王子锋
摘要：为了实现低成本、准确地大容量无功补偿，设计了一种基于“SVG +智能电容”混合式无功补偿系统。系统由一台高精度补偿的小容量静止无功发生器(Static Var Generator, SVG)和多台智能电容组成。首先对混合系统中SVG的电流跟踪控制进行分析，针对PI控制对周期性信号跟踪性差和重复控制在负载突变时导致补偿电流畸变的问题，提出采用加权式并联型重复控制的电流跟踪控制策略。然后对整体系统的运行特性进行分析，给出系统 无功分配控制方法。后以TMS320F28335作为混合式系统的核心控制器,设计了一套混合式无功补偿系统。通过仿真和试验结果表明，混合无功补偿系统可以对无功电流进行有效的补偿。
关键词：混合式无功补偿；静止无功发生器；智能电容；重复控制
引言
随着电力电子技术的发展，无功补偿系统不仅可以补偿无功功率，还同时具有治理谐波功能，使电力系统运行更加安全可靠。智能电容器是目前较为普遍的智能型无功补偿装置，其成本低，在大容量无功补偿具有较大优势，但其只能分级补偿，不能治理闪变和不平衡。SVG已经代表了新一代的无功补偿系统，其调节速度快，运行范围宽，可治理补偿电流中的谐波。 然而，大容量的SVG结构复杂，控制难度大，成本高。由于单一无功补偿装置的局限性，科研人员对混合无功补偿系统进行研究，其中“SVG + TSC”形式的混合无功补偿装置应用较为广泛，针对大容量、固定的无功，利用投切式电容器进行补偿；针对小容量、电容欠补的无功,利用SVG进行补偿。另外，PI控制作为SVG常规电流的跟踪控制策略，具有结构简单且易于实现等特点，但是PI控制对周期性信号跟踪能力较差，治理扰动能力较差。采用重复控制，有效的解决了周期性信号跟踪和扰动治理的问题。但是在SVG控制系统中，当负载发生突变时，重复控制由于滞后一个周期控制的特性，导致SVG补偿后的电流发生畸变。
结合基于TSC发展而来的智能电容和SVG的优势，采用“SVG +智能电容”形式的混合无功补偿方式。针对SVG常规电流跟踪控制策略的不足，引入加权式并联型重复控制，可以得到更好补偿效果。对混合整体系统的运行特性进行分析，给出无功分配原则。基于此，设计一套三相混合式无功补偿系统。实验结果表明，所设计的系统能够对无功电流进行有效的补偿。
1、混合式无功补偿系统整体结构
所研究的混合式无功补偿系统主要由一个SVG和多个智能电容并联组成，其结构如图1所示。混合式无功补偿系统以SVG的控制器为无功协调控制中心，首先利用电压电流传感器实时检测电网电压和电流以及负载侧电流信号，通过无功电流检测方法计算出无功电流，进一步计算出平均无功电流，并得到需要补偿的总无功，然后根据无功分配原则计算出需要投切智能电容的数量，并通过RS485通讯方式控制智能电容的投切，同时计算出SVG需要补偿的无功电流，通过控制SVG达到准确的无功补偿，进而实现整个系统的无功补偿。 智能电容也同时检测电网的电压和电流信号，采集得到的数据通过计算和分析，判断是否发生过流、过压、过热 等故障，并及时切除工作电容器，保护主电路。
根据对混合式无功补偿系统组成结构以及工作原理的分析，主要针对混合式无功补偿系统中SVG的补偿控制以及整体混合式无功补偿系统的控制方法进行研究。
2、混合式无功补偿系统的补偿控制
2.1 混合式无功补偿系统中SVG的补偿控制
2.1.1重复控制分析
SVG的电流跟踪控制策略常采用PI控制，PI控制的结构简单且易于实现，但是PI控制对周期性信号跟踪能力和治理扰动能力较差。重复控制可以有效的解决了周期性信号跟踪和扰动治理的补偿问题。重复控制理论是基于内模原理建立的，完整的数字式重复控制结构如图2所示。
其中Q(z)会影响重复控制的稳定性,Q(z)一般设置为一个小于且接近于1的常数，或者也可以设置为一个具有低通滤波性质的函数，当Q(z) =0.95时，重复控制内模环节的伯德图如图3所示,此时系统是处于稳定状态。
电网工频f=50Hz，系统开关频率设置为fs=25.6kHz。一个基波周期的采样点数为:
