摘要：為了實現低成本、準確地大容量無功補償，設計了一種基于“SVG +智能電容”混合式無功補償系統。系統由一臺高精度補償的小容量靜止無功發生器(Static Var Generator, SVG)和多臺智能電容組成。首先對混合系統中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控制在負載突變時導致補償電流畸變的問題，提出采用加權式并聯型重復控制的電流跟蹤控制策略。然后對整體系統的運行特性進行分析，給出系統 無功分配控制方法。后以TMS320F28335作為混合式系統的核心控制器,設計了一套混合式無功補償系統。通過仿真和試驗結果表明，混合無功補償系統可以對無功電流進行有效的補償。
關鍵詞：混合式無功補償；靜止無功發生器；智能電容；重復控制
引言
隨著電力電子技術的發展，無功補償系統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勢，但其只能分級補償，不能治理閃變和不平衡。SVG已經代表了新一代的無功補償系統，其調節速度快，運行范圍寬，可治理補償電流中的諧波。 然而，大容量的SVG結構復雜，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進行研究，其中“SVG + TSC”形式的混合無功補償裝置應用較為廣泛，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常規電流的跟蹤控制策略，具有結構簡單且易于實現等特點，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。采用重復控制，有效的解決了周期性信號跟蹤和擾動治理的問題。但是在SVG控制系統中，當負載發生突變時，重復控制由于滯后一個周期控制的特性，導致SVG補償后的電流發生畸變。
結合基于TSC發展而來的智能電容和SVG的優勢，采用“SVG +智能電容”形式的混合無功補償方式。針對SVG常規電流跟蹤控制策略的不足，引入加權式并聯型重復控制，可以得到更好補償效果。對混合整體系統的運行特性進行分析，給出無功分配原則。基于此，設計一套三相混合式無功補償系統。實驗結果表明，所設計的系統能夠對無功電流進行有效的補償。
1、混合式無功補償系統整體結構
所研究的混合式無功補償系統主要由一個SVG和多個智能電容并聯組成，其結構如圖1所示。混合式無功補償系統以SVG的控制器為無功協調控制中心，首先利用電壓電流傳感器實時檢測電網電壓和電流以及負載側電流信號，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，并得到需要補償的總無功，然后根據無功分配原則計算出需要投切智能電容的數量，并通過RS485通訊方式控制智能電容的投切，同時計算出SVG需要補償的無功電流，通過控制SVG達到準確的無功補償，進而實現整個系統的無功補償。 智能電容也同時檢測電網的電壓和電流信號，采集得到的數據通過計算和分析，判斷是否發生過流、過壓、過熱 等故障，并及時切除工作電容器，保護主電路。
根據對混合式無功補償系統組成結構以及工作原理的分析，主要針對混合式無功補償系統中SVG的補償控制以及整體混合式無功補償系統的控制方法進行研究。
2、混合式無功補償系統的補償控制
2.1 混合式無功補償系統中SVG的補償控制
2.1.1重復控制分析
SVG的電流跟蹤控制策略常采用PI控制，PI控制的結構簡單且易于實現，但是PI控制對周期性信號跟蹤能力和治理擾動能力較差。重復控制可以有效的解決了周期性信號跟蹤和擾動治理的補償問題。重復控制理論是基于內模原理建立的，完整的數字式重復控制結構如圖2所示。
其中Q(z)會影響重復控制的穩定性,Q(z)一般設置為一個小于且接近于1的常數，或者也可以設置為一個具有低通濾波性質的函數，當Q(z) =0.95時，重復控制內模環節的伯德圖如圖3所示,此時系統是處于穩定狀態。
電網工頻f=50Hz，系統開關頻率設置為fs=25.6kHz。一個基波周期的采樣點數為:
S(z)主要作用是使系統髙頻段衰減。S(z)可設置為一個二階低通濾波器，截止頻率設置為2kHz，fs=25.6kHz.因此，S(z)設置為；
加入和未加入濾波器時系統伯德圖如圖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用來控制穩定裕度和誤差收斂速度，取值范圍為0-1，Zk為相位補償環節，當k值越大，可以補償的相位滯后就越大，合理的選擇k可以很好的補償S(z)Gp(z)的相位，由系統特征方程得出系統穩定條件| Q(z) -Krs(z)P(z)|等于或者小于1，經過仿真測試設置為K=6，Kr=0.95。
首先對重復控制進行分析。以SVG的A相為例, 被控對象在s域的表達式為；
式中交流側輸出電感La=0.8mH；線路等效電阻Ra =0.003Ωo
設置輸入信號iref為一個階躍信號，在0.02s處發生階躍變化，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，結果如圖5所示。
由圖5可以看出，當指令信號發生階躍時,輸出信號雖然可以快速響應，跟隨輸入，但是從階躍后的第二個周期開始，會出現周峰值呈衰減趨勢的誤差突變信號。在SVG控制系統中，這必然會導致補償后的電流發生畸變。
