静止无功发生器在某工业园区电能质量配电网中的应用

• 关键词：无功调节,谐波电流抑制,直流偏磁
• 作者：王鑫杰
• 摘要：本文对SVG的谐波抑制、变压器直流偏磁抑制等关键技术进行了研究，满足两段母线分列、并列运行的要求，成功研发出国内首套20kV配电网，集中-分布综合补偿静止型无功发生器(SVG)。在通过RTDS仿真验证了关键技术正确性的前提下，在工程现场进行调试投运，结果表明此SVG运行稳定、满足了工业园区高电能质量的需求。

引言

为适应交直流混联配电网的发展趋势，同时提高工业园区电能质量，保证园区内电压稳定、敏感负荷的正常运行。针对交直流混联配电网的特殊应用需求及工业园区的工况，我司对此工程应用背景进行了详细地分析。在此前提下，针对相关问题研究了静止型无功发生器系统(staticvargenerator.SVG)在此工况下应用的关键技术，在通过仿真验证的前提下，于2018年1月19日在工业园区110kV星华变通过验收，成功投运，成为国内投运的首套20kV配电网集中-分布综合补偿SVG截至目前设备运行正常，提升了区域内综合电压合格率，提高了电网侧的电压质量，保障了敏感负荷的正常运行。

该项目中研发的配电网集中-分布综合补偿SVG接入2段20kV母线，并具备分列、并列运行两种模式，额定容量10Mvar。针对母线中的5次谐波，开发了5次谐波电流抑制功能：针对变压器直流偏磁问题，通过调整SVG输出指今电压对直流分量进行了抑制，从而保障了SVG的满功率稳定运行。

1应用场景研究与分析

苏州工业园区高电能质量配电网应用示范工程，以构建高电能质量配电网示范区为目标，在对示范园区用户电能质量差异化需求分析和电能质量等级划分的基础上，通过开展电能质量补偿设备配置、补偿设备的协调控制，针对苏州园区的电能质量问题配置补偿设备的方式来满足用户的高电能质量需求。其中，两套SVG设备建设在苏虹路工业区110kV星华变电站20kVIM和IIIM上，调节无功功率和节点电压。

SVG接入点电压20kV，每套SVG额定容量为10Mvar，接线示意图如图1所示。

经分析研究此应用场合有以下3点情况：

1)由图1可见，两套SVG视开关QF状态不同，将存在分列和并列运行两种状态。

2)分析20kV母线电压背景，发现5次谐波较大(约4%)，超过20kV母线的谐波电压要求(一般20kV母线谐波取10kV的国标要求(3.2%))。20kV母线电压谐波含量如图2所示。

3)有可能出现直流分量导致变压器偏磁。SVG并列运行策略主要由DFACTS协调控制平台考虑，SVG本身配合其完成即可，此处不进行详述。本文主要针对此应用场合需求，结合主电路结构，在实现无功调节基本功能的同时，通过算法解决谐波、直流分量引起变压器偏磁等附加问题，以适应本工程应用环境。

2SVG主电路结构

本工程中采用的20kV配电网集中-分布综合补偿静止型无功发生器主要包含串联变压器、起动柜、功率柜、控制柜这几部分，并通过通信与DFACTS平台进行信息交互，接收DFACTS对SVG关于启停、控制方式、控制目标的遥控、遥调信号，上送系统电压、电流、SVG电流、功率及状态等遥测遥信量。结构如图3所示。

图3中，交流采集量分别为利用PT1采集的20kV母线电压、利用CT1采集的20kV系统电流、利用霍尔采集的SVG电流。直流采集量为功率单元内各电容直流电压。

3SVG控制策略

SVG的控制策略包括两部分:1)基波控制策略，主要实现SVG的基本功能，无功控制；2)适应配电网应用场景附加的控制功能，如谐波电流抑制、直流分量抑制等。

SVG控制框图如图4所示，包括基波控制、5次谐波电压控制和直流电流控3大部分，在指令电压处进行叠加后，经PWM调制生成脉冲。

1)基波控制策略

SVG的主要功能为利用对SVG电流的基波控制来调节无功功率，SVG的基波控制主要包括外环和内环，外环为直流电压环和无功环(B视控制方式不同，可为固定无功功率、功率因数、20kV系统电压、20kV处系统无功)，输出电流定值的d、q分量，进电流内环进行解翘控制，以获得基波电压指令

