摘要：為了實(shí)現低成本、準確地大容量無(wú)功補償，設計了一種基于“SVG +智能電容”混合式無(wú)功補償系統。系統由一臺高精度補償的小容量靜止無(wú)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控制在負載突變時(shí)導致補償電流畸變的問(wèn)題，提出采用加權式并聯(lián)型重復控制的電流跟蹤控制策略。然后對整體系統的運行特性進(jìn)行分析，給出系統 無(wú)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(wú)功補償系統。通過(guò)仿真和試驗結果表明，混合無(wú)功補償系統可以對無(wú)功電流進(jìn)行有效的補償。
關(guān)鍵詞：混合式無(wú)功補償；靜止無(wú)功發(fā)生器；智能電容；重復控制
引言
隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展，無(wú)功補償系統不僅可以補償無(wú)功功率，還同時(shí)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(wú)功補償裝置，其成本低，在大容量無(wú)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(wú)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(wú)功補償裝置的局限性，科研人員對混合無(wú)功補償系統進(jìn)行研究，其中“SVG + TSC”形式的混合無(wú)功補償裝置應用較為廣泛，針對大容量、固定的無(wú)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(wú)功,利用SVG進(jìn)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(jiǎn)單且易于實(shí)現等特點(diǎn)，但是PI控制對周期性信號跟蹤能力較差，治理擾動(dòng)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(dòng)治理的問(wèn)題。但是在SVG控制系統中，當負載發(fā)生突變時(shí)，重復控制由于滯后一個(gè)周期控制的特性，導致SVG補償后的電流發(fā)生畸變。
結合基于TSC發(fā)展而來(lái)的智能電容和SVG的優(yōu)勢，采用“SVG +智能電容”形式的混合無(wú)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(lián)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(jìn)行分析，給出無(wú)功分配原則?；诖?，設計一套三相混合式無(wú)功補償系統。實(shí)驗結果表明，所設計的系統能夠對無(wú)功電流進(jìn)行有效的補償。
1、混合式無(wú)功補償系統整體結構
所研究的混合式無(wú)功補償系統主要由一個(gè)SVG和多個(gè)智能電容并聯(lián)組成，其結構如圖1所示?；旌鲜綗o(wú)功補償系統以SVG的控制器為無(wú)功協(xié)調控制中心，首先利用電壓電流傳感器實(shí)時(shí)檢測電網(wǎng)電壓和電流以及負載側電流信號，通過(guò)無(wú)功電流檢測方法計算出無(wú)功電流，進(jìn)一步計算出平均無(wú)功電流，并得到需要補償的總無(wú)功，然后根據無(wú)功分配原則計算出需要投切智能電容的數量，并通過(guò)RS485通訊方式控制智能電容的投切，同時(shí)計算出SVG需要補償的無(wú)功電流，通過(guò)控制SVG達到準確的無(wú)功補償，進(jìn)而實(shí)現整個(gè)系統的無(wú)功補償。 智能電容也同時(shí)檢測電網(wǎng)的電壓和電流信號，采集得到的數據通過(guò)計算和分析，判斷是否發(fā)生過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱 等故障，并及時(shí)切除工作電容器，保護主電路。
根據對混合式無(wú)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(wú)功補償系統中SVG的補償控制以及整體混合式無(wú)功補償系統的控制方法進(jìn)行研究。
2、混合式無(wú)功補償系統的補償控制
2.1 混合式無(wú)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(jiǎn)單且易于實(shí)現，但是PI控制對周期性信號跟蹤能力和治理擾動(dòng)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(dòng)治理的補償問(wèn)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(huì )影響重復控制的穩定性,Q(z)一般設置為一個(gè)小于且接近于1的常數，或者也可以設置為一個(gè)具有低通濾波性質(zhì)的函數，當Q(z) =0.95時(shí)，重復控制內模環(huán)節的伯德圖如圖3所示,此時(shí)系統是處于穩定狀態(tài)。
電網(wǎng)工頻f=50Hz，系統開(kāi)關(guān)頻率設置為fs=25.6kHz。一個(gè)基波周期的采樣點(diǎn)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(gè)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(shí)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(lái)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(huán)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(jīng)過(guò)仿真測試設置為K=6，Kr=0.95。
首先對重復控制進(jìn)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(xiàn)路等效電阻Ra =0.003Ωo
設置輸入信號iref為一個(gè)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，結果如圖5所示。
由圖5可以看出，當指令信號發(fā)生階躍時(shí),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(gè)周期開(kāi)始，會(huì )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(huì )導致補償后的電流發(fā)生畸變。
2.1.2加權式并聯(lián)型重復控制
