链式静止无功发生器直流侧电压稳定性分析

链式静止无功发生器（SVG）是无功补偿最具代表性的技术之一，在电力系统的稳定中具有很高的技术地位。在电网中并联静止无功发生器，即配置一个可以控制的无功电流源，根据负荷无功电流的起伏无功发生器的电流也随之变化，实时自动补偿到电网之中。链式SVG在直流一侧通常选择电容电压作为基点，保证电压的稳定是SVG正常工作的前提，因此对SVG直流侧电压的稳定分析就显得尤为重要。文章主要介绍了链式静止无功发生器的工作原理，对其直流侧电压的稳定性进行简要分析。

链式静止无功发生器的运行原理

为了达到实时无功补偿的功能，使得电力桥式半导体型式的变流器具备自换相的性能，这种电力装置就是链式静止无功补偿发生器。比如把相量SU 当做电网的电压，相量IU 当作无功补偿发生器输出端的交流电压，则SU 与IU 之差等于LU ，即连接电抗X上的电压，并且这个电压可以对通过自身的电流进行有效控制。而此时的电流就是无功补偿装置在电网中所吸收的值I 。如果忽略变流器和電抗中的损耗，无功补偿装置的运转机理就能理解为图1中所标识那样。这样的话，仅仅需要IU 和SU 相位相同，在IU 的幅值改变中就能实现无功补偿装置吸收电网电流的有效控制。

直流侧电压的控制

由无功补偿装置的原理运行图可以看出，如果把它看作是一个交流电源的话，想要改变和控制交流侧电流的大小，只需调节其电压的幅值大小和相位就可以实现。

由此可知稳定状态下无功发生器吸收电网的有效有功和无功电流值为：

即稳态下角δ和变流器交流侧基波电压值相对应，如图4中VI和δ的曲线关系所示。

如此，便最简单的控制方式便脱颖而出，如图5所示。参考的无功电流值IQref叠加一个系数作为角δ的初始命令，抑或直接取消比例系数，把IQref直接定为角δ的运行命令来操控SVG，使SVG对无功电流的实际吸收值按照式（3）或图4标示的关系进行变化。图5b所示为波形原理，表达了变流器交流侧输出为方波的情况，图中线电压为vS与vI，而电流基波分量为i1。稳态前提下，δ角和基波有效值VI满足式5所示的相对应关系，因此δ角的改变，方波脉宽θ不变时，VI同样会随之变化。现实中，由于变流器直流侧电压的变化会引起δ的变化，也就是VI自动的随之变化。δ角变化后的暂态调节中，一部分有功电流将会被吸收，伴随着一些现象的出现，比如直流侧电容的充放电，直接导致Vd电压的波动，间接地还会影响到交流侧幅值电压的波动，实现调节的目的。当稳态形成后，直流侧电压也会稳定在一定的幅值上，而相对应的交流侧电压基波幅值同样满足式（5）。

在以上控制基础上实现对无功电流的吸收反馈信号采集和管控，见图6所标识，这种做法会大幅提高无功电流在反馈速度和精度上上控制效果。在诸多的方法中，最快捷的检测方法是dqo坐标变换法和基于瞬时无功功率理论。

根据稳态时角δ与交流侧电压基波有效值VI应有的相对应关系，变流器交流侧方波脉冲宽度角θ和超前角δ进行相互协调的调控，可以快速的将VI达到稳定状态，即通过直接改变变流器交流侧输出方波脉冲的宽度来使VI调节到为了得到目标δ稳定值，可以通过交流侧脉冲方波的调节实现，也就是直接改变交流侧变流器的的方波宽度，其中SVG控制响应也会大大提高，同时还可以保持直流电压的稳定，对装置本身来说非常有利。但是，这种控制方式的关键在于δ角和θ角的控制信号必须非常密切的配合，由式（5）中可知，主电路的参数对这个配合关系影响占主要部分，所以主电路的相关参数必须为已知量，一旦主电路参数有所误差，将会对这种控制方式产生一定的影响。除此之外，要想真正保持直流电压恒定，有时还要对其电压进行检测反馈，以矫正控制参数的设置。

图7中展示的是一种采用δ角和θ角相配合的控制方式，ωL是SVG连接电抗的参数。该控制方式的一个特点就是增加了电流反馈控制。因为在变换坐标的时候，三相电源电压和d轴具有相同的旋转空间矢量方向，可见SVG从电网吸收的有功电流的大小由图中SVG电流的d轴分量Id反映出来。这种控制方式中，有功功率的参考值为调节器输出值，同时选择直流侧反馈电压的控制方法。

图8给出了δ和θ角配合协调控制的第二种方法。直接把无功电流值设定为脉冲宽度θ角的控制调节信号源。信号源一旦产生变化，θ角就会随之发生变化，而δ角不会出现明显波动，这就使得无功补偿装置对多余的有功电流形成了吸收效果，从而额引起直流侧电压的不稳定波动。然而，正是由于无功补偿装置具有的直流电压反馈控制作用，δ角的变化会与θ角达到稳定的状态。利用这种方法进行控制，其反馈调节简单，δ角和θ角的稳态调节也比较容易实现，与第一种方法比较起来，反馈速度上并没有太大优势，但不失为理论实践的另一种选择。endprint