S(z)主要作用是使系统髙频段衰减。S(z)可设置为一个二阶低通滤波器，截止频率设置为2kHz，fs=25.6kHz.因此，S(z)设置为；
加入和未加入滤波器时系统伯德图如图4所示。
由图可以看出加入滤波器后，幅值在高频率段呈大幅衰减。Kr用来控制稳定裕度和误差收敛速度，取值范围为0-1，Zk为相位补偿环节，当k值越大，可以补偿的相位滞后就越大，合理的选择k可以很好的补偿S(z)Gp(z)的相位，由系统特征方程得出系统稳定条件| Q(z) -Krs(z)P(z)|等于或者小于1，经过仿真测试设置為K=6，Kr=0.95。
首先对重复控制进行分析。以SVG的A相为例, 被控对象在s域的表达式为；
式中交流侧输出电感La=0.8mH；线路等效电阻Ra =0.003Ωo
设置输入信号iref为一个阶跃信号，在0.02s处发生阶跃变化，变化前幅值为0，变化后幅值为1，分别检测输入信号和输出信号，结果如图5所示。
由图5可以看出，当指令信号发生阶跃时,输出信号虽然可以快速响应，跟随输入，但是从阶跃后的第二个周期开始，会出现周峰值呈衰减趋势的误差突变信号。在SVG控制系统中，这必然会导致补偿后的电流发生畸变。
2.1.2加权式并联型重复控制
基于上述分析，提出采用加权式并联型重复控制的电流跟踪控制策略，并选择较佳权值比来均衡PI和重复控制的作用。
加权式并联型重复控制是在PI和重复支路上加入加权系数α和β，均衡PI和重复控制的作用，其结构如图6所示。
加权式并联型重复控制目的是为了加强动态时PI控制的作用，同时削弱了稳态时重复控制的作用,在保证稳定性的前提下,消除由重复控制引起的信号畸变。
设定权值时需满足α+β=1,随着权值比β/α增大，逐渐削弱重复控制的作用，加强PI控制的作用。图7是设置不同β/α时，系统开环的伯德图(未包含内模)。PI参数根据采用零极点对消法可求得Kp=25.72，Ki=96。
图7可以看出，β/α的比值越大，系统的带宽越大，系统动态性能越好。
图8是设置不同β/α时，系统指令信号发生阶跃变换后，系统输出的幅值变化。由图8可以看出，随着β/α的增大，由重复控制引起的峰值变化越小。
增大权值比β/α不仅可以消减峰值变化，同时还可以提高系统动态性能。但是权值比并非越大越好, 当权值比越大，重复控制作用越弱，系统稳定时的补偿精度也随之较低，所以权值比可折中选取，文中在仿真中进一步对其进行分析。
在Matlab/Simulink环境下建立三电平SVG仿真模型，系统参数设置：三相电源相电压为220V，频率为50Hz，直流侧电容为4000μF，输出电感为0.8mH，线路等效电阻,0.003Ω，开关频率为25.6kHz，由三相串联Rl和三相不控整流桥组成含有谐波的无功负载源，用阶跃信号控制开关使负载发生变化，负载突变前设置有功功率为25kW,无功功率为25kvar；突变后有功功率为15 kW,无功功率为15kvar。另外，系统所研究的三电平SVG，其主电路为三电平结构的逆变电路，其调制策略采用的是改进的60°SVPWM算法。
图9为A相电压和A相负载电流，其中负载在0.105s时发生突变。
电流跟踪控制设置为加权式并联型重复控制。同时,设置三个不同权值比（β/α）进行实验分析，权值比分别设置为β/α= 1，β/α=2和β/α=3，每种权值比的补偿结果如图10所示。由图10可以看出，加权式并联型重复控制可以消弱补偿结果的畸变，当权值比增大，补偿后电流的畸变変小。
为了进一步分析权值比对系统补偿控制的影响，设置11组不同的权值比进行多次试验，利用FFT对负载突变后的电流进行分析，时间为从0.12s开始的3个周期，得到不同权值比下补偿后的电流畸变率，经拟合得出畸变率随权值比的变化趋势，结果如图13所示。
由图11可以看出，权值比并非越大越好，当时β/α=2~3左右时，补偿后电流的THD小；当β/α太大时，系统补偿后的电流THD反而增大。
不同权值比的系统补偿后的功率因数如图12所示。由图可以看出，当β/α=1时，其功率因数接近于1，但是在负载突变时，功率因数幅值变化较大，动态性能较差；当β/α=2和β/α=3时，系统的动态性能提高了，稳态时功率因数虽有所下降，但降幅较小，系统整个补偿过程中的功率因数变化平稳、波动小。综合上述分析，设置权值比β/α=3。
