南瑞集團公司（國網電力科學研究院）、國電南瑞科技股份有限公司的研究人員施勝丹、方存洋，在2019年第3期《電氣技術》雜誌上撰文，對SVG的諧波抑制、變壓器直流偏磁抑制等關鍵技術進行了研究，滿足兩段母線分列、並列運行的要求，成功研發出國內首套20kV配電網，集中-分佈綜合補償靜止型無功發生器（SVG）。在通過RTDS仿真驗證了關鍵技術正確性的前提下，在工程現場進行調試投運，結果表明此SVG運行穩定、滿足了蘇州工業園區高電能質量的需求。
為適應交直流混聯配電網的發展趨勢，同時提高蘇州工業園區電能質量，保證園區內電壓穩定、敏感負荷的正常運行，作為示範工程，國網蘇州供電局將蘇州工業園區建設為高電能質量的交直流混聯配電網。針對交直流混聯配電網的特殊應用需求及蘇州工業園區的工況，我司對此工程應用背景進行了詳細地分析。
在此前提下，針對相關問題研究了靜止型無功發生器系統（static var generator, SVG）在此工況下應用的關鍵技術，在通過仿真驗證的前提下，於2018年1月19日在蘇州工業園區110kV星華變通過驗收，成功投運，成為國內投運的首套20kV配電網集中-分佈綜合補償SVG。
截至目前設備運行正常，提升了區域內綜合電壓合格率，提高了電網側的電壓質量，保障了敏感負荷的正常運行。
該項目中研發的配電網集中-分佈綜合補償SVG接入2段20kV母線，並具備分列、並列運行兩種模式，額定容量10Mvar。針對母線中的5次諧波，開發了5次諧波電流抑制功能；針對變壓器直流偏磁問題，通過調整SVG輸出指令電壓對直流分量進行了抑制，從而保障了SVG的滿功率穩定運行。
1 應用場景研究與分析
蘇州工業園區高電能質量配電網應用示範工程，以構建高電能質量配電網示範區為目標，在對示範園區用戶電能質量差異化需求分析和電能質量等級劃分的基礎上，通過開展電能質量補償設備配置、補償設備的協調控制，針對蘇州園區的電能質量問題配置補償設備的方式來滿足用戶的高電能質量需求。其中，兩套SVG設備建設在蘇虹路工業區110kV星華變電站20kV ⅠM和ⅢM上，調節無功功率和節點電壓。
SVG接入點電壓20kV，每套SVG額定容量為10Mvar，接線示意圖如圖1所示。
圖1 SVG接入系統示意圖
經分析研究此應用場合有以下3點情況：
1）由圖1可見，兩套SVG視開關QF狀態不同，將存在分列和並列運行兩種狀態。
2）分析20kV母線電壓背景，發現5次諧波較大（約4%），超過20kV母線的諧波電壓要求（一般20kV母線諧波取10kV的國標要求（3.2%））。20kV母線電壓諧波含量如圖2所示。
圖2 20kV系統電壓中諧波含量分析
3）有可能出現直流分量導致變壓器偏磁。
SVG並列運行策略主要由DFACTS協調控制平臺考慮，SVG本身配合其完成即可，此處不進行詳述。本文主要針對此應用場合需求，結合主電路結構，在實現無功調節基本功能的同時，通過算法解決諧波、直流分量引起變壓器偏磁等附加問題，以適應本工程應用環境。
2 SVG主電路結構
本工程中採用的20kV配電網集中-分佈綜合補償靜止型無功發生器主要包含串聯變壓器、起動櫃、功率櫃、控制櫃這幾部分，並通過通信與DFACTS平臺進行信息交互，接收DFACTS對SVG關於啟停、控制方式、控制目標的遙控、遙調信號，上送系統電壓、電流、SVG電流、功率及狀態等遙測遙信量。結構如圖3所示。
圖3 SVG結構示意圖
圖3中，交流採集量分別為利用PT1採集的20kV母線電壓、利用CT1採集的20kV系統電流、利用霍爾採集的SVG電流。直流採集量為功率單元內各電容直流電壓。
3 SVG控制策略
SVG的控制策略包括兩部分：①基波控制策略，主要實現SVG的基本功能，無功控制；②適應配電網應用場景附加的控制功能，如諧波電流抑制、直流分量抑制等。
SVG控制框圖如圖4所示，包括基波控制、5次諧波電壓控制和直流電流控制3大部分，在指令電壓處進行疊加後，經PWM調製生成脈衝。