2)应对谐波的控制策略

20kV母线电压中5次谐波含量偏大，且其为110kV母线下负荷引起，SVG的有源滤波功能仅可抑制接入母线下负荷引起的谐波，即谐波电流，对输电线中谐波电压存在导致SVG接入点谐波电压偏大没有足够的抑制能力。为不影响SVG工作状态提高SVG基波控制容量，需要研究应对谐波电压的控制策略，使得SVG回路中5次谐波电流较小控制原理为SVG输出5次谐波电压，其幅值为20kV中5次谐波电压的一半，相位差30°，从而使得SVG电流中不含5次谐波电流。其中，5次谐波经坐标变换为负序，坐标变换时与正序方向相反。

3)应对直流分量的控制策略

SVG采用SPWM桥式逆变结构，在实际应用中，由于各种因素的影响，输出电压脉冲列在基波周期内正负伏秘值不相等，从而导致加在变压器初级的电压含有直流分量，造成直流偏磁问。为避免此种情况发生，在SVG中考虑加入直流分量抑制功能，即控制回路中的直流电流。

其控制策略如图4所示，其中k根据直流分量大的相别判断结果可为A、B、C相。在直流分量大的相，其值也很小的情况下，A、B、C三相的直流分量电压指令均为0;某相直流分量较大需要控制，则此项直流电流控制输出的指令电压经PI控制器产生，其他两相指令为0。

4仿真验证

为5次谐波电压对抗、直流分量抑制功能，利用RTDS仿真平台搭建了20kV配电网集中-分布综合补偿静止型无功发生器接入系统的仿真模型，通过在110kV母线下加5次谐波源制造20kV谐波问题，其5次谐波含量约4%。通过调整A相12个功率单元左右桥臂IGBT参数模拟器件参数差异引起直流偏置。

其实验结果分别见表1和表2。

5现场试验结果

SVG实现了对20kV母线处无功功率的快速动态调节，阶跃时的无功功率曲线如图5所示。可见SVG可在10ms以内完成无功调节。

投运前通过分析现场20kV侧交流电压波形已知5次谐波含量较大且随负荷变化随时改变，为此，在投运时分别投退5次谐波电压前馈控制功能，相同功率下的电流波形如图6所示。

在投入5次谐波电压前馈控制的情况下，进行功率实验，发现5Mvar情况下，电流波形明显畸变，分析电流录波，发现存在直流分量，投入直流电流控制功能，实现10Mvar满功率运行。5Mvar功率时，投入直流电流控制前后的SVG电流波形如图7所示。

6安科瑞APF有源滤波器产品选型

6.1产品特点

(1)DSP+FPGA控制方式，响应时间短，全数字控制算法，运行稳定；

(2)一机多能，既可补谐波，又可兼补无功，可对2～51次谐波进行全补偿或指定特定次谐波进行补偿；

(3)具有完善的桥臂过流保护、直流过压保护、装置过温保护功能；

(4)模块化设计，体积小，安装便利，方便扩容；

(5)采用7英寸大屏幕彩色触摸屏以实现参数设置和控制，使用方便，易于操作和维护；

(6)输出端加装滤波装置，降低高频纹波对电力系统的影响；

(7)多机并联，达到较高的电流输出等级；

为满足工业园区高电能质量配电网应用示范工程中对无功补偿设备的需求，本文在充分理论研究、借助完善的仿真验证手段的基础上，对传统的级联型SVG进行了功能优化，解决了谐波问题直流分量等问题对设备自身以及配电网带来的影响，研制了国内首套20kV配电网集中-分布综合补偿静止型无功发生器，顺利投运，并稳定运行至今。提高了园区的电能质量，保障了芯片厂等重要敏感负荷的顺利运行。