2.2混合式无功补偿系统无功分配控制方法
在混合式无功补偿系统中，是由一组SVG和多组智能电容来共同完成无功补偿，混合式无功补偿系统的补偿原理如图13所示。由图13可以看出，系统总无功Q主要由智能电容完成补偿，但是智能电容只能完成分级补偿，进一步通过SVG完成级与级之间的无功补偿，后实现对无功的准确补偿。另外，在SVG补偿能力范围之内，都由SVG进行补偿，尽量减少智能电容投切的次数。
系统检测岀无功电流直流分量iq，在每个周期计算一次iq的平均值作为当前周期电网需要补偿的无功电流，记为IQ。单个智能电容可以补偿的无功电流，记为Ic。SVG补偿输出的无功电流记为ISVG，智能电容的总数记为N，当前时刻应该投入个数为n，定义K为不超过IQ/Ic的大整数，混合系统无功分配规则如表1所示。
由表1可以得出智能电容器投切控制原理：
(1) KIc-3ISVGmax/4＜IQ≤ KIc+ISVG，当K＞N时，此刻需要补偿无功总量大于混合系统补偿能力，则智能电容全部投入，即n=N，SVG满额输出：ISVG=ISVGmax
（2）KIc-3ISVGmax/4＜IQ≤ KIc，当0＜K＜N，此时需要补偿无功容量大于SVG补偿能力，因此投入部分智能电容，投入个数n=K，剩余的无功-3ISVGmax/4＜IQ≤0由SVG补偿，此刻智能电容处于过补状态，由SVG发出感性无功予以补偿；
（3）KIc＜IQ≤ KIc+3ISVGmax/4，当0＜K＜N时，此时投入智能电容数n=K，剩余的无功0＜IQ≤3ISVGmax/4由SVG补偿，此刻智能电容处于欠补状态, 由SVG发出容性无功予以补偿；
（4）KIc-3ISVGmax/4＜IQ≤ KIc+3ISVGmax/4，当K＜0时，此时需要补偿的无功较小，不需要投切智能电容，所以n=0，所有无功均由SVG完成补偿。
上述无功分配原则中，SVG的动作阈值为- 3ISVGmax/4 ＜IQ≤3ISVGmax/4 ，起到了节省SVG动态输出 容量的作用，避免SVG一直处于满负荷输出状态。
在Matlab/Simulink环境下建立混合补偿系统，设置在单个智能电容大补偿无功为20 kvar，SVG大输出无功量为25kvar，所以系统总体补偿容量为-25kvar~ 105kvar。
系统仿真参数：三相电源相电压为220V,频率为50Hz，负载由三相串联RL和三相不控整流桥组成含有谐波的无功负载源，用阶跃信号控制开关使负载发生变化，负载在0.075s处发生变化，变化前有功功率为30KW，无功功率20 kvar，变化后有功功率40KW，无功功率56 kvar；在0.175s负载恢复到变化之前。以A相为例，A相电压和A相负载电流如图14所示。
同时检测电源侧补偿后的电流、SVG输出的电流以及智能电容输出的电流，如图15所示。
在负载变化之前，系统总无功为20 kvar，未超过SVG的补偿范围，因此智能电容不用投入系统，此时系统无功全部由SVG完成补偿；当负载在0.075s变化后，系统检测到无功功率变大，计算出需要投切智能电容的个数为2，SVG需要补偿的无功功率为16,kvar，此时智能电容还不能立刻完成投切，需要等到下一个周期完成投切，而SVG响应速度很快，二者共同完成系统无功补偿；在0.175s时，负载恢复到初始状态，在下一个周期，智能电容完成切除，恢复到初始状态。
3、系统设计与实验结果
3.1实验平台设计
实验平台整体结构图如图16所示。基于DSP完成检测部分设计，利用传感器将各类电压和电流信号进行采集，并经过信号调理电路传输给DSP，经过DSP计算完成无功电流检测。通过DSP计算进行无功分配，并且计算出SVG电流控制指令，生成PWM控制信号，经过光纤隔离电路传输给IGBT驱动器，并终完成IGBT驱动控制；同时在条件满足的情况下,将智能电容的投切控制指令通过485通信传输给各个智能电容，终通过两者共同协作完成无功补偿。针IGBT及其驱动以及智能电容开关电路进行设计。
