一種新型靜止無功發生器的設計與實現

湯茂然

摘 要：靜止無功發生器（SVG）是目前無功補償技術領域的代表，可以有效補償無功和抑制諧波，提高功率因數，改善電能質量。文章在分析了SVG的基本原理和結構的基礎上，選擇了I型三電平三橋臂結構逆變器作為SVG的主電路，選擇了基于DSP+FPGA的矢量發生器作為系統的主控制器。最后，借助示波器和功率分析儀對樣機進行試驗測試和分析，測試了系統在無功補償、諧波補償以及目標功率因數下的實際補償效果，分析了系統無功補償和諧波補償性能，通過實驗再次驗證了整個新型SVG系統的可行性和有效性。

關鍵詞：靜止無功發生器；電能質量；三電平；DSP+FPGA

目前我們國家的經濟發展水平還處在騰飛時期，這一切都不能沒有電，因此，用電的需求只會有增無減。所以，怎樣把電能質量提高，且穩定高效地運行的問題日益顯現。首先要考慮的就是如何把無功量降下來，如果忽略電網系統中的無功量，任其一直攀升，肯定會導致大量的電壓損失和電能損耗，還會造成電壓跌落，這對于電能質量也有很壞的影響，不利于電力系統安全高效運行[1]。

相對于其他的各類武功補償裝置而言，靜止無功發生器（Static Var Generator，SVG）具有響應計時、運行損耗和噪音更小、便于維護等優勢，該裝置可以對無功功率進行動態連續補償，可以非常有效地將負序無功電流、電流突變以及諧波等情況進行改善，因此該技術很快就得到了快速發展，成為智能無功補償技術領域的代表。

1 新型SVG的總體方案設計

本文根據實際需求設計一款補償容量為±200 kVar，用于電壓等級為380 V的SVG系統，既可以單獨使用，也可以進行大容量大功率的動態連續補償，比如用在軋鋼廠、地鐵、港口、整流和感應加熱設備等復雜場合的負載上，新型SVG規格要求如表1所示。

1.1 SVG的補償原理

SVG采用橋式電路結構，其工作原理是將能夠自換相的橋式電路接入電網，中間可以加入電抗器，也可以直接并電網上，并通過控制逆變器開關器件的通斷來控制輸出電壓電流的幅值和相位，整個裝置類似一個可調相的交流源，通過監測分析電網電流無功分量，吸收或者發出相位相反，大小相同的電流來平衡無功[2]，其工作原理如圖1所示。

從一定意義上說，可以把SVG等效成交流源，并且它的幅值和相位可調，其頻率和電網一致，但它本身還是有一定損耗的，需要將其等效到電抗上電阻一起考慮。SVG系統的單相等效電路如圖2所示，其中電抗上的電壓等于X兩端電壓和R兩端電壓的向量和，也等于和之間的向量差。

由于逆變器沒有有功損耗，與相位差仍為90°，但是電網側的電壓與卻不一樣，他們之間的相位差跟90°還有一個δ角，實際上是會有有功損耗的，而這個損耗又需要電網來給予補償，向量差其實就是這個δ角，因此只要控制δ角以及的幅值，電流就得到了有效控制，以此來補償無功[3]。

1.2 新型SVG主電路設計方案

SVG主電路的核心部分其實就是一個逆變器電路。逆變器的結構類型目前主要有3種：兩電平、三電平和多電平逆變器。考慮到逆變器的損耗、設計成本以及簡化控制等問題，選擇了三電平逆變器作為SVG的主電路設計方案[3]。對于三相四線制三電平SVG系統，其拓撲結構主要有三橋臂和四橋臂兩種。三橋臂SVG要比四橋臂少了一個N橋臂，因此其零序補償能力稍弱一些，但通過電容分壓方式，其結構與三相三線制基本相同，不需要額外的硬件，開關狀態少，控制容易，易擴展，且成本較四橋臂低得多。并且如果采用全數字化控制方法，可以及時高效地計算出指令電流，也可以自由選擇補償模式，因此，三電平三橋臂SVG適用性更廣，故采用三橋臂結構。

由于傳統的二極管鉗位三電平電路的損耗過于集中，會導致局部過熱，因此對其進行了改進，將二極管鉗位三電平電路改為有源鉗位三電平電路，使其內管損耗部分轉移到鉗位管，有效地分散了內管損耗，解決了局部過熱問題，從而使系統穩定性得到提高，改進后的三電平逆變器主電路如圖3所示。

1.3 控制電路的設計與選型

新型SVG采用DSP和FPGA相結合的控制方案來實現矢量發生器選擇的DSP芯片是TI公司的TMS320F28377DZWT芯片，它是一款32位雙核處理器，性能非常強大，其結構上采用核心板加底板方式設計，尺寸為130 mm×90 mm，底板采用沉金無鉛工藝的兩層板設計。另外，FPGA則采用功耗小、成本低、但速度快的高性能10M02SCU169I7G芯片，用于輔助DSP對系統進行控制[4]。