2.1.2加權式并聯型重復控制
基于上述分析，提出采用加權式并聯型重復控制的電流跟蹤控制策略，并選擇較佳權值比來均衡PI和重復控制的作用。
加權式并聯型重復控制是在PI和重復支路上加入加權系數α和β，均衡PI和重復控制的作用，其結構如圖6所示。
加權式并聯型重復控制目的是為了加強動態時PI控制的作用，同時削弱了穩態時重復控制的作用,在保證穩定性的前提下,消除由重復控制引起的信號畸變。
設定權值時需滿足α+β=1,隨著權值比β/α增大，逐漸削弱重復控制的作用，加強PI控制的作用。圖7是設置不同β/α時，系統開環的伯德圖(未包含內模)。PI參數根據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，系統的帶寬越大，系統動態性能越好。
圖8是設置不同β/α時，系統指令信號發生階躍變換后，系統輸出的幅值變化。由圖8可以看出，隨著β/α的增大，由重復控制引起的峰值變化越小。
增大權值比β/α不僅可以消減峰值變化，同時還可以提高系統動態性能。但是權值比并非越大越好, 當權值比越大，重復控制作用越弱，系統穩定時的補償精度也隨之較低，所以權值比可折中選取，文中在仿真中進一步對其進行分析。
在Matlab/Simulink環境下建立三電平SVG仿真模型，系統參數設置：三相電源相電壓為220V，頻率為50Hz，直流側電容為4000μF，輸出電感為0.8mH，線路等效電阻,0.003Ω，開關頻率為25.6kHz，由三相串聯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使負載發生變化，負載突變前設置有功功率為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，系統所研究的三電平SVG，其主電路為三電平結構的逆變電路，其調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時發生突變。
電流跟蹤控制設置為加權式并聯型重復控制。同時,設置三個不同權值比（β/α）進行實驗分析，權值比分別設置為β/α= 1，β/α=2和β/α=3，每種權值比的補償結果如圖10所示。由圖10可以看出，加權式并聯型重復控制可以消弱補償結果的畸變，當權值比增大，補償后電流的畸變変小。
為了進一步分析權值比對系統補償控制的影響，設置11組不同的權值比進行多次試驗，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，得到不同權值比下補償后的電流畸變率，經擬合得出畸變率隨權值比的變化趨勢，結果如圖13所示。
由圖11可以看出，權值比并非越大越好，當時β/α=2~3左右時，補償后電流的THD小；當β/α太大時，系統補償后的電流THD反而增大。
不同權值比的系統補償后的功率因數如圖12所示。由圖可以看出，當β/α=1時，其功率因數接近于1，但是在負載突變時，功率因數幅值變化較大，動態性能較差；當β/α=2和β/α=3時，系統的動態性能提高了，穩態時功率因數雖有所下降，但降幅較小，系統整個補償過程中的功率因數變化平穩、波動小。綜合上述分析，設置權值比β/α=3。
2.2混合式無功補償系統無功分配控制方法
在混合式無功補償系統中，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的補償原理如圖13所示。由圖13可以看出，系統總無功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，后實現對無功的準確補償。另外，在SVG補償能力范圍之內，都由SVG進行補償，盡量減少智能電容投切的次數。
系統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需要補償的無功電流，記為IQ。單個智能電容可以補償的無功電流，記為Ic。SVG補償輸出的無功電流記為ISVG，智能電容的總數記為N，當前時刻應該投入個數為n，定義K為不超過IQ/Ic的大整數，混合系統無功分配規則如表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，由SVG發出感性無功予以補償；
（3）KIc＜IQ≤ KIc+3ISVGmax/4，當0＜K＜N時，此時投入智能電容數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, 由SVG發出容性無功予以補償；
（4）KIc-3ISVGmax/4＜IQ≤ KIc+3ISVGmax/4，當K＜0時，此時需要補償的無功較小，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 ，起到了節省SVG動態輸出 容量的作用，避免SVG一直處于滿負荷輸出狀態。
在Matlab/Simulink環境下建立混合補償系統，設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，所以系統總體補償容量為-25kvar~ 105kvar。
