基于PSIM的SVG的控制系统设计与仿真
Design and Simulation of SVG Costrol System Based on PSIM
王凯悦雷宇（西安石油大学，陕西西安710065）
摘要：无功补偿对解决现代电力系统的稳定性与经济运行等问题具有重要作用，可以有效提高电网电压质量和降低损耗,SVG是一种快速可控的无功补偿装置，其动态性能远优于传统机械式投切电容器。分析了SVG电路的基本工作原理，推导SVG的数学模型并对SVG的主电路的主要参数进行了设计。在PSIM平台搭建仿真模型，并进行了测试，结果表明，所设计的基于直接电流控制的SVG系统具有良好的动态性能，能有效实现系统无功补偿。
关键词：无功补偿;SVG；PSIM；仿真；数学模型
Abstract:Re a ctive power compens a tion pl a ys sn import a nt role in solving the stability ynd economic oper a tion of modern power systems.It c a n effectively improve the volt a ge qu a lity of the power grid and reduce losses.SVG is a fast tnd control-l a ble re a ctive power compens a tion device whose dyn a mic perform a nce is f a r superior to tr a dition a l ones.Mech a nic a l switch­ing c a p a citors.This p a per an a lyzes the b a sic working principle of SVG circuit,derives the m a them a tic a l model of SVG an
d designs the main p a r a meters of the main circuit of SVG.A simul a tion model is built on the PSIM pl a tform and tested.The re­
sults show that the designed SVG system b a sed on direct tively re a lize system re a ctive power compens a tion.
Keywords:SVG,PSIM,simul a tion,m a them a tic a l model
电力系统中的非线性用电设备，尤其是电力电子装置的不断普及，大多数电力电子装置都由于功率因数较低，电网电压超前于基波电流，会在很大程度上消耗系统中的无功功率，给电网带来额外负担从而影响到供电质量［1］遥随着电力电子技术的高速发展，最为突岀的是全控型器件IGBT器件的岀现，以及控制技术的提高，还有另外一种和传统的以电容器、电抗器为基础元器件不同的无功功率源，就是SVG(St a tic Var Genarator)，即静止无功发生器咱養静止无功补偿装置通过调节桥式电路在交流侧所产生的输岀电压的相角与幅值，从而直接控制输岀电流，并最终达到动态无功补偿的目的；同时使网侧的电压电流保持相同相位，使输电线路能够被有效利用，从而达到电力系统低成本高效率和安全可靠的目标回。由于采取脉宽调制技术、多电平或者多重化，因此能够在很大程度上减少或者减弱产生在补偿电流当中的谐波，并且电力电子器件的优点促进了SVG调节速度的加快，由于SVG所使用的电力电子器件及其所使用的电抗器和电容元件都很小，可以使装置的体积和成本都足够小［4］遥无功补偿主要作用
是提高供配电系统的功率因数，可以达到增大输电设备以及变电设备的利用率，并且提高用电效率，从而可以实现低消耗，低成本；另外，当输电线路长，距离远时，可以在恰当的区域安装动态无功的补偿装置，以此达到提高输电能力、稳定电网输岀电压以及增强供电系统的稳定性的目的［5］遥SVG工作原理分析
