jié)省SVG動態(tài)輸出 容量的作用,，避免SVG一直處于滿負荷輸出狀態(tài),。

　　在Matlab/Simulink環(huán)境下建立混合補償系統(tǒng)，設(shè)置在單個智能電容大補償無功為20 kvar,，SVG大輸出無功量為25kvar,，所以系統(tǒng)總體補償容量為-25kvar~ 105kvar。

　　系統(tǒng)仿真參數(shù)：三相電源相電壓為220V,頻率為50Hz,，負載由三相串聯(lián)RL和三相不控整流橋組成含有諧波的無功負載源,，用階躍信號控制開關(guān)使負載發(fā)生變化，負載在0.075s處發(fā)生變化,，變化前有功功率為30KW,，無功功率20 kvar，變化后有功功率40KW,，無功功率56 kvar,；在0.175s負載恢復(fù)到變化之前。以A相為例，A相電壓和A相負載電流如圖14所示,。

　　同時檢測電源側(cè)補償后的電流,、SVG輸出的電流以及智能電容輸出的電流，如圖15所示,。

　　在負載變化之前,，系統(tǒng)總無功為20 kvar，未超過SVG的補償范圍,，因此智能電容不用投入系統(tǒng),，此時系統(tǒng)無功全部由SVG完成補償；當負載在0.075s變化后,，系統(tǒng)檢測到無功功率變大,，計算出需要投切智能電容的個數(shù)為2，SVG需要補償?shù)臒o功功率為16,kvar,，此時智能電容還不能立刻完成投切,，需要等到下一個周期完成投切,，而SVG響應(yīng)速度很快,，二者共同完成系統(tǒng)無功補償；在0.175s時，負載恢復(fù)到初始狀態(tài)，在下一個周期，智能電容完成切除,，恢復(fù)到初始狀態(tài),。

　　3,、系統(tǒng)設(shè)計與實驗結(jié)果

　　3.1實驗平臺設(shè)計

　　實驗平臺整體結(jié)構(gòu)圖如圖16所示,?；贒SP完成檢測部分設(shè)計，利用傳感器將各類電壓和電流信號進行采集,，并經(jīng)過信號調(diào)理電路傳輸給DSP,，經(jīng)過DSP計算完成無功電流檢測,。通過DSP計算進行無功分配,，并且計算出SVG電流控制指令，生成PWM控制信號,，經(jīng)過光纖隔離電路傳輸給IGBT驅(qū)動器，并完成IGBT驅(qū)動控制,；同時在條件滿足的情況下,將智能電容的投切控制指令通過485通信傳輸給各個智能電容,，通過兩者共同協(xié)作完成無功補償,。針I(yè)GBT及其驅(qū)動以及智能電容開關(guān)電路進行設(shè)計,。

3.1.1IGBT及其驅(qū)動

　　所設(shè)計的SVG容量為7.5kvar,，根據(jù)SVG的工作,額定電流和額定電壓值，同時考慮到后期擴容的需要，選用某公司生產(chǎn)的的三電平IGBT模塊，該三電平模塊是專門為三電平逆變電路設(shè)計，為T型結(jié)構(gòu),。選用PSPC432-EP4驅(qū)動器,。

　　PSPC432-EP4型號的驅(qū)動器故障保護包含短路保護、過流保護和電壓欠壓保護等,，當時產(chǎn)生故障時,，可以自行封死每個IGBT,，同時向外部發(fā)出故障信號；驅(qū)動器同時可以接收外部故障輸入信號,，當控制器主動發(fā)出故障控制信號時,，可以將各個IGBT封死，達到保護功能,。PSPC432-EP4型號的驅(qū)動器接口具體引腳如表2所示,。

3.1.2智能電容投切開關(guān)電路

　　采用可控硅作為投切開關(guān)，可以控制智能電容分別在電壓與電流過零點時投入與切除,，但是功耗較高,。采用磁保持繼電器作為投切開關(guān)，可以實現(xiàn)低功耗,，但是難以實現(xiàn)過零點投切,。基于此,，采用基于可控硅和磁保持繼電器并聯(lián)組成的新型投切開關(guān),。利用可控硅完成過零點投切，在正常工作時,，大部分電流是通過磁保持繼電器,，實現(xiàn)低功耗。

