(1.北京潞电电力建设有限公司 北京市通州区;2.北京潞电电力建设有限公司 北京市通州区;3.北京潞电电力建设有限公司 北京市通州区)
摘要：针对目前农网配电台区中存在三相不平衡、低电压以及谐波等多元化电能质量问题，提出了一种基于模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter, MMC)的智能台区电能质量综合治理方法，分析并阐述了基于MMC技术的静止无功发生器(Static Var Generation, SVG)拓扑结构及基本控制策略，基于英博电气自主研发的台区变静止无功发生器INPPCG 50/0.4-F对上述策略进行了验证，最后对智能台区电能质量综合治理装置实际运行场景下的测试数据进行了分析，分析表明所开发的电能质量综合治理装置可灵活运行在三相不平衡+无功补偿、三相不平衡+谐波补偿和三相不平衡补偿等多元化补偿模式，并能够对各电能质量问题可进行有效治理。
关键词：模块化多电平变换器；静止无功发生器；农村配电网；电能质量综合治理装置
Research on Comprehensive Management of Power Quality in Rural Grid Based on Modular Multilevel Converter
Author1：hubaoyu,, Author2:lihonyan,, Author3:yanjun.
( beijingludiandianlijiansheyouxiangongshi )
Abstract: Aiming at the problem of diversified power quality in rural grid, such as three-phase imbalance, low voltage and harmonics, this paper proposed a comprehensive management of power quality based on Modular Multilevel Converter. This paper analysis and expatiates the topology and control strategy of Static Var Generation based on MMC technology. The above strategy was validated based on Power quality comprehensive management device INPPCG 50 / 0.4-F, which was developed by In Power Electric Company. Finally, the test data of the actual operation shows that the developed power quality comprehensive control device can be run flexibly in the three-phase unbalanced + reactive power compensation mode, three-phase unbalance + harmonic Wave compensation mode and three-phase unbalance compensation mode. The developed power quality comprehensive control device can improve each power quality problems significant.
Key words: Modular Multilevel Converter, Static Var Generation, Rural power grid, Power quality comprehensive control device
0 引言
农网由于供电线路长，供电网络中即存在三相用电负荷，也有单相用电负荷[1-3]。另一方面随着电子电子技术的发展，各种分布式电源通过变流并网接入农网中，导致农网电能质量恶化，造成馈线末端电压跌落、谐波污染以及三相不平衡等[4-5]。各电能质量问题分别使得线路损耗增大、配电网变压器利用率降低、中性点偏移以及设备寿命缩短。
