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(quán)式并聯(lián)型重復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。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，當負載發(fā)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(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。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(nèi)模原理建立的，完整的數(shù)字式重復控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。
其中Q(z)會影響重復控制的穩(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，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)型重復控制
基于上述分析，提出采用加權(quán)式并聯(lián)型重復控制的電流跟蹤控制策略，并選擇較佳權(quán)值比來均衡PI和重復控制的作用。
加權(quán)式并聯(lián)型重復控制是在PI和重復支路上加入加權(quán)系數(shù)α和β，均衡PI和重復控制的作用，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)時重復控制的作用,在保證穩(wěn)定性的前提下,消除由重復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?。划?beta;/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，后實現(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；
（3）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；
（4）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，負載恢復到初始狀態(tài)，在下一個周期，智能電容完成切除，恢復到初始狀態(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，保護電容柜本身壽命。
4.2應用場合
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(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(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。
【參考文獻】