静止无功发生器通过电抗器并联在电网上的三相桥式变流电路，控制自换相桥式电路中的电力电子器件的导通时间和次序，可以改变桥式电路交流侧输岀电压的幅值和相位或者通过直接控制其交流侧电流，就可以产生或者吸收满足要求的无功功率，达到无功补偿目的冋。实际应用中SVG一般使用的是电压型桥式电路，故其一般指可自换相的电压型。SVG的等效电路raur如图i所示。
U s表示的是网侧交流电压，U l表示的是连接电网与SVG 上的电抗器L和等值电阻R两端电压，U g为SVG两端交流电压(取基波分量)，I表示的是电网侧输岀电流。遥表示的是网侧current control h a s good dynamic perform a nce and can effec-
图1SVG的等效电路
电压与SVG输岀电压的相位差，渍为电抗器和等效电阻两端电压和电网输岀电流的相位差。
无损耗情况下S等效相量图如2图所示，连接电抗器为纯电感，理论上不会消耗有功功率。当SVG两端电
压U g与电网电压U s同相时，调节U g的幅值和大小可直接控制觶遥当U g大于U s时，电流超前电压90。，此时SVG产生的是感性无功功率；当U s大于%时，电压超前电流90。，此时SVG产生的是容性无功功率。
图2无损耗情况下SVG的相量图
在考虑变抗器及电流器和线路损耗等额外因素的情况下，作岀其等效向量图如图3所示。当变流器处于理想状态下，U g 与觶相位差为90。，但由于电阻R的值不等于零，此时U s与I的相
图3考虑损耗情况下SVG
的相量图
位差变为90。-啄，电路产生的损耗由电网侧输岀电流的一部分有功分量来抵消，此时改变U g的幅值和相角，就可以改变输岀电流觶的相位和幅值。
2SVG的数学模型的建立与分析
将SVG的所有损耗(主要
为变压器损耗和开关元器件损
耗)都等效为一个等值电阻R,
置于SVG外部。此时将VSC
(电压型逆变器)看作是一个无
损耗的理想变压器，得岀如图
4的SVG向量图。
SVG系统输岀电压的有
图4SVG相量图
效值用U g表示，网侧输岀电压其有效值用U s表示。SVG中的变压器与电力半导体开关元件看作是理想的器件与开关元件，用等值串联感抗X表示变压器的漏抗和连线电感遥U s与U g的相位差是啄，电抗电抗器的器阻抗角为渍。分析图4的SVG工作向量图，可有以下公式：
扇U s sin啄-I R
P=(U s sin啄)I
缮Q=(U s cos啄)I(1)
C g=U s cos S+(U s s AS)X
、R
其中P表示的是系统输岀的有功功率,Q表示的是系统输岀的无功功率。由此得岀SVG的电路稳态描述方程为：扇U s sin8=I R
22
U s2U s2
P-恃sin啄抑恃啄
RR
22
Q-貉肘啄抑春啄
(2)
U g-U s(cos a+Xsin a)抑U s(1+R8)
取SVG的额定参数为基准，则:
U base=U N=U s
C b ase=Q N
<
2
Z=U base
(3)
上式中,Q n表示的是SVG额定无功功率的绝对值。对于静止补偿器装置，一般是将VSC分为交直流两个系统来分析的。对于交流系统，交流侧线电压有效值正比于其直流电压，则：u c=姨2k c姿U dc sin(棕t-8)(4) U dc表示的是直流侧电压，姿表示的是PWM的调制深度, 2k c表示的是直流侧电压的利用率。将直流电压的基准值表示为:
实际工作中，电网电压的波动不会过大，一般是在±5%以内变化的，则近似认为电网电压始和额定电压是相等的关系，即U s=1o利用上述基准对(2(式进行标幺化的模型为：
P鄢-丄82
R
Q-亠8
R(
6)
***
U dc一U c=1+笔8
I R
SVG空载时即运行状态时，其控制角8=0，输岀无功Q*=0且U*c=1。设此时的直流电压是U dc.0，则直流电压与交流电源电压的关系表示为：
U dc.0供⑺则直流电压增量可以表达为：
△U dc-U dc-U dc.0--笔--X Q
缮R(8) U n|一R*圯△U；N抑士X*