为解决上述问题，国内外先后采用串并联电容器、同步调相机、静止无功补偿器以及静止无功发生器等方法。其中串并联电容器以及同步调相机为无功补偿领域中应用最广泛的无功补偿装置，文献[6]基于投切电容器的方法提出了电容器优化投切的作用范围法，研究了电容器补偿点前后无功规划的方法，该方法具备响应速度较快、控制简单及单位投资低等优点，但该补偿方式属于一种有级的无功调节，虽结合目前先进的控制技术，投切电容器法具有广泛市场，但仍不能进行平滑调节，在负荷波动较频繁的场景下出现技术瓶颈。文献[7]对同步调相机应用到无功补偿中的机理及控制方法进行了研究，结果表明该方法能够进行连续的调节，调节精度好且控制简单，但因其成本高及安装复杂等缺点，目前正逐步淘汰。静止无功补偿器(Static Var Compensator, SVC)作为一种FACTS装置，是目前广泛应用的动态无功补偿方法。文献[8-9]对SVC控制策略及对电力系统电压稳定性影响进行了研究，结果表明该技术具备较好的综合性能。SVG基于瞬时无功功率的概念和补偿原理采用GTO构成的换相交流器，其在调节灵活性、响应速度、调节精度等性能指标上较SVC更优，是目前调节效果最好的装置，但受限于其体积大、成本高和控制复杂等确定缺点。为解决上述瓶颈，文献[10]将多电平技术运用到SVG变换器中，结果表明其具有输出谐波含量少，降低器件及成本等有点。
本文将在一种新型的模块化多电平变换器拓扑结构上研究其控制策略，该拓扑结构具有公共直流母线可实现四象限运行，并以英博电气研发的台区静止无功发生器INPPCG 50/0.4-F作为实验装置，最后通过对内蒙准格尔薛家湾供电公司、河北廊坊供电公司、江苏苏州供电公司以及浙江宁波供电公司现场实际运行结果分析，验证了基于MMC技术的SVG装置INPPCG 50/0.4-F在电能质量综合治理上具备良好的效果。
1 模块化多电平SVG拓扑结构及控制策略
1.1 单相及三相拓扑结果
模块模多电平变换器SVG单相拓扑如图1所示，源端为两个并联的电容，其容量一般设置为相同。上桥臂由n个功率单元和一个交流电抗器组成，下桥臂与上桥臂对称，Ui为功率单元，且各功率单元结构相同，可即插即用，便于设计和维护，因此该拓扑高度模块化，具有很强的可扩展性和灵活性。功率单元结果如图2所示。
由图2可知，功率单元由两个反并联二极管的IGBT串联，再与电容并联，端子A、B与主电路连接，通过控制上、下开关通断来保证功率单元直流侧电容电压稳定。根据开关状态可将功率单元划分为3种状态：1）充电，即电流由A流向B、S1闭合、S2断开；2）放电，即电流由B流向A，S1闭合、S2断开；3）旁路，即电流由A流向B，此时S1断开、S2闭合，或者电流由B流向A，此时S1及S2均断开。模块模多电平变换器SVG三相拓扑如图3所示。
由图3可知，三相拓扑结构由单相扩展而来，其中功率单元与单相一致。各相均串联交流电抗器，以避免过大的环流击穿功率器件，且在故障情景下，电抗器能够有效抑制电流冲击，确保系统封锁IGBT触发脉冲时间，提高系统动态性能及可靠性。
如图4所示，并网侧给定电压信号与实际检测值作差经PI环节得到电流参考信号，其与SVG输出端口电流作差先后经过PI环节以及前馈解耦环节后生成电压信号，最后经PWM调制后获得开关开通及关断信号。直流母线电压与有功有功关联，当电容电压低于参考值时，需要交流网侧输入有功电流，而当电容电压高于参考值时，需要向交流网侧输出有功电流，常规直流电压控制方法有PI控制法[11]、有功功率平衡法[12]，以及基于两种方法的改进方法[13]，这里不再详述。
2 台区变SVG装置INPPCG 50/0.4-F
英博电气自主研发的台区变静止无功发生器INPPCG采用可关断电力电子器件（IGBT）组成MMC电路，经过电抗器并联在电网上，适当地调节MMC电路交流侧输出电压的幅值和相位，迅速吸收或者发出所需的无功功率，实现快速动态调节无功的目的，其实物图如图5所示。作为有源形补偿装置，不仅可以跟踪冲击型负载的冲击电流，而且可以对谐波电流也进行跟踪补偿。
图5 INPPCG实物照片
Fig.5 INPPCG physical photo
其技术优势包含：1）双向无极动态补偿，SVG可以快速吸收或者释放连续的无功功率，响应时间≤10ms，在补偿容量充足的情况下可保证电网功率因数接近于1；2）不平衡电流补偿，SVG实时检测系统电流，按对称分量法将系统电流分解为正序分量、负序分量及零序分量，然后生成控制信号驱动IGBT发出补偿电流，抵消系统存在负序及零序分量，达到三相电流平衡的目的；3）谐波治理功能，SVG实时检测系统电流，基于瞬时无功理论将谐波电流逐次分离出来，按照设定的滤波百分比生成控制信号驱动IGBT输出与谐波电流相位相反的补偿电流，达到谐波抵消的目的；4）电压支撑作用，对补偿点电压进行采样，将电压信息传递给内部处理器FPGA，以判断补偿点电压是否超过设定值，当电压超过电压上限(Umax)时，SVG输出感性电流，降低电压；反之，SVG输出容性电流，提升电压。INPPCG 50/0.4-F技术参数如表1所示。
Fig.7 System parameters before and after compensation
