第19卷第1期2021年1月
Vol.19No.1
Jan.2021电源学报
Journal of Power Supply
DOI：10.13234/j.issn.2095-2805.2021.1.126中图分类号:TM76文献标志码:A 不平衡电网下SVG和APF共母线联合
运行系统
董彦杰，付子义
(河南理工大学电气工程与自动化学院，焦作454000)
摘要：针对不平衡电网下并联混合有源电力滤波器APF(active power filter)和无功补偿装置体积过大和系统损耗的问题，提出一种在不平衡电网下的静止无功发生器SVG(static var generator)和APF并直流母线联合运行系统。其中,SVG主要用来快速补偿无功和电网不平衡,APF滤出电网和SVG的特定次谐波。该
联合系统通过并直流母线减小了电容的体积，使系统总体积减小；降低SVG的开关频率使系统损耗减少。对系统环流抑制策略进行了分析，确定了在从模块上加入环流进行抑制环节，并解决了并联系统中出现的环流问题。最后通过Matlab/Simulink仿真验证了该联合系统的可行性。
关键词：无功补偿；谐波治理；静止无功发生器；有源电力滤波器；并直流母线；环流
Common-bus Joint Operation System of SVG and APF under
Unbalanced Power Grid
DONG Yanjie,FU Ziyi
(School of Electrical Engineering and Automation,Henan Polytechnic University,Jiaozuo454000,China)
Abstract:Aimed at the problem of excessive volume and large system loss in a parallel hybrid active power filter (APF)and reactive power compensation device under unbalanced grid,a common DC bus joint operation system of a static var generator(SVG)and an APF under unbalanced power grid is proposed,in which the SVG is mainly used to qui­ckly compensate the reactive power and power grid imbalance while the APF filters out the specific sub-harmonics of power grid and the SVG.Through th
svg运行方式有哪些
e common DC bus,the joint system reduces the capacitor volume,thereby reducing the system's total volume.In addition,it reduces the switching frequency of the SVG,which decreases the system loss. The circulating current suppression strategy for the system is analyzed,and a circulation module is added to the suppression link,which solves the circulation problem in the parallel system.Finally,the feasibility of the joint system is verified by Matlab/Simulink simulations.
Keywords:reactive power compensation;harmonic control;static var generator;active power filter;common DC bus; circulating current
近年来，随着非线性电气设备被越来越多地应用于工业和商业以及各种新能源的并网，使得电网中的电压电流谐波、电网电压不平衡和无功不足等电能质量问题更加突出叫在谐波治理上，有源倒电