式中的负号表示的是，当SVG吸收的是感性无功功率(Q>0)时，直流电压减小，当SVG发岀的是容性无功功率(Q<0)时，直流电压增大。当系统从吸收到发岀额定感性无功之间变化时，对应的VSC直流侧电压的变化范围可以表示为：
U；=(1-X*)~(1+X*)(9)上述基于数学模型研究的标幺化模型为静止同步补偿器直流侧电压的变化范围以及参考直流电压的选择作参考。
3SVG主电路及其参数设计
3援1主电路拓扑结构
图5为所设计的SVG选用的主电路拓扑结构图，是一个桥式电压型逆变电路。将绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为电路的功率开关器件，它具有驱动功率低、开关速度高、饱和压降低的特点叫
图5主电路拓扑结构图
3.2三相SVG主电路参数设计
3.2.1给定电压的参数设计
对直流侧电压进行控制可以保持直流侧的电压维持在一定的数值，是SVG正常运行的前提。主电路直流侧电压U dc可通过适当控制SVG交流侧与直流侧之间的基波有功功率流动来保持其稳定。图6为采用i p-i择方式时直流侧电压控制原理图。
图6控制原理图
其中直流侧电压的给定值是U cr，实际检测到的直流侧电压为U fr，将U cr与U fr进行求差，然后送入PI调节器后得到调节信
号A i p，最后与瞬时有功电流的直流分量i p叠加后继续进行坐标反变换。直流电容电压与交流电源电压的差值作用于串联电抗
器上产生了补偿电流，为了有效的控制补偿电流的大小，电压值 必须满足：
U dc  逸
姨U° = 1.633U °
(10)
式中，交流电源线电压有效值用U s 表示，考虑到成本问题， 一般选择U d C =2U s ，此次仿真U dc 取值为800V 遥3.2.2交流侧电感的参数设计
本设计选择电感时必须保证补偿电流的变化率大于指令电 流的变化率，由于补偿基波电流时所需电感值较大，因此可以将 所需电感值确定为最大值。
当补偿电流变化率浊有一个合理的值时，补偿电流将具备 良好的跟踪性能。用I h.max 表示SVG 需补偿的h 次谐波的最大电 流幅值，用棕表示电网工频角频率，则SVG 最小补偿电流变化 率符合的条件是：
浊简 逸 max  ｛澡棕I Km ax  I
(11)
在载波调制方式下，需要限制SVG 的最大补偿电流变化 率。如果希望在一个载波周期内。补偿电流的变化不超过SVG  最大电流幅值的滓倍，滓一般取0.2~0.5。贝叽
浊 max  垲滓1 max  f carry
(12)
所以：
max 〔h  棕I h.max  1 垲浊垲滓1max f cany
(13)
根据经验一般取：
浊= (0.3〜0.QQcany
(14)L 抑0.66仏
(15)
浊
代入数值得:L=0.66mH 遥3.2.3 直流侧电容器的参数设计
SVG  在正常工作状态下实现的是主电路直流侧和交流侧 的能量交换，而直流侧电容一直是在充放电状态遥直流侧电容在 维持直流侧电压恒定的过程中起到重要作用。在实际应用中，如 果电容值选择过大时袁直流侧电压可以保持稳定袁但是随之带来
的是装置体积和成本的增加，会导致资源的浪费。当直流侧电容
值选择过小,SVG 处于补偿谐波状态时，当直流侧电压的波动 过大时，补偿效果会受到一定影响。
直流电容器的选择应按最严重的情况考虑，若要求SVG 输 岀的最低次谐波次数为h min ，最大电流幅值为I max ，直流电压波动 率比滓小。则电容值的计算方法如下：
3I
C 逸
貨 =1500滋F  (16)
4(h min  + 1)wCTU dc
其中，h min 次谐波为正序时取负号，负序时取正号，工频角频 率为棕遥本设计中实取C 为2200滋F 。4仿真结果及其分析
4.1 仿真模型建立
分析SVG 的工作原理，在
ae能做svg动画吗PSIM 仿真中搭建其系统的模 型袁分析负载为阻感负载条件时
的仿真波形。设置仿真系统的参 数如表1所示。
4.2 SVG 系统仿真波形及其分析
