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为解决配电网电力电子设备存在的功能单一、利用率低、造价高及协同难等问题，福州大学电气工程与自动化学院的研究人员游建章、郭谋发，在2022年第11期《电工技术学报》上撰文，提出含四桥臂H桥变流器的新型多功能综合补偿装置拓扑结构及其综合补偿方法。
随着电力电子技术的迅速发展，电力电子设备以控制灵活的特点广泛应用于配电网，主要可分为两大类：功率变换型和电能质量调节型。功率变换型包括发电端的风力发电变流器和光伏发电变流器、消纳可再生能源的电力储能变流器、用于功率双向控制的电力电子变压器（PET）和柔性多状态开关（SOP）。
电能质量调节型包含配电网静止同步补偿器（DSTATCOM）/静止无功发生器（SVG）、有源电力滤波器（APF）、动态电压恢复器（DVR）、电力弹簧（ES）和统一电能质量调节器（UPQC）。其中SVG和APF的工作原理类似，通过柔性控制变流器注入电流，使其与给定或检测的无功功率或谐波电流大小相等、方向相反，实现无功功率或谐波电流的补偿。
配电网深入用电负荷末端，结构复杂，普遍存在单相接地故障，接地故障电弧无法自行熄灭将引发火灾和电网设备击穿损坏。传统的消弧线圈无法补偿谐波和有功分量，接地故障残流较大，仍存在接地故障电弧重燃和人身触电的隐患。因此国内外学者借鉴有源无功补偿和谐波抑制原理，将柔性电力电子技术应用于接地故障电流补偿。
瑞典SN公司研制出剩余电流补偿装置（RCC），其结构为有源逆变器经升压变压器并联于消弧线圈两端，有源逆变器补偿接地故障电流的有功分量和谐波分量，实现接地故障电流的全补偿。有学者提出以单相级联H桥变流器作为接地故障电流补偿装置，省去了升压变压器和消弧线圈。
上述已有的柔性电力电子设备，包括功率变换型、电能质量调节型和接地故障电流补偿型，均存在设备功能单一，仅能满足特定的电网运行需求，设备利用率较低，造价较高等问题。为节约成本，国内外学者开始研究将电力电子设备的功能进行融合，以提高设备的利用效率，增强经济性。他们所研究的多功能电力电子设备主要融合功率变换和电能质量治理中的两种功能，均对电网正常运行状态下的电气量进行调节，尚未考虑接地故障电流补偿。
有学者提出以三相级联H桥变流器作为接地故障电流补偿装置，三相直接挂接于配电线路，中性点直接接地，可拓展用于无功补偿和谐波抑制。但每相级联H桥变流器耐压为线电压，需投入较多电力电子元件。有学者提出SVG中性点经消弧线圈接地，具有接地故障电流补偿和无功补偿功能的装置，每相级联H桥变流器耐压为相电压，但受消弧线圈元件特性影响，接地故障电流补偿的动态性能欠佳。
针对配电网已有电力电子装置功能单一和接地故障电流补偿装置仅在故障期间发挥作用，使用率低，以及拓扑结构存在动态响应速度欠佳和承受电压高等问题，福州大学电气工程与自动化学院的研究人员提出SVG中性点经级联H桥（Cascaded H-Birdge, CHB）接地的新型四桥臂拓扑结构。同时，为降低综合成本，以新型四桥臂拓扑结构作为综合补偿装置结构，将有功和无功功率补偿、三相不平衡负荷补偿和三相对地参数不对称电流补偿，以及接地故障电流补偿等功能集成至同一套补偿装置，并研究与之适应的控制方法。
图1 综合补偿装置控制系统结构
图2 含四桥臂H桥变流器的不对称配电网模型
他们提出基于分序解耦控制的多目标协同控制策略，成功实现了功率交换、电能质量调节和接地故障电流补偿等方面的融合，理论上也可集成至PET、SOP和可再生能源并网逆变器中，有效提升了电力电子设备的适用性。考虑配电线路三相对地参数不对称电流和接地故障电流补偿的相互影响，进一步提出了三相对地参数不对称电流补偿与接地故障电流补偿的切换方法，避免了二者切换期间因延时而产生过电流的风险。
另外，研究人员还提出了无需测量对地参数的三相对地参数不对称电流的求取方法，在中性点不对称电压超过设定值时，控制综合补偿装置接地桥臂使中性点不对称电压为零，同时测量接地桥臂电流，该电流即为三相对地参数不对称电流。
他们最后表示，下一步将研发基于四桥臂级联H桥变流器的综合补偿装置样机，对该综合补偿方法进行实验验证。
本文编自2022年第11期《电工技术学报》，论文标题为“含四桥臂H桥变流器的不对称配电网综合补偿方法”。本课题得到了国家自然科学基金资助项目的支持。
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2022年9月16-18日 重庆市
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