收稿日期：2018-04-28；录用日期：2018-06-06
基金项目：国家重点研发计划专项资助项目(2016YFC06009 06)；矿井电力监控系统资助项目(11991131)
Project Supported by National Key Research and Development Program(2016YFC0600906);The Mine Electric Power Monit­oring System(11991131)力滤波器APF(active power filter)由于具有优良的
滤出特性逐渐取代了无源滤波器叫在无功补偿控制领域，静止无功发生器SVG(static var generator)相对于传统SVC(switching virtual circuit)，也有着无可比拟的优势，逐渐得到应用。APF和SVG都是通过产生波形幅值相同但相位相反的电流来补偿谐波或无功叫
如文献［1］所述，通常采用单一的APF和SVG 等来解决电能质量问题，同时处理谐波和无功时会
第1期董彦杰，等：不平衡电网下SVG和APF共母线联合运行系统127
增加额外设备投入，使总体补偿装置体积过大。通过采用SVC和APF分开控制的综合补偿方案已经在电弧炉谐波治理和无功补偿上得到了应用冋，但SVC 无功补偿不能连续可调，且只能输岀容性。混合型有源电力滤波器HAPF(hybrid active power filter)兼具无源滤波器和有源滤波器的优点，是一种谐波治理和无功补偿装置，但其只能补偿固定容量的无功功率冋。
本文针对不平衡电网下的无功补偿和谐波治理，提岀了一种SVG和APF两模块共直流母线的联合运行系统，该联合系统兼顾了SVG和APF的特点，能够同时补偿无功和消除电网电流谐波。在分析SVG和APF原理的基础上对联合系统的控制方法进行研究，并对环流的抑制策略进行了分析，岀了适合该系统的环流抑制措施。此系统在稳定运行的同时减少了系统损耗，采用并联的拓补结构在提高容量的同时也避免了装置体积过大的问题。
1联合运行系统的结构与控制设计
1.1联合运行系统结构
SVG和APF组成的联合系统结构如图1所示。图1中，U x(x=a，b，c)为三相电压，i c x1和i c x2分别为SVG输岀电流和APF输岀电流，汇为负载电流。联合系统由1个SVG模块和1个APF模块组成，采用这种拓补结构相对两模块并联减小了装置体积，而补偿容量比单一模块大，另外可以由APF消除SVG产生的谐波，这样可以使SVG的开关频率降低，减少系统损耗。该联合系统在运行时，由SVG 作为主模块来补偿负载无功和电网不平衡；由APF
图1SVG和APF联合系统结构
Fig.1Joint system structure of SVG and APF 作为从模块用来消除负载和SVG产生的谐波，同时对并联系统产生的环流进行抑制。
1.2SVG主模块控制设计
为了能够在不平衡电网下使并联系统稳定补偿无功和谐波，需要考虑电网不平衡产生的负序电流对控制结构的影响。因此，该并联系统在SVG主模块控制上采用正、负序双坐标系(d，q)双电流内环控制策略，对正序和负序电流进行独立控制[7]，解决了在不平衡电网下主模块的控制问题。在主模块中直流电压外环采用PI调节器，其成为
”K vp+j(U dc-U dc)]U*c(1)
式中卫0为调节器输岀功率设定值；U dc和U dc分别为直流电压的设定值与检测值；K vp和K vi为PI系数。设：u p、u p和u d、u分别为d、q轴上的正序和负序电
动势分量，i d、i q和i n、必分别为d、q轴上的正序和负序电流分量。
采用双序同步控制需获得正、负序电流控制指令i p*、i q*和i n*、i q*，然后通过正序、负序前馈解耦控制产生相应的电压控制指令v d*和v p*[8]o
正序电流内环前馈解耦控制算法为
d p=u d-(PI)(i d—id)+s Li q
=up—(Pi)(i q*—i q)-心
负序电流内环前馈解耦控制算法获得，即
v d*=Ud-(PI)(i n-id)-^Liq
-(3)
bq*二U
厂(PI)(D+3Li
采用此种控制，还需要分别检测逆变器交流侧
正负序电压和电流，具体步骤见文献罔。
在SVG主模块中无功补偿在正序控制环节
中，首先采用对称分量法去除电网电压不平衡的影