如图7所示，为补偿前网侧电压与电流的波形图，负载R  = 8.5Q,L=10mH ，此时网侧电压为380V 遥可以看岀补偿前电网电 压和电流相位是不同的袁电压的波形是超前于电流波形的袁说明 此时电网中含有感性无功。从图8可以看岀系统所含的感性无 功值为8.91kvar 遥
如图9所示，补偿后网侧电压和电流相位相同，可以实现单 位功率因数接近于1的目的。补偿之后的无功功率如图10所
表1 SVG 系统仿真参数
二匸山同欣门;-V
芹 & --ri  已：.：辿｝
■■/.芒士;!jIE
■：：■：耳
■n  H
SVG
电空1' 1年二匝屮：
Hz
图8补偿前无功功率波形图
示，可以看岀系统所含的感性无功值为285var ，与补偿之前相 比，系统无功含量明显降低。充分说明该设计可以准确的检测岀 电网中无功的含有量袁 并能有效的补偿无功袁 提高系统电能质
量。图11为直流侧电压波形图，从图中可以看岀直流侧电压稳 定在800V ，可以完全跟踪给定电压值。
AH
砧
Ir.ii  as  IJS
图10补偿后无功功率波形图
本系统也可以补偿谐波电流，具体补偿效果如下。补偿前网 侧电流波形如图12所示，可以看岀补偿之前的电流严重畸变，基 本上没有正弦波的形态。补偿前畸变率THD 高达30.8%遥图13 是补偿前负载电流频谱，由该图可以看岀负载电流含有大量谐
波成份，除了基波此外还包含大量的5次、7次、员3次等谐波，含
量分别为12.8A 、4.6A 、4.1A ，说明系统中含有大量谐波。
力口入补偿前的电网电流频谱图如图13所示，补偿后网侧电 流波形如图14所示，网侧电流波形正弦效果较好，网侧电流畸变
率从之前的30.8%降低到现在的14.7%
遥相较于补偿前有了明显
图11直流侧电压波形图
图14加入补偿之后的网侧电流波形
图12加入补偿之前的网侧的电流波形
降低遥图15是补偿后网侧电流频谱波形图，可以看岀除了基波外的5次、7次、13次谐波值明显减小，分别为0.4iA、i.8A、0.5A。结合以上说明本系统可以检测谐波并且有效达到补偿谐波的目的遥
图13加入补偿前的电网电流频谱图
通过仿真验证，本设计在利用SVG系统解决无功补偿问题方面展现岀其重要性，并且在补偿无功的同时也可以实现谐波检测以及谐波补偿的功能遥本系统在提高电能质量方面也显示岀了重要性，并且可以综合治理电网系统中常见的无功和谐波问题遥5结束语
随着电力系统不断进步，无功补偿器件趋于多元化发展，逐
:
<
«»da^M»last NM
图15加入补偿之后的电网电流的频谱图
置具有较好的动态性能，能有效实现系统无功补偿遥在降低损耗和提高系统效率等方面,SVG无功补偿装置显示岀了重要作用遥
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渐渗透到各个有电能的领域遥经仿真验证所提岀的SVG补偿装[收稿日期：2020.8.15]
(上接第141页)
品由于轴颈部位空间较紧凑，无法安装抱轴式，因此抱轴式接地装置常安装在传统轮对车轴上。产品使
用过程中由于轴端式接地装置安装在车轴端部，车辆运行过程中轮轨间振动传递到车辆等部件后会有放大作用轴端振动较大[3]，因此在运行过程中承受的振动冲击较大，但安装在轴端部分，不需要占用车轴内部空间。而抱轴式接地装置摩擦环通常采用过盈安装在车轴上，有效地减少振动和冲击的影响，但由于安装在车轴上，需要占用车轴内部空间。两种结构的接地装置各有其优点和缺点，因此，在使用过程中具体采用何种形式的接地装置常根据转向架轮对的结构进行合理布置和选型。
3结束语
接地装置作为轨道交通车辆运行过程中电流传递的关键零部件，无论是轴端式结构还是抱轴式结构其产品组成原理基本一致，包括碳刷、摩擦环等零部件。在运行过中通过压缩弹簧确保碳刷和摩擦盘之间的有效接触来保持电流的导通遥两种结构各有其优缺点，在产品的实际使用过程中具体采用何种结构应根据轮对的结构设计安装空间进行选择。
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[收稿日期：2020.8.30
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