鏈式靜止無功發生器直流側電壓穩定性分析

鏈式靜止無功發生器（SVG）是無功補償最具代表性的技術之一，在電力系統的穩定中具有很高的技術地位。在電網中并聯靜止無功發生器，即配置一個可以控制的無功電流源，根據負荷無功電流的起伏無功發生器的電流也隨之變化，實時自動補償到電網之中。鏈式SVG在直流一側通常選擇電容電壓作為基點，保證電壓的穩定是SVG正常工作的前提，因此對SVG直流側電壓的穩定分析就顯得尤為重要。文章主要介紹了鏈式靜止無功發生器的工作原理，對其直流側電壓的穩定性進行簡要分析。

鏈式靜止無功發生器的運行原理

為了達到實時無功補償的功能，使得電力橋式半導體型式的變流器具備自換相的性能，這種電力裝置就是鏈式靜止無功補償發生器。比如把相量SU 當做電網的電壓，相量IU 當作無功補償發生器輸出端的交流電壓，則SU 與IU 之差等于LU ，即連接電抗X上的電壓，并且這個電壓可以對通過自身的電流進行有效控制。而此時的電流就是無功補償裝置在電網中所吸收的值I 。如果忽略變流器和電抗中的損耗，無功補償裝置的運轉機理就能理解為圖1中所標識那樣。這樣的話，僅僅需要IU 和SU 相位相同，在IU 的幅值改變中就能實現無功補償裝置吸收電網電流的有效控制。

直流側電壓的控制

由無功補償裝置的原理運行圖可以看出，如果把它看作是一個交流電源的話，想要改變和控制交流側電流的大小，只需調節其電壓的幅值大小和相位就可以實現。

由此可知穩定狀態下無功發生器吸收電網的有效有功和無功電流值為：

即穩態下角δ和變流器交流側基波電壓值相對應，如圖4中VI和δ的曲線關系所示。

如此，便最簡單的控制方式便脫穎而出，如圖5所示。參考的無功電流值IQref疊加一個系數作為角δ的初始命令，抑或直接取消比例系數，把IQref直接定為角δ的運行命令來操控SVG，使SVG對無功電流的實際吸收值按照式（3）或圖4標示的關系進行變化。圖5b所示為波形原理，表達了變流器交流側輸出為方波的情況，圖中線電壓為vS與vI，而電流基波分量為i1。穩態前提下，δ角和基波有效值VI滿足式5所示的相對應關系，因此δ角的改變，方波脈寬θ不變時，VI同樣會隨之變化。現實中，由于變流器直流側電壓的變化會引起δ的變化，也就是VI自動的隨之變化。δ角變化后的暫態調節中，一部分有功電流將會被吸收，伴隨著一些現象的出現，比如直流側電容的充放電，直接導致Vd電壓的波動，間接地還會影響到交流側幅值電壓的波動，實現調節的目的。當穩態形成后，直流側電壓也會穩定在一定的幅值上，而相對應的交流側電壓基波幅值同樣滿足式（5）。

在以上控制基礎上實現對無功電流的吸收反饋信號采集和管控，見圖6所標識，這種做法會大幅提高無功電流在反饋速度和精度上上控制效果。在諸多的方法中，最快捷的檢測方法是dqo坐標變換法和基于瞬時無功功率理論。

根據穩態時角δ與交流側電壓基波有效值VI應有的相對應關系，變流器交流側方波脈沖寬度角θ和超前角δ進行相互協調的調控，可以快速的將VI達到穩定狀態，即通過直接改變變流器交流側輸出方波脈沖的寬度來使VI調節到為了得到目標δ穩定值，可以通過交流側脈沖方波的調節實現，也就是直接改變交流側變流器的的方波寬度，其中SVG控制響應也會大大提高，同時還可以保持直流電壓的穩定，對裝置本身來說非常有利。但是，這種控制方式的關鍵在于δ角和θ角的控制信號必須非常密切的配合，由式（5）中可知，主電路的參數對這個配合關系影響占主要部分，所以主電路的相關參數必須為已知量，一旦主電路參數有所誤差，將會對這種控制方式產生一定的影響。除此之外，要想真正保持直流電壓恒定，有時還要對其電壓進行檢測反饋，以矯正控制參數的設置。

圖7中展示的是一種采用δ角和θ角相配合的控制方式，ωL是SVG連接電抗的參數。該控制方式的一個特點就是增加了電流反饋控制。因為在變換坐標的時候，三相電源電壓和d軸具有相同的旋轉空間矢量方向，可見SVG從電網吸收的有功電流的大小由圖中SVG電流的d軸分量Id反映出來。這種控制方式中，有功功率的參考值為調節器輸出值，同時選擇直流側反饋電壓的控制方法。

圖8給出了δ和θ角配合協調控制的第二種方法。直接把無功電流值設定為脈沖寬度θ角的控制調節信號源。信號源一旦產生變化，θ角就會隨之發生變化，而δ角不會出現明顯波動，這就使得無功補償裝置對多余的有功電流形成了吸收效果，從而額引起直流側電壓的不穩定波動。然而，正是由于無功補償裝置具有的直流電壓反饋控制作用，δ角的變化會與θ角達到穩定的狀態。利用這種方法進行控制，其反饋調節簡單，δ角和θ角的穩態調節也比較容易實現，與第一種方法比較起來，反饋速度上并沒有太大優勢，但不失為理論實踐的另一種選擇。endprint