以上对电流间接控制方法的介绍都是以变流器交流侧输出电压方波为例的，实际上谐波的减小，还可以利用PWM控制技术或者数个变流器联合的方式来实现年，然而对δ和θ角的控制方式是一样的。只是在对θ角的控制中，多重变流器的联结控制对于每个变流器的控制指令都一样，也不过是简单的累加，然而PWM控制技术在应用中，改变了变流器的控制方式，而是将其变成对单周波中的PWM脉冲进行脉冲宽度比例调节。

对于较大容量无功补偿装置的使用地方，间接电流的调节控制方法应用选择较多，这是由于大容量场合，电子器件对开关频率具有一定的限制。还有，处于类似的理由，较大容量的无功补偿需要考虑谐波的消除，而消除方法也只有叠加的方法，也就是PWM的脉冲技术应用。

串联混合型电力有源滤波器的控制措施

滤波器装置的配置可以对电网中的谐波电流实现实时的检测和控制，甚至达到消除的效果。对于利用电流开间接或者直接控制无功补偿的装置关键参数来说，对PWM变流器的有效控制，才能实现无功补偿装置的功能效果。PWM技术可以再一定程度上产生谐波电压，满足基波阻抗值将为0值的滤波效果。同时实现对谐波具有电阻性质的作用，保证电力系统的稳定运行。

瞬时谐波电流的检测方法，计算比较繁琐复杂，并且控制方式也比较复杂，依托于模拟电路实现功能控制的话，户会引起许多问题，像电路庞大繁琐，调试也比较困难，维修维护工作量大等。况且，模拟电路器件本身也具有一定的误差和延迟，对控制精度的影响会变大。最重要的是在模拟计算中，纯滞后延迟的计算基本无法实现。而数字电路则可保证较高的计算精度，而且实现纯滞后延时环节比较容易。特别是采用微机控制时，调试和改变控制参数或方法非常方便。因此，采用由微机控制的数字电路的方案。然而，若用MCS51、96等普通微处理器作CPU，对这样大量的运算和控制很难胜任，难以充分实现所采用的谐波电流检测方法的瞬时性。不久前，有一款新型数字信号处理器出现在行业内，引起了不小的重视，使得由微机实现上述控制方法成为可能。

按照控制系统的实际需要，图9给出了控制方式简图。vT和iS信号均从主电路中获取，计算出瞬时无功功率q和瞬时有功功率p，通过滤波器消除交流值，剩余未直流成分p和q就是电压vT分别与iS中的基波有功分量和基波无功分量作用的结果，再由p和q以及vT反向计算出电流，从而得到iS中的基波成分iSf，将其从iS中减去，即得谐波电流iSh。再乘以增益K，即生成了补偿电压指令vC。经过PWM控制信号的生成环节，去电力MOSFET的驱动电路，最终控制4个电力MOSFET的通断，使变流器产生所期望的补偿电压vC。

直流侧电压下降的原因很多，比如变流器自身的能耗就会引起这样的效果，而变流器必須保持正常运行且必不可少，要想得到一个稳定的电压值，必须实时对vT与iS进行信号检测，同时对直流侧电压也要实行检测措施。

串联混合型电力有源滤波器中的变压器是变流器串联到电路中的途径，由此对电压实现补偿作用，所以它的共考虑概念比较模糊，无法和有源滤波器相比。然而，经过我们的努力研究发现，要想达到对有功功率的吸收明显效果，变流器在基波作用下的瞬时功率也要具有一定明显值，这时只要把变流器产生与电源基波电流同相位的基波电压，就可以达到目的。反之，如果出现反相位的电压，就等于并联负载发出有功功率了。一样的情况，只有单个储能原件的直流电容存在于变流器中，其吸收或发出的功率定会引起直流电压的波动。由此可知，我们可以利用变流器的补偿电压，在其指令中附加一定的基波电压分量，实现调节其直流侧电压值的效果。以此，直流电压调控方法便成型了。见图9示例，vd的给定值与反馈值比较之后的偏差，经PI调节器，与谐波电流检测中算出的p相减。这时，在算出的电流值中加上了额外的基波成分ΔiSf，基波成分已经存在于 电压指令当中，基波电压和谐波电压最红可以同时产生。这个基波电压与iS中的基波成分相作用，控制变流器中的能量流动，以维持直流电压vd的恒定。

结论

根据链式静止无功发生器的运行原理，从运行中的控制电流方式上对直流侧电压稳定性进行了简要的剖析。在现实的研究应用中，这种电流控制方式也是极具重要意义。在模拟电路的设计中，要进行很多原理性的计算，这些也是我们技术人员应该着重注意的地方。一个小数点的错误有可能导致整个设备装置的失误，影响整个工程的进展。所以我们要在提高科技水平的同时，也提高我们的理论计算能力，帮助我们更好的应用到实际工作中去。随着新科技手段的不断发展，理论知识的持续研究创新，不久的将来会有更多的方式方法来丰富我们的无功补偿技术，来解决我们的实际问题。

参考文献

[1]程林，何剑.电力系统可靠性原理和应用[M].北京：清华大学出版社，2015.

[2]陈坚.电力电子学——电力电子变换和控制技术[M].北京：高等教育出版社，2004.

[3]程文，卜贤成.低压无功补偿实用技术[M].北京：中国电力出版社，2012.

（作者简介：温筱波，东风柳州汽车有限公司。）endprint