官正強(qiáng)

GUAN Zheng-qiang

（重慶科技學(xué)院 教務(wù)處，重慶 401331）

SVG技術(shù)及其應(yīng)用

Static var generator technology and its applications

官正強(qiáng)

GUAN Zheng-qiang

（重慶科技學(xué)院 教務(wù)處，重慶 401331）

分析了SVG技術(shù)的原理、控制方法和三種運(yùn)行模式下的特點(diǎn)，指出SVG具有一系列優(yōu)點(diǎn)，介紹了SVG裝置的最新應(yīng)用情況。由于技術(shù)上的限制，目前SVG的控制策略較復(fù)雜，在中高壓、大容量領(lǐng)域造價(jià)很高，隨著新技術(shù)和新材料的廣泛應(yīng)用，SVG必將有十分廣闊的前景。

SVG；無(wú)功發(fā)生器；原理；特點(diǎn)；應(yīng)用

1 問(wèn)題的提出

靜止式無(wú)功補(bǔ)償裝置（Static Var Compensater，簡(jiǎn)稱SVC），近10余年來(lái)在國(guó)內(nèi)外配電網(wǎng)和輸電網(wǎng)領(lǐng)域已得到了較多的應(yīng)用。它作為一種能夠快速調(diào)節(jié)無(wú)功功率的裝置，可使所需無(wú)功功率作隨機(jī)調(diào)整，從而保持在沖擊性負(fù)荷連接點(diǎn)的系統(tǒng)電壓水平的恒定，它可有效抑制沖擊性負(fù)荷引起的電壓波動(dòng)和閃變、高次諧波，提高功率因數(shù)，還可實(shí)現(xiàn)按各相的無(wú)功功率快速補(bǔ)償調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)三相無(wú)功功率平衡，使負(fù)荷處于穩(wěn)定、安全、可靠的運(yùn)行狀態(tài)。SVC屬于并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償裝置，其補(bǔ)償原理是通過(guò)控制晶閘管的觸發(fā)角，改變接入電網(wǎng)中的等效電納達(dá)到調(diào)節(jié)輸出無(wú)功目的。SVC設(shè)備之所以能產(chǎn)生感性無(wú)功功率，依靠的是其中的電容器，這就導(dǎo)致SVC與靜電電容器補(bǔ)償裝置有著同樣不可彌補(bǔ)的障礙，即當(dāng)電壓水平過(guò)于低下，急需無(wú)功補(bǔ)償時(shí)，補(bǔ)償器的輸出反而會(huì)減少。其次，SVC裝置為補(bǔ)償0～100 %容量變化的無(wú)功功率，幾乎需要100 %容量的電容器與超過(guò)100 %容量的晶閘管控制電抗器，銅和鐵的消耗很大。從技術(shù)發(fā)展來(lái)說(shuō)，這種類型的靜補(bǔ)償裝置已不能說(shuō)是先進(jìn)的。

2 靜止無(wú)功發(fā)生器—SVG

2.1 SVG概述

近年來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是采用可關(guān)斷晶閘管(GTO)或大功率IGBT構(gòu)成的變流器,通常稱為靜止無(wú)功發(fā)生器(Static Var Generator，簡(jiǎn)稱SVG) ，也有人稱為高級(jí)靜止無(wú)功補(bǔ)償器(ASVC) ，或靜止同步補(bǔ)償裝置 (國(guó)際上又稱為STATCOM)。SVG可以分為電壓型和電流型兩種類型，直流側(cè)分別采用電容和電感作為儲(chǔ)能元件。實(shí)際上，由于運(yùn)行效率的原因，迄今投入實(shí)用的SVG大都采用電壓型