圖4 SVG控制框圖
1）基波控制策略
SVG的主要功能為利用對SVG電流的基波控制來調節無功功率，SVG的基波控制主要包括外環和內環，外環為直流電壓環和無功環（B視控制方式不同，可為固定無功功率、功率因數、20kV系統電壓、20kV處系統無功），輸出電流定值的d、q分量，進電流內環進行解耦控制，以獲得基波電壓指令。
2）應對諧波的控制策略
20kV母線電壓中5次諧波含量偏大，且其為110kV母線下負荷引起，SVG的有源濾波功能僅可抑制接入母線下負荷引起的諧波，即諧波電流，對輸電線中諧波電壓存在導致SVG接入點諧波電壓偏大沒有足夠的抑制能力。為不影響SVG工作狀態，提高SVG基波控制容量，需要研究應對諧波電壓的控制策略，使得SVG迴路中5次諧波電流較小。
控制原理為SVG輸出5次諧波電壓，其幅值為20kV中5次諧波電壓的一半，相位差30°，從而使得SVG電流中不含5次諧波電流。
其中，5次諧波經座標變換為負序，座標變換時與正序方向相反。
3）應對直流分量的控制策略
SVG採用SPWM橋式逆變結構，在實際應用中，由於各種因素的影響，輸出電壓脈衝列在基波週期內正負伏秒值不相等，從而導致加在變壓器初級的電壓含有直流分量，造成直流偏磁。為避免此種情況發生，在SVG中考慮加入直流分量抑制功能，即控制迴路中的直流電流。
其控制策略如圖4所示，其中k根據直流分量最大的相別判斷結果可為A、B、C相。在直流分量最大的相，其值也很小的情況下，A、B、C三相的直流分量電壓指令均為0；某相直流分量較大需要控制，則此項直流電流控制輸出的指令電壓經PI控制器產生，其他兩相指令為0。
4 仿真驗證
為5次諧波電壓對抗、直流分量抑制功能，利用RTDS仿真平臺搭建了20kV配電網集中-分佈綜合補償靜止型無功發生器接入系統的仿真模型，通過在110kV母線下加5次諧波源製造20kV諧波問題，其5次諧波含量約4%。通過調整A相12個功率單元左右橋臂IGBT參數模擬器件參數差異引起直流偏置。
其實驗結果分別見表1和表2。
表1 5次諧波電壓前饋控制投入前後SVG電流中5次諧波分量
表2 直流分量抑制功能投入前後SVG電流中的直流分量
5 現場試驗結果
SVG實現了對20kV母線處無功功率的快速動態調節，階躍時的無功功率曲線如圖5所示。可見，SVG可在10ms以內完成無功調節。
圖5 SVG階躍時無功輸出波形
投運前通過分析現場20kV側交流電壓波形已知5次諧波含量較大且隨負荷變化隨時改變，為此，在投運時分別投退5次諧波電壓前饋控制功能，相同功率下的電流波形如圖6所示。
（a）5次諧波電壓控制投入前A相SVG電流
（b）5次諧波電壓控制投入後A相SVG電流
圖6 SVG感性1Mvar情況下，投入5次諧波電壓
前饋控制前後的SVG電流波形在投入5次諧波電壓前饋控制的情況下，進行功率實驗，發現5Mvar情況下，電流波形明顯畸變，分析電流錄波，發現存在直流分量，投入直流電流控制功能，實現10Mvar滿功率運行。5Mvar功率時，投入直流電流控制前後的SVG電流波形如圖7所示。
結論
為滿足蘇州工業園區高電能質量配電網應用示範工程中對無功補償設備的需求，本文在充分理論研究、藉助完善的仿真驗證手段的基礎上，對傳統控制前後的SVG電流波形的級聯型SVG進行了功能優化，解決了諧波問題、直流分量等問題對設備自身以及配電網帶來的影響，研製了國內首套20kV配電網集中-分佈綜合補償靜止型無功發生器，順利投運，並穩定運行至今，提高了園區的電能質量，保障了芯片廠等重要敏感負荷的順利運行。
（a）直流電流控制投入前三相SVG電流
（b）直流電流控制投入後三相SVG電流
圖7 SVG容性5Mvar情況下，投入直流電流
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