由最后补偿结果可知，补偿后A相、B相电压分别提高了5.14V和0.23V，C相电压降低了2.83V，电压平均值升高了0.9V，电压波动范围减小了2.73%，电压不平衡度降低了0.23%；A相、B相电流分别减小了0.52A和22.18A，C相电流升高了25.73A，电流不平衡度减小了10.79%；A、B、C三相功率因数分别提高了0.0658、0.0433、0.1048。INPPCG 50/0.4-F装置投入后，系统三相功率因数均趋近于1，且无过补偿情况，有效平衡了系统三相电流，中性线电流大大降低，消除中性点电位漂移，稳定了系统电压，大幅度改善了系统电能质量，提高了供电可靠性，延长变压器及用电设备的使用寿命。
3.2河北廊坊供电公司测试数据分析
现场安装INPPCG 50/0.4-F装置一套，补偿容量为50kVar，变压器容量为315kVA，变比为10/0.4kV。在补偿前，该区域存在三相电流不平衡且中性点电流较大、电压波动范围大导致电压合格率偏低以及3次谐波电流含量较高，因此INPPCG 50/0.4-F运行在三相不平衡+谐波补偿模式，补偿前后电流、电压矢量图以及系统参数列表对比分别如图8、图9、图10所示。
由结果可知，补偿后A相、B相电压分别提高了5.35V和0.77V，C相电压降低了4.02V，中性点电压降低了6.3V，电压波动范围减小了4.07%；A相、B相电流分别减小了24.2A和33.1A，C相电流升高了14.1A，中性点电流减小了52.5A；A、B、C三相3次谐波含量分别减少了94.2%、92.4%、95%。INPPCG 50/0.4-F装置投入后，有效平衡了系统三相电流，中性线电流大大降低，消除中性点电位漂移，稳定了系统电压，系统3次谐波电流滤除率高达90%以上，大幅度改善了系统电能质量。
3.3江苏苏州供电公司测试数据分析
现场安装INPPCG 50/0.4-F装置2套，补偿容量为50kVar，变压器容量为160kVA，变比为10/0.4kV。现场大量使用增氧器设备，使得在补偿前该区域功率因数偏低，存在一定三相电流不平衡现象，因此INPPCG 50/0.4-F运行在三相不平衡+无功补偿模式，补偿前后矢量图以及系统参数列表对比分别如图11、图12所示。
Fig.12 System parameters before and after compensation
由最后补偿结果可知，补偿后A相电压增大了1.04V、B相电压减小了0.18V、C相电压增大了0.11V，电压平均值提高了0.32V，电压波动范围减小了65.6%，三相不平衡度减小了50%；A相电流减小了11.53V、B相和C相电流分别增加了6.46V和3.52V，中性点电流减小了14.86A，电流三相不平衡度减小了91.13%；ABC三相功率因数分别提高了0.156、0.103、0.042，总功率因数提高了0.121。INPPCG 50/0.4-F装置投入后，系统功率因数大幅提高且无过补偿现象，有效降低系统电流，降低线损，有效平衡系统三相电流，降低中性线电流，消除中性点电位漂移，稳定系统电压。
3.4内蒙准格尔旗薛家湾供电公司测试数据分析
现场安装INPPCG 50/0.4-F装置2套，补偿容量为50kVar，变压器容量为400kVA，变比为10/0.4kV。补偿前该区域存在三相电流不平衡、中性线电流较大，电压波动范围较大，电压合格率较低等现象。因此INPPCG 50/0.4-F仅运行在三相不平衡补偿模式，补偿前后矢量图以及系统参数列表对比分别如图13、图14所示。
由最后补偿结果可知，补偿后A相、B相电压分别减小了0.87V和0.52V，C相电压提高了0.39V，电压波动范围缩小了35.6%，电压三相不平衡度减小了13.6%；A相、B相电流分别增加了39.97V和32.29V，C相电流减小了43.83V，电流波动范围缩小了97.4%，电流三相不平衡度减小了96.3%。INPPCG 50/0.4-F装置投入后，有效平衡了系统三相电流，消除了中性点电位漂移，稳定了系统电压，改善了系统电能质量，提高了供电可靠性，延长了变压器及用电设备的使用寿命。
4 结论
农网由于往往由于供电线路较长，加上越来越多的清洁能源通过电力电子器件接入电网，使得农网出现三相不平衡、谐波污染、电压偏低、功率因数较低等多元化电能质量问题，造成农网线损较高、变压器有功输出容量降低等现象，不利于系统稳定经济运行。本文在总结分析了各种无功补偿技术的优缺点后，将MMC技术运用到SVG中以获得更好的运行性能及经济性，提出了一种新型的模块化多电平变换器拓扑结构，在该拓扑结构上，研究了交流侧及直流侧控制策略，基于英博电气研发的台区静止无功发生器INPPCG 50/0.4-F作为实验装置以实现本文的控制策略。最后通过对内蒙准格尔薛家湾供电公司、河北廊坊供电公司、江苏苏州供电公司以及浙江宁波供电公司现场实际运行结果分析，验证了基于MMC技术的SVG装置INPPCG 50/0.4-F在电能质量综合治理上具备良好的效果。
参考文献:
[1]周虎,陈佳黎，鲜龙，等.电网三相不平衡下农网低电压治理的研究[J].电网与清洁能源,2015,31(11):13-18.