　　所采用磁保持繼電器是單線圈設(shè)計,，閉合,、斷開靠線圈正負極換向完成，這里采用開關(guān)式繼電器進行換向,。另外，可控硅模塊由兩個反并聯(lián)可控硅構(gòu)成,，在控制可控硅時,，通過隔離變壓器實現(xiàn)正負半周期觸發(fā)驅(qū)動可控硅，電路結(jié)構(gòu)如圖17所示,。

　　3.2實驗結(jié)果分析

　　由于不能提供大量無功負載源,，在實際實驗中，目前只完成了SVG和一臺智能電容的混合運行測試,，SVG的補償能力約為7.5kvar,，智能電容容量為5kvar。三相電源相電壓為220V,，頻率為50Hz,，實驗負載有功功率約為,10kw,，無功功率約為8kvaro

　　以A相為例，補償前結(jié)果如圖18所示,，補償后結(jié)果如圖19所示,。由圖可以看出，補償后A相電流和A相電壓相位基本重合,，補償效果良好,。

　　4、安科瑞AZC/AZCL智能集成式電容器介紹

　　4.1概述

　　AZC系列智能電容器是0.4KV,、50Hz 低壓配電節(jié)能,、降低線損、提高功率因數(shù)和電能質(zhì)量的新一代無功補償設(shè)備,。它由智能測控單元,，晶閘管復(fù)合開關(guān)電路，線路保護單元,，兩臺共補或一臺分補低壓電力電容器構(gòu)成,。替代常規(guī)由熔絲、 復(fù)合開關(guān)或機械式接觸器,、熱繼電器,、低壓電力電容器、指示燈等散件在柜內(nèi)和柜面由導(dǎo)線連接而組成的自動無功補償裝置,。改變了傳統(tǒng)無功補償裝置體積龐大和笨重的結(jié)構(gòu)模式,，從而使新一代低壓無功補償設(shè)備具有補償效果更好，體積更小,，功耗更低,，價格更廉，節(jié)約成本更多,，使用更加靈活,，維護更方便，使用壽命更長,，可靠性更高的特點,，適應(yīng)了現(xiàn)代電網(wǎng)對無功補償?shù)母咭蟆?/p>

　　AZC系列智能電容器采用定制段式LCD液晶顯示器，可實時顯示三相母線電壓,、三相母線電流,、三相功率因數(shù)、頻率,、電容器路數(shù)及投切狀態(tài),、有功功率、無功功率、諧波電壓總畸變率,、電容器溫度,。

　　在AZC基礎(chǔ)上，AZCL系列智能集成式電力電容補償裝置串接合適電抗率（7%適用于5/7次以上諧波環(huán)境,，14&適用于3/5/7次以上諧波環(huán)境）的電抗,，抵制諧波，避免諧振放大諧波,，保護電容柜本身壽命,。

4.2應(yīng)用場合

　　醫(yī)院類、商業(yè)中心,、數(shù)據(jù)中心,、變頻器行業(yè)、光伏行業(yè),、港口/油田類,、化工/冶煉類...

　　4.3安科瑞AZC/AZCL系列智能電容器的選型

　　AZC智能電力電容補償裝置

AZCL智能集成式電力電容補償裝置

　　5、結(jié)束語

　　基于“SVG +智能電容”混合式無功補償系統(tǒng),，利用智能電容器補償主要的無功,，利用SVG來補償智能電容分級補償欠補的無功，可實現(xiàn)低成本大容量快速連續(xù)補償,。首先針對混合系統(tǒng)中SVG的電流跟蹤控制策略進行研究和分析,，采用了加權(quán)式并聯(lián)型重復(fù)控制，不僅除掉了因重復(fù)控制延時控制引起補償電流的畸變,，同時提高了SVG的動態(tài)性能,，從而提高了整體混合式系統(tǒng)的補償效果。然后基于混合無功補償系統(tǒng)運行特性的分析,，給出了無功分配原則,。研制了一套混合式無功補償系統(tǒng)，實驗結(jié)果表明,，系統(tǒng)可以對無功電流進行補償,。目前只完成了SVG和一者智能電容的運行測試，需要進一步實現(xiàn)SVG與多臺智能電容器測試與分析,，同時需要對系統(tǒng)中各個模塊工作暫態(tài)進行分析,。