1.4 新型SVG總體結構框圖

通過對SVG的原理、系統構成以及主電路逆變器拓撲的分析，并對采樣、濾波、控制等電路進行設計，整個系統的結構框架如圖4所示。

1.5 SVG的控制方案

SVG系統采用的電流控制方法為直接電流控制策略，對比其他方法，采用該方法可以使SVG系統響應更及時，控制角度更加精確，采用該方法時可以認為SVG就是一個受控電流源。

為了使新型SVG系統性能得到改善，提高控制精度和響應速度，并減少設備體積等，在設計中盡可能地減少了模擬電路控制模塊的設計，而是更多地采用了數字化地控制方式，主要采用的有數字PI控制器和數字鎖相環兩種數字控制模塊。

2 新型SVG系統的仿真分析

為了避免系統設計時出現較大失誤，可以通過Matlab軟件搭載系統的整體仿真模型，在仿真后通過實物搭建，以此提高設計效率和系統可靠性[5]。

2.1 仿真模型的建立

主要仿真參數為：電壓有效值380 V，電感0.2 mH，等效電阻0.5 Ω，總母線電壓設為800 V，單側母線電壓設為400 V（實際為380 V左右），正負母線電容分別為5 600 μF×6。在進行系統的仿真調試時，為了使系統取得更好的控制效果，會不斷對參數進行修正和優化[6]。所設計的新型SVG系統的整體仿真模型如圖5所示。

2.2 仿真結果分析

搭建仿真模型后，通過Simulink中示波器模塊得到負載側和電網側電壓電流的仿真波形，可以大致了解系統的無功、諧波補償能力和電網電能質量的提高情況。系統的無功（包括感性和容性）及諧波補償的仿真波形如圖6—7所示。

由圖6—7波形可看出，加感性或容性負載后，通過SVG啟動補償后，電網電壓和電流之間的相位差從較大恢復到幾乎為純阻性負載的情況，有較好的無功補償效果。

由圖8可知新型SVG系統對電網諧波的抑制能力也非常強，高次諧波的含量降到了0.1%以下。綜上，通過仿真模型的波形分析可知該系統具有良好的無功補償和諧波抑制效果。

3 新型SVG系統的實驗結果分析

在實驗樣機研制成功后，對樣機進行了測試和分析，測試了該系統在無功補償、諧波補償以及目標功率因數補償情況下的不同工況。

3.1 無功補償實驗分析

在該實驗中以補償容性負載為例（補償感性負載后的波形幾乎與容性一致），補償前、后的電網電壓和電流波形分別如圖9和圖10所示，其中第4通道顯示的為電網電壓波形，第1通道顯示的為補償后的電網電流波形。

從上述電網電壓、電流補償后的波形可以看出，補償后電網中的無功分量被有效抵消了，恢復到了未加容性負載時的狀況，但由于電網本身的復雜性，就算無功分量得到完全補償，也幾乎不可能得到標準的正弦波，但從補償前后的相位變化，已經可以得出結論，所設計的新型SVG系統對于無功補償具有良好的效果，補償后電壓電流相位幾乎一致，功率因數明顯提高，即電網電能質量得到了改善。

3.2 諧波抑制實驗分析

新型SVG系統的諧波補償原理和無功補償原理基本相同，就是先把電網電流檢測出來，再通過分析電網電流中的諧波分量，并輸出大小相同、方向相反的電流給電網，用這種辦法來抵消掉電網電流中的諧波部分，以此來使電網的電能質量得到提升。

為了便于觀察并得到真實的檢測波形，再檢測SVG系統輸出電流時，將電流環進行了反向設置，因此實際輸出電流波形與檢測電流波形相反，以達到補償的目的。圖11和圖12為模擬諧波補償時的輸出電流波形。

從示波器中可看到，所設計的新型SVG系統對電網諧波補償的效果非常好，啟動和關閉時的相應時間大約為20 ms，系統輸出電流反向波形與電網諧波電流分量波形幾乎一致，能夠有效地進行動態諧波補償。

4 結語

本文提出了一種新型靜止無功發生器的整體設計方案，結合軟件仿真對控制策略以及整體方案的可行性進行了驗證，且完成了實驗樣機的研制，通過示波器和功率分析儀對樣機進行了實驗分析，驗證了系統的有效性和可行性。該新型SVG可有效改善電能質量和提高電網效率，具有較強的實際應用價值。

[參考文獻]

[1]李元正，陳勁操，馬炳洲，等.三電平結構SVG輸出電流諧波分析及濾波器設計[J].電測與儀表，2017（15）：120-128.

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[3]劉國營，李德存，翟保豫，等.靜止無功發生器在電力系統中的應用[J].電氣技術，2017（7）：82-85.

[4]張穎杰.基于DSP的靜止無功發生器設計[D]大連：.大連理工大學，2013.

[5]HWANYONG L，NAKHOON B.Simultaneously accelerating Open VG and SVG tiny with multimedia hardware[J].Computer Standards & Interfaces，2014（2）：349-353.

[6]朱琦，王慧貞.滯環電流控制雙Buck逆變器建模及分析[J].電力電子技術，2012（2）：63-65.