摘要：為了實現(xiàn)低成本、準(zhǔn)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(jìn)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(fù)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(jìn)行分析，給出系統(tǒng) 無功分配控制方法。后以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(jìn)行有效的補償。
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(jìn)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(jìn)行補償；針對小容量、電容欠補的無功,利用SVG進(jìn)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，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(tǒng)中，當(dāng)負(fù)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(jìn)行分析，給出無功分配原則。基于此，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(jìn)行有效的補償。
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?；旌鲜綗o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(fù)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(jìn)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(dá)到準(zhǔn)確的無功補償，進(jìn)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(hù)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(jìn)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(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(dāng)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(dāng)k值越大，可以補償?shù)南辔粶缶驮酱?，合理的選擇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(jìn)行分析。以SVG的A相為例, 被控對象在s域的表達(dá)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(dāng)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，但是從階躍后的第二個周期開始，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(qiáng)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,消除由重復(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(qiáng)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(dāng)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(jìn)一步對其進(jìn)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(fù)載源，用階躍信號控制開關(guān)使負(fù)載發(fā)生變化，負(fù)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(jìn)的60°SVPWM算法。
圖9為A相電壓和A相負(fù)載電流，其中負(fù)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(jìn)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(dāng)權(quán)值比增大，補償后電流的畸變変小。
為了進(jìn)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(jìn)行多次試驗，利用FFT對負(fù)載突變后的電流進(jìn)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(dāng)時β/α=2~3左右時，補償后電流的THD??；當(dāng)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(dāng)β/α=1時，其功率因數(shù)接近于1，但是在負(fù)載突變時，功率因數(shù)幅值變化較大，動態(tài)性能較差；當(dāng)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(jìn)一步通過SVG完成級與級之間的無功補償，后實現(xiàn)對無功的準(zhǔn)確補償。另外，在SVG補償能力范圍之內(nèi)，都由SVG進(jìn)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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；
（3）KIc＜IQ≤ KIc+3ISVGmax/4，當(dāng)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；
（4）KIc-3ISVGmax/4＜IQ≤ KIc+3ISVGmax/4，當(dāng)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(fù)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(fù)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(fù)載源，用階躍信號控制開關(guān)使負(fù)載發(fā)生變化，負(fù)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(fù)載恢復(fù)到變化之前。以A相為例，A相電壓和A相負(fù)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(fù)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(dāng)負(fù)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(fù)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(jìn)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(jìn)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，并終完成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，終通過兩者共同協(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(jìn)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(kuò)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(hù)包含短路保護(hù)、過流保護(hù)和電壓欠壓保護(hù)等，當(dāng)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(dāng)控制器主動發(fā)出故障控制信號時，可以將各個IGBT封死，達(dá)到保護(hù)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?；诖?，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(fù)極換向完成，這里采用開關(guān)式繼電器進(jìn)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(fù)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(fù)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(fù)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(hù)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(jī)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(hù)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?/span>
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，可有效抵制諧波，避免諧振放大諧波，保護(hù)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(jìn)行研究和分析，采用了加權(quán)式并聯(lián)型重復(fù)控制，不僅消除了因重復(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。后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(jìn)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(jìn)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(jìn)行分析。
【參考文獻(xiàn)】