基于上述分析，提出采用加權式并聯(lián)型重復控制的電流跟蹤控制策略，并選擇較佳權值比來(lái)均衡PI和重復控制的作用。
加權式并聯(lián)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(lián)型重復控制目的是為了加強動(dòng)態(tài)時(shí)PI控制的作用，同時(shí)削弱了穩態(tài)時(shí)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(shí)需滿(mǎn)足α+β=1,隨著(zhù)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(shí)，系統開(kāi)環(huán)的伯德圖(未包含內模)。PI參數根據采用零極點(diǎn)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(dòng)態(tài)性能越好。
圖8是設置不同β/α時(shí)，系統指令信號發(fā)生階躍變換后，系統輸出的幅值變化。由圖8可以看出，隨著(zhù)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(shí)還可以提高系統動(dòng)態(tài)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(shí)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(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(xiàn)路等效電阻,0.003Ω，開(kāi)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(wú)功負載源，用階躍信號控制開(kāi)關(guān)使負載發(fā)生變化，負載突變前設置有功功率為25kW,無(wú)功功率為25kvar；突變后有功功率為15 kW,無(wú)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(jìn)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(shí)發(fā)生突變。
電流跟蹤控制設置為加權式并聯(lián)型重復控制。同時(shí),設置三個(gè)不同權值比（β/α）進(jìn)行實(shí)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(lián)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(jìn)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(jìn)行多次試驗，利用FFT對負載突變后的電流進(jìn)行分析，時(shí)間為從0.12s開(kāi)始的3個(gè)周期，得到不同權值比下補償后的電流畸變率，經(jīng)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(shí)β/α=2~3左右時(shí)，補償后電流的THD??；當β/α太大時(shí)，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(shí)，其功率因數接近于1，但是在負載突變時(shí)，功率因數幅值變化較大，動(dòng)態(tài)性能較差；當β/α=2和β/α=3時(shí)，系統的動(dòng)態(tài)性能提高了，穩態(tài)時(shí)功率因數雖有所下降，但降幅較小，系統整個(gè)補償過(guò)程中的功率因數變化平穩、波動(dòng)小。綜合上述分析，設置權值比β/α=3。
2.2混合式無(wú)功補償系統無(wú)功分配控制方法
在混合式無(wú)功補償系統中，是由一組SVG和多組智能電容來(lái)共同完成無(wú)功補償，混合式無(wú)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(wú)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(guò)SVG完成級與級之間的無(wú)功補償，后實(shí)現對無(wú)功的準確補償。另外，在SVG補償能力范圍之內，都由SVG進(jìn)行補償，盡量減少智能電容投切的次數。
系統檢測岀無(wú)功電流直流分量iq，在每個(gè)周期計算一次iq的平均值作為當前周期電網(wǎng)需要補償的無(wú)功電流，記為IQ。單個(gè)智能電容可以補償的無(wú)功電流，記為Ic。SVG補償輸出的無(wú)功電流記為ISVG，智能電容的總數記為N，當前時(shí)刻應該投入個(gè)數為n，定義K為不超過(guò)IQ/Ic的大整數，混合系統無(wú)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(shí)，此刻需要補償無(wú)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(mǎn)額輸出：ISVG=ISVGmax
（2）KIc-3ISVGmax/4＜IQ≤ KIc，當0＜K＜N，此時(shí)需要補償無(wú)功容量大于SVG補償能力，因此投入部分智能電容，投入個(gè)數n=K，剩余的無(wú)功-3ISVGmax/4＜IQ≤0由SVG補償，此刻智能電容處于過(guò)補狀態(tài)，由SVG發(fā)出感性無(wú)功予以補償；
（3）KIc＜IQ≤ KIc+3ISVGmax/4，當0＜K＜N時(shí)，此時(shí)投入智能電容數n=K，剩余的無(wú)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(wú)功予以補償；
（4）KIc-3ISVGmax/4＜IQ≤ KIc+3ISVGmax/4，當K＜0時(shí)，此時(shí)需要補償的無(wú)功較小，不需要投切智能電容，所以n=0，所有無(wú)功均由SVG完成補償。
上述無(wú)功分配原則中，SVG的動(dòng)作閾值為- 3ISVGmax/4 ＜IQ≤3ISVGmax/4 ，起到了節省SVG動(dòng)態(tài)輸出 容量的作用，避免SVG一直處于滿(mǎn)負荷輸出狀態(tài)。
在Matlab/Simulink環(huán)境下建立混合補償系統，設置在單個(gè)智能電容大補償無(wú)功為20 kvar，SVG大輸出無(wú)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(lián)RL和三相不控整流橋組成含有諧波的無(wú)功負載源，用階躍信號控制開(kāi)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(wú)功功率20 kvar，變化后有功功率40KW，無(wú)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(shí)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(wú)功為20 kvar，未超過(guò)SVG的補償范圍，因此智能電容不用投入系統，此時(shí)系統無(wú)功全部由SVG完成補償；當負載在0.075s變化后，系統檢測到無(wú)功功率變大，計算出需要投切智能電容的個(gè)數為2，SVG需要補償的無(wú)功功率為16,kvar，此時(shí)智能電容還不能立刻完成投切，需要等到下一個(gè)周期完成投切，而SVG響應速度很快，二者共同完成系統無(wú)功補償；在0.175s時(shí)，負載恢復到初始狀態(tài)，在下一個(gè)周期，智能電容完成切除，恢復到初始狀態(tài)。