ZHOU Hu, CHEN Jiali, XIAN Long, et al. Research on the Low Voltage of Three-Phase Unbalance in Rural Grid [J].Power System and Clean Energy, 2015,31(11):13-18.
[2]刘家军,刘栋. 农网低电压治理的三级练调方式[J]. 西安理工大学学报, 2011, 27(4): 423-429.
LIU Jiajun, LIU Dong. Research on three order voltage regulation of rural power grid low voltage controlling [J]. Journal of Xi’an University of Technology, 2011, 27(4): 423-429.
[3]杜瑞英. 农网低电压综合治理[D]. 保定：华北电力大学，2012.
[4]王成山，肖朝霞，王守相.微网中分布式电源逆变器的多环反馈控制策略[J]. 电工技术学报, 2009, 24(2): 100-106.
WANG Chengshan, XIAO Chaoxia, WANG Shouxiang. Research on Key Technologies of Microgrid [J]. TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY, 2009, 24(2): 100-106.
[5]王成山,高菲,李鹏,等.低压微网控制策略研究[J].中国电机工程学报,2012,32(25):2-8.
Wang Chengshan, Gao Fei, Li Peng, et al. Control strategy research on low voltage microgrid[J].Proceedings of the CSEE, 2012, 32(25): 2-8.
[6]王威,韩学山,王勇,等.配电网络电容器优化投切的作用范围法[J].电力系统及其自动化学报, 2008, 20(6),:36-40,69.
WANG Wei, HAN Xueshan, WANG Yong, et al. Action scope algorithm for optimal capacitor switching in distribution network[J]. Proceedings of the CSU-EPSA, 2008, 20(6),:36-40,69.
[7]金立军,安世超,廖黎明,等. 国内外无功补偿研发现状与发展趋势[J]. 高压电器, 2008, 44(5): 463-465.
JIN Lijun, AN Shichao, LIAO Liming, et al. Present Situation and Development of Reactive Power Compensation Both at Home and Abroad [J]. High Voltage Apparatus, 2008, 44(5): 463-465.
[8]Zou Z Y, Jiang Q J, Cao Y J, et al. Normal form analysis of interactions among multiple SVC controller in power systems [J]. IEE Proc.-Gener. Transm. Distrib, 2005, 152(4): 469-474.
[9]Noroozian M, Andersson G. Damping of power system oscillations by use of controllable components [J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1994, 9(4): 2046-2054.
[10]Rodriguez J, Bernet S, Bin Wu, et al. Multilevel voltage-source-converter topologies for industrial medium-voltage drives [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2007, 54(6): 2930-2945.
[11]阎宏. 功率单元级联型SVG控制策略的研究[D]. 兰州：兰州交通大学, 2014.
[12]董晓东. 功率模块并联型SVG控制策略的研究[D]. 兰州：兰州交通大学, 2013.
[13]荆龙, 唐芬, 王之赫, 等. 基于模块化多电平换流器的牵引供电系统电能质量治理方法[J]. 电力系统自动化, 39(11): 173-179.
JING Long, TANG Fen, WANG Zhihe, et al. A Power Quality Compensating Method for Traction Power Supply System Based on MMC [J]. Automation of Electric Power System, 39(11): 173-179.
作者简介：
作者1：胡宝玉、北京市通州人、国网北京电力公司通州分公司，北京潞电电力建设有限公司市场综合部主任、电气工程师。
作者2：李洪岩、北京市通州人、国网北京电力公司通州分公司，北京潞电电力建设有限公司市场综合部信息员、电气工程师。
作者3：闫军、北京市通州人、国网北京电力公司通州分公司，北京潞电电力建设有限公司市场综合部（预算）造价师、电气工程师。
论文作者:胡宝玉1,李洪岩2,闫军3
论文发表刊物:《电力设备》2017年第27期
论文发表时间:2018/1/12
标签：电流论文; 电压论文; 不平衡论文; 谐波论文; 电能论文; 变换器论文; 相电压论文; 《电力设备》2017年第27期论文;