响，利用瞬时无功理论思想把负载电流丘、张、汇转换到dq坐标下，得到ih、itq、i Lo，用低通滤波器LPF (low pass filter)去除负序和谐波分量，得到的直流分量反馈到SVG正序控制环中，与SVG输岀电流的正序无功分量i d相减，最后经PI误差校正，计算岀所需补偿的无功量。计算公式为
0p-i
ca1
i p q=C i
cb1
Jo_'ccl_
(4
)
128
电 源 学 报
总第93期
i L
i La
i Lq =-C i Lb
.ZLc
⑸
cos (M t ) cos (®t-2n /3) cos (®t+2n /3)
-sin (®t ) -sin («t-2n /3) -sin («t+2n /3) 1/VT
1/vT
1/vT
(6)
if  = i q -i L q  (7)
通过式(4)~式(7)求出负载正序电流中需要补 偿的无功电流分量if ，其中三相三线结构中，i °和诂 均为0。
联合系统在不平衡电压下实现稳定运行的同时
进一步消除负载电流不平衡，负载电流不平衡主要 是因为其中存在负序电流，在主模块中采用了正、负 序双坐标系(d ,q )双电流内环控制方法，因此通过在
SVG 主模块的负序控制环节补偿因电网不平衡负载 产生的负序电流。通过对称分量法把负载电流中的 负序分量分离出来，与逆变器输出电流i c x i 的负序分
量做差，经PI 调节环节之后叠加到负序电压控制环 控制逆变器，最终实现不平衡电网的补偿。无功补偿
及不平衡补偿控制如图2所示。
1.3 APF 从模块控制设计
对于APF 从模块控制，由于和SVG 主模块共
直流母线，在控制上省去了平衡直流母线环节，使
电流环控制结构简单，用常规电压、电流环双环控 制即可满足控制要求。由于该模块不需要平衡直流
母线电压，而谐波电流本身产生的有功分量可以忽 略不计，因此可采用开环控制。i ；设定为0；由文献
［9］可知，一般当给定值i ；为0时可使得在满足额定 负载要求下的电流最小。
在APF 模块中谐波治理采用基于时域瞬时无 功功率理论指定次谐波消除方法［10］。为了提高补偿 精度，控制方案采用基于多同步旋转坐标系的控制
策略。由于PI 控制器可实现对直流恒值给定信号
的无静差跟踪，所以将检测到的负载电流信号通过 与某指定次谐波角速度同步旋转坐标变换转化成
直流量［11］，对此直流量进行电流PI 控制，理论上可 以做到对指定次谐波的无静差跟踪；并行增加数个 指定次谐波电流控制环，将其叠加组成完整的指定 次谐波电流控制器。
2系统环流抑制对直流母线的影响
2.1环流抑制策略
APF 从模块控制结构以及多同步旋转坐标系 下指定次谐波控制策略如图3所示。由于系统直流
侧采用并直流母线的并联方式，在结构上两组逆变
m L m L
NOTCH 100 Hz
pi
正序
PI i P
pi
m L m L
SVG 主控制结构
负序
PI
LPF
LPF u
n
不平衡分量提取
id  I  -
F
p 並
i  -
LPF
-1
图2 SVG 主模块正、负序双电流内环独立控制结构
Fig. 2 Independent  control  structure  of  positive - and  negative -sequence  double -current  inner  loop  of  SVG  main  module
珑14
检测
p
测她检测
P 2=0P C =0
id ；
u p u p ip-i p
无功分量提取
=)
u
第1期董彦杰，等：不平衡电网下SVG和APF共母线联合运行系统129
图3多同步旋转坐标系下指定次谐波补偿结构
Fig.3Specified sub-harmonic compensation structure in multi synchronous rotating coordinate system
器之间形成了环流回路，导致了环流的产生。环流主要是零序环流i o,i o的存在虽然只在两逆变器间流通，不会对逆变器输出到电网上的电流造成影响，但是环流的出现会增加电阻的功率损耗，降低2个逆变器功率的有效利用率，直流环流还可能使电感出现饱和。环流i o计算公式囱为
i o=i cal+l cbl+i ccl=ian+icbl+iccl(8)
环流抑制是并联直流母线系统不可缺少的，由于环流在SVG和APF模块间流过，因此理论上只在1个模
块中采取措施抑制就可以抑制环流。对于SPWM，采用外加调节器的方法就可以抑制环流。首先需要检测出环流i o，经PI调节，得出所需调节环流电压A u，将其分别加到三相控制电压上就可以实现对环流的抑制。