3.1.1IGBT及其驱动
所设计的SVG容量为7.5kvar，根据SVG的工作,额定电流和额定电压值，同时考虑到后期扩容的需要，选用某公司生产的的三电平IGBT模块，该三电平模块是专门为三电平逆变电路设计，为T型结构。选用PSPC432-EP4驱动器。
PSPC432-EP4型号的驱动器故障保护包含短路保护、过流保护和电压欠压保护等，当时产生故障时，可以自行封死每个IGBT，同时向外部发出故障信号；驱动器同时可以接收外部故障输入信号，当控制器主动发出故障控制信号时，可以将各个IGBT封死，达到保护功能。PSPC432-EP4型号的驱动器接口具体引脚如表2所示。
3.1.2智能电容投切开关电路
采用可控硅作为投切开关，可以控制智能电容分别在电压与电流过零点时投入与切除，但是功耗较高。采用磁保持继电器作为投切开关，可以实现低功耗，但是难以实现过零点投切。基于此，采用基于可控硅和磁保持继电器并联组成的新型投切开关。利用可控硅完成过零点投切，在正常工作时，大部分电流是通过磁保持继电器，实现低功耗。
所采用磁保持继电器是单线圈设计，闭合、断开靠线圈正负极换向完成，这里采用开关式继电器进行换向。另外，可控硅模块由两个反并联可控硅构成，在控制可控硅时，通过隔离变压器实现正负半周期触发驱动可控硅，电路结构如图17所示。
3.2实验结果分析
由于不能提供大量无功负载源，在实际实验中，目前只完成了SVG和一台智能电容的混合运行测试，SVG的补偿能力约为7.5kvar，智能电容容量为5kvar。三相电源相电压为220V，频率为50Hz，实验负载有功功率约为,10kw，无功功率约为8kvaro
以A相为例，补偿前结果如图18所示，补偿后结果如图19所示。由图可以看出，补偿后A相电流和A相电压相位基本重合，补偿效果良好。
4、安科瑞AZC/AZCL智能集成式电容器介绍
4.1概述
AZC系列智能电容器是0.4KV、50Hz 低压配电节能、降低线损、提高功率因数和电能质量的新一代无功补偿设备。它由智能测控单元，晶闸管复合开关电路，线路保护单元，两台共补或一台分补低压电力电容器构成。替代常规由熔丝、 复合开关或机械式接触器、热继电器、低压电力电容器、指示灯等散件在柜内和柜面由导线连接而组成的自动无功补偿装置。改变了传统无功补偿装置体积庞大和笨重的结构模式，从而使新一代低压无功补偿设备具有补偿效果更好，体积更小，功耗更低，价格更廉，节约成本更多，使用更加灵活，维护更方便，使用寿命更长，可靠性更高的特点，适应了现代电网对无功补偿的更高要求。
AZC系列智能电容器采用定制段式LCD液晶显示器，可实时显示三相母线电压、三相母线电流、三相功率因数、频率、电容器路数及投切状态、有功功率、无功功率、谐波电压总畸变率、电容器温度。
在AZC基础上，AZCL系列智能集成式电力电容补偿装置串接合适电抗率（7%适用于5/7次以上谐波环境，14&适用于3/5/7次以上谐波环境）的电抗，可有效抵制谐波，避免谐振放大谐波，保护电容柜本身寿命。
4.2应用场合
医院类、商业中心、数据中心、变频器行业、光伏行业、港口/油田类、化工/冶炼类...
4.3安科瑞AZC/AZCL系列智能电容器的选型
AZC智能电力电容补偿装置
AZCL智能集成式电力电容补偿装置
5、结束语
基于“SVG +智能电容”混合式无功补偿系统，利用智能电容器补偿主要的无功，利用SVG来补偿智能电容分级补偿欠补的无功，可实现低成本大容量快速连续补偿。首先针对混合系统中SVG的电流跟踪控制策略进行研究和分析，采用了加权式并联型重复控制，不仅消除了因重复控制延时控制引起补偿电流的畸变，同时提高了SVG的动态性能，从而提高了整体混合式系统的补偿效果。然后基于混合无功补偿系统运行特性的分析，给出了无功分配原则。后研制了一套混合式无功补偿系统，实验结果表明，系统可以对无功电流进行有效补偿。目前只完成了SVG和一者智能电容的运行测试，需要进一步实现SVG与多台智能电容器测试与分析，同时需要对系统中各个模块工作暂态进行分析。