系統仿真參數：三相電源相電壓為220V,頻率為50Hz，負載由三相串聯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使負載發生變化，負載在0.075s處發生變化，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，此時系統無功全部由SVG完成補償；當負載在0.075s變化后，系統檢測到無功功率變大，計算出需要投切智能電容的個數為2，SVG需要補償的無功功率為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響應速度很快，二者共同完成系統無功補償；在0.175s時，負載恢復到初始狀態，在下一個周期，智能電容完成切除，恢復到初始狀態。
3、系統設計與實驗結果
3.1實驗平臺設計
實驗平臺整體結構圖如圖16所示。基于DSP完成檢測部分設計，利用傳感器將各類電壓和電流信號進行采集，并經過信號調理電路傳輸給DSP，經過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，經過光纖隔離電路傳輸給IGBT驅動器，并終完成IGBT驅動控制；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，終通過兩者共同協作完成無功補償。針IGBT及其驅動以及智能電容開關電路進行設計。
3.1.1IGBT及其驅動
所設計的SVG容量為7.5kvar，根據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計，為T型結構。選用PSPC432-EP4驅動器。
PSPC432-EP4型號的驅動器故障保護包含短路保護、過流保護和電壓欠壓保護等，當時產生故障時，可以自行封死每個IGBT，同時向外部發出故障信號；驅動器同時可以接收外部故障輸入信號，當控制器主動發出故障控制信號時，可以將各個IGBT封死，達到保護功能。PSPC432-EP4型號的驅動器接口具體引腳如表2所示。
3.1.2智能電容投切開關電路
采用可控硅作為投切開關，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，可以實現低功耗，但是難以實現過零點投切。基于此，采用基于可控硅和磁保持繼電器并聯組成的新型投切開關。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，實現低功耗。
所采用磁保持繼電器是單線圈設計，閉合、斷開靠線圈正負極換向完成，這里采用開關式繼電器進行換向。另外，可控硅模塊由兩個反并聯可控硅構成，在控制可控硅時，通過隔離變壓器實現正負半周期觸發驅動可控硅，電路結構如圖17所示。
3.2實驗結果分析
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，補償前結果如圖18所示，補償后結果如圖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 低壓配電節能、降低線損、提高功率因數和電能質量的新一代無功補償設備。它由智能測控單元，晶閘管復合開關電路，線路保護單元，兩臺共補或一臺分補低壓電力電容器構成。替代常規由熔絲、 復合開關或機械式接觸器、熱繼電器、低壓電力電容器、指示燈等散件在柜內和柜面由導線連接而組成的自動無功補償裝置。改變了傳統無功補償裝置體積龐大和笨重的結構模式，從而使新一代低壓無功補償設備具有補償效果更好，體積更小，功耗更低，價格更廉，節約成本更多，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，適應了現代電網對無功補償的更高要求。
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、頻率、電容器路數及投切狀態、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次以上諧波環境，14&適用于3/5/7次以上諧波環境）的電抗，可有效抵制諧波，避免諧振放大諧波，保護電容柜本身壽命。
4.2應用場合
醫院類、商業中心、數據中心、變頻器行業、光伏行業、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、結束語
基于“SVG +智能電容”混合式無功補償系統，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，可實現低成本大容量快速連續補償。首先針對混合系統中SVG的電流跟蹤控制策略進行研究和分析，采用了加權式并聯型重復控制，不僅消除了因重復控制延時控制引起補償電流的畸變，同時提高了SVG的動態性能，從而提高了整體混合式系統的補償效果。然后基于混合無功補償系統運行特性的分析，給出了無功分配原則。后研制了一套混合式無功補償系統，實驗結果表明，系統可以對無功電流進行有效補償。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SVG與多臺智能電容器測試與分析，同時需要對系統中各個模塊工作暫態進行分析。
【參考文獻】
上一篇 : 智能集成電力電容器在箱式變無功補償裝置中的應用
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