以上對電流間接控制方法的介紹都是以變流器交流側輸出電壓方波為例的，實際上諧波的減小，還可以利用PWM控制技術或者數個變流器聯合的方式來實現年，然而對δ和θ角的控制方式是一樣的。只是在對θ角的控制中，多重變流器的聯結控制對于每個變流器的控制指令都一樣，也不過是簡單的累加，然而PWM控制技術在應用中，改變了變流器的控制方式，而是將其變成對單周波中的PWM脈沖進行脈沖寬度比例調節。

對于較大容量無功補償裝置的使用地方，間接電流的調節控制方法應用選擇較多，這是由于大容量場合，電子器件對開關頻率具有一定的限制。還有，處于類似的理由，較大容量的無功補償需要考慮諧波的消除，而消除方法也只有疊加的方法，也就是PWM的脈沖技術應用。

串聯混合型電力有源濾波器的控制措施

濾波器裝置的配置可以對電網中的諧波電流實現實時的檢測和控制，甚至達到消除的效果。對于利用電流開間接或者直接控制無功補償的裝置關鍵參數來說，對PWM變流器的有效控制，才能實現無功補償裝置的功能效果。PWM技術可以再一定程度上產生諧波電壓，滿足基波阻抗值將為0值的濾波效果。同時實現對諧波具有電阻性質的作用，保證電力系統的穩定運行。

瞬時諧波電流的檢測方法，計算比較繁瑣復雜，并且控制方式也比較復雜，依托于模擬電路實現功能控制的話，戶會引起許多問題，像電路龐大繁瑣，調試也比較困難，維修維護工作量大等。況且，模擬電路器件本身也具有一定的誤差和延遲，對控制精度的影響會變大。最重要的是在模擬計算中，純滯后延遲的計算基本無法實現。而數字電路則可保證較高的計算精度，而且實現純滯后延時環節比較容易。特別是采用微機控制時，調試和改變控制參數或方法非常方便。因此，采用由微機控制的數字電路的方案。然而，若用MCS51、96等普通微處理器作CPU，對這樣大量的運算和控制很難勝任，難以充分實現所采用的諧波電流檢測方法的瞬時性。不久前，有一款新型數字信號處理器出現在行業內，引起了不小的重視，使得由微機實現上述控制方法成為可能。

按照控制系統的實際需要，圖9給出了控制方式簡圖。vT和iS信號均從主電路中獲取，計算出瞬時無功功率q和瞬時有功功率p，通過濾波器消除交流值，剩余未直流成分p和q就是電壓vT分別與iS中的基波有功分量和基波無功分量作用的結果，再由p和q以及vT反向計算出電流，從而得到iS中的基波成分iSf，將其從iS中減去，即得諧波電流iSh。再乘以增益K，即生成了補償電壓指令vC。經過PWM控制信號的生成環節，去電力MOSFET的驅動電路，最終控制4個電力MOSFET的通斷，使變流器產生所期望的補償電壓vC。

直流側電壓下降的原因很多，比如變流器自身的能耗就會引起這樣的效果，而變流器必須保持正常運行且必不可少，要想得到一個穩定的電壓值，必須實時對vT與iS進行信號檢測，同時對直流側電壓也要實行檢測措施。

串聯混合型電力有源濾波器中的變壓器是變流器串聯到電路中的途徑，由此對電壓實現補償作用，所以它的共考慮概念比較模糊，無法和有源濾波器相比。然而，經過我們的努力研究發現，要想達到對有功功率的吸收明顯效果，變流器在基波作用下的瞬時功率也要具有一定明顯值，這時只要把變流器產生與電源基波電流同相位的基波電壓，就可以達到目的。反之，如果出現反相位的電壓，就等于并聯負載發出有功功率了。一樣的情況，只有單個儲能原件的直流電容存在于變流器中，其吸收或發出的功率定會引起直流電壓的波動。由此可知，我們可以利用變流器的補償電壓，在其指令中附加一定的基波電壓分量，實現調節其直流側電壓值的效果。以此，直流電壓調控方法便成型了。見圖9示例，vd的給定值與反饋值比較之后的偏差，經PI調節器，與諧波電流檢測中算出的p相減。這時，在算出的電流值中加上了額外的基波成分ΔiSf，基波成分已經存在于 電壓指令當中，基波電壓和諧波電壓最紅可以同時產生。這個基波電壓與iS中的基波成分相作用，控制變流器中的能量流動，以維持直流電壓vd的恒定。

結論

根據鏈式靜止無功發生器的運行原理，從運行中的控制電流方式上對直流側電壓穩定性進行了簡要的剖析。在現實的研究應用中，這種電流控制方式也是極具重要意義。在模擬電路的設計中，要進行很多原理性的計算，這些也是我們技術人員應該著重注意的地方。一個小數點的錯誤有可能導致整個設備裝置的失誤，影響整個工程的進展。所以我們要在提高科技水平的同時，也提高我們的理論計算能力，幫助我們更好的應用到實際工作中去。隨著新科技手段的不斷發展，理論知識的持續研究創新，不久的將來會有更多的方式方法來豐富我們的無功補償技術，來解決我們的實際問題。

參考文獻

[1]程林，何劍.電力系統可靠性原理和應用[M].北京：清華大學出版社，2015.

[2]陳堅.電力電子學——電力電子變換和控制技術[M].北京：高等教育出版社，2004.

[3]程文，卜賢成.低壓無功補償實用技術[M].北京：中國電力出版社，2012.

（作者簡介：溫筱波，東風柳州汽車有限公司。）endprint