3、系統設計與實(shí)驗結果
3.1實(shí)驗平臺設計
實(shí)驗平臺整體結構圖如圖16所示?；贒SP完成檢測部分設計，利用傳感器將各類(lèi)電壓和電流信號進(jìn)行采集，并經(jīng)過(guò)信號調理電路傳輸給DSP，經(jīng)過(guò)DSP計算完成無(wú)功電流檢測。通過(guò)DSP計算進(jìn)行無(wú)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(guò)光纖隔離電路傳輸給IGBT驅動(dòng)器，并終完成IGBT驅動(dòng)控制；同時(shí)在條件滿(mǎn)足的情況下,將智能電容的投切控制指令通過(guò)485通信傳輸給各個(gè)智能電容，終通過(guò)兩者共同協(xié)作完成無(wú)功補償。針I(yè)GBT及其驅動(dòng)以及智能電容開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行設計。
3.1.1IGBT及其驅動(dòng)
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(shí)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(zhuān)門(mén)為三電平逆變電路設計，為T(mén)型結構。選用PSPC432-EP4驅動(dòng)器。
PSPC432-EP4型號的驅動(dòng)器故障保護包含短路保護、過(guò)流保護和電壓欠壓保護等，當時(shí)產(chǎn)生故障時(shí)，可以自行封死每個(gè)IGBT，同時(shí)向外部發(fā)出故障信號；驅動(dòng)器同時(shí)可以接收外部故障輸入信號，當控制器主動(dòng)發(fā)出故障控制信號時(shí)，可以將各個(gè)IGBT封死，達到保護功能。PSPC432-EP4型號的驅動(dòng)器接口具體引腳如表2所示。
3.1.2智能電容投切開(kāi)關(guān)電路
采用可控硅作為投切開(kāi)關(guān)，可以控制智能電容分別在電壓與電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)投入與切除，但是功耗較高。采用磁保持繼電器作為投切開(kāi)關(guān)，可以實(shí)現低功耗，但是難以實(shí)現過(guò)零點(diǎn)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(kāi)關(guān)。利用可控硅完成過(guò)零點(diǎn)投切，在正常工作時(shí)，大部分電流是通過(guò)磁保持繼電器，實(shí)現低功耗。
所采用磁保持繼電器是單線(xiàn)圈設計，閉合、斷開(kāi)靠線(xiàn)圈正負極換向完成，這里采用開(kāi)關(guān)式繼電器進(jìn)行換向。另外，可控硅模塊由兩個(gè)反并聯(lián)可控硅構成，在控制可控硅時(shí)，通過(guò)隔離變壓器實(shí)現正負半周期觸發(fā)驅動(dòng)可控硅，電路結構如圖17所示。
3.2實(shí)驗結果分析
由于不能提供大量無(wú)功負載源，在實(shí)際實(shí)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(shí)驗負載有功功率約為,10kw，無(wú)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(xiàn)損、提高功率因數和電能質(zhì)量的新一代無(wú)功補償設備。它由智能測控單元，晶閘管復合開(kāi)關(guān)電路，線(xiàn)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(kāi)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和柜面由導線(xiàn)連接而組成的自動(dòng)無(wú)功補償裝置。改變了傳統無(wú)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(wú)功補償設備具有補償效果更好，體積更小，功耗更低，價(jià)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(cháng)，可靠性更高的特點(diǎn)，適應了現代電網(wǎng)對無(wú)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(shí)時(shí)顯示三相母線(xiàn)電壓、三相母線(xiàn)電流、三相功率因數、頻率、電容器路數及投切狀態(tài)、有功功率、無(wú)功功率、諧波電壓總畸變率、電容器溫度。
在A(yíng)ZC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(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(chǎng)合
醫院類(lèi)、商業(yè)中心、數據中心、變頻器行業(yè)、光伏行業(yè)、港口/油田類(lèi)、化工/冶煉類(lèi)...
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(yǔ)
基于“SVG +智能電容”混合式無(wú)功補償系統，利用智能電容器補償主要的無(wú)功，利用SVG來(lái)補償智能電容分級補償欠補的無(wú)功，可實(shí)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(jìn)行研究和分析，采用了加權式并聯(lián)型重復控制，不僅消除了因重復控制延時(shí)控制引起補償電流的畸變，同時(shí)提高了SVG的動(dòng)態(tài)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(wú)功補償系統運行特性的分析，給出了無(wú)功分配原則。后研制了一套混合式無(wú)功補償系統，實(shí)驗結果表明，系統可以對無(wú)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(shí)現SVG與多臺智能電容器測試與分析，同時(shí)需要對系統中各個(gè)模塊工作暫態(tài)進(jìn)行分析。
【參考文獻】