在仿真过程中发现直接在SVG主模块中采取环流抑制措施，虽然可以使环流得到抑制，但是会使直流母线电压出现较大的波动，在控制环节中出现较大的控制电压，对系统控制造成影响；对APF 从模块来说，直流母线电压的不稳定会对谐波的消除造成影响，使谐波滤出不够彻底。而在APF从模块中采取环流抑制措施则不会出现这样的现象，甚至对环流的抑制效果更好。2.2环流抑制对直流母线的影响
针对上述问题，对2个模块的控制结构进行了分析。首先，由于环流中主要是以零序电流分量为主，此次抑制措施也是针对零序环流，但是通过对消除零序环流之后的环流成分进行FFT分析之后发现，在剩下的环流成分中存在一部分的谐波环流，主要是3次谐波环流。这些谐波环流通过PI调节器加到SVG控制电压后会使控制电压中的谐波含量增加，导致SVG输出电流中出现谐波含量，并使得直流母线电压出现较大的波动。
另外，在SVG主模块中，由于采用正、负序双坐标系(d，q)双电流内环控制策略，通过p*计算正负序电流设定值，其与直流侧平均电压有关，当系统直流母线电压采用PI调节时，其n时刻p*表达式为
p*(n)=[(!vp+(9)
式中:E p、E q和E d、E；分别为d、q坐标下电压的正序、负序直流分量;D=(E P)2+(E p)2-[(E d)2+(E q)2]，
且
130电源学报总第93期
D M0。
下一时刻，在SVG主模块中加入对环流抑制措施，使得控制电压中出现谐波分量引起直流母线电压出现波动，定义波动量为则有
有功功率波动量为
Ap o=-U dc(K yp+K vI)A U d c(12)
s
交流侧电压正常情况下不会突变，可得到下一时刻受环流影响的d、q轴正序、负序指令电流波动量，即
控制系统电流环是一个积分环节，采用PI调节器，指令电流受环流影响时，由此产生的电压控制指令也会出现波动。由式(9)〜式(13)以及式(2)和式(3)可知，最初因逆变器间环流导致的直流母线电压波动量，经过几次PI调节之后得到了对应的电压控制量AU bc，这使得控制系统中出现很大的交流电压分量，对系统的稳定性以及直流母线电压造成影响。
对于APF从模块，其在控制结构中省略了直流母线电压控制环节，从而使电流环不受直流母线电压波动的影响。另外APF从模块本身是用于滤出谐波，其控制电压中主要是谐波分量，在控制环节加入环流抑制措施后剩下的环流谐波成分经PI 调节之后相对APF从模块原有的控制电压谐波分量就很少，不会对控制电压产生较大的影响。经过理论分析和仿真验证，最终环流抑制措施加入到APF从模块控制结构中，环流得到了很好的抑制。3仿真分析
3.1仿真参数
采用Matlab/Simulink对该联合系统进行仿真，验证系统的可行性。
两模块具体仿真参数设置为：主SVG滤波电感L1=8mH，电阻R1=0.1Q；从APF滤波电感厶2= 1.9mH，电阻R2=0.1Q；直流母线端电容C=2000吓；直流母线电压给定U dc=500V；负载电阻R L1=10Q，负载电感L l1=1mH，负载电阻R l2=5Q，负载电感L l2= 10mH；电网频率为50Hz；调制方法为SPWM，SVG 调制频率为2kHz；APF调制频率为10kHz。电网电压为
u a=180cos(e t+0p)
+u b=220cos(血一120°+外)(14)
—c=220cos(e t+120°+0p)
3.2仿真结果分析
图4为在联合系统投入前的电网电压和电流，图中A相电压偏低，三相电压不平衡，受电网电压影响三相电流中含有负序电流，另外由于非线性负载和电感负载，负载电流中含有谐波和无功电流。图5所示为SVG单独补偿无功和不平衡前后的电网电流波形，上边图形为A相电网电压和电流波形，在0.13s SVG投入且只补偿无功，可以看到在无功补偿之后电压和电流基本同相位；在0.16s加入不平衡补偿控制后电流基本达到平衡。
在SVG主模块对电流补偿无功和不平衡之后，又加入了APF模块进行电流谐波消除，从图6上下2个波形可以看到，谐波消除之前，波形畸变严重，谐波消除之后，电流波形接近正弦；图7为谐波消除后的电流波形FFT分析，从图中可以看到，在APF模块对电流消除之后电流THD从16.11%下降到3.34%，满足电网电流对谐波含量的要求。
图4补偿前电网电压和电流
Fig・4Voltage and current of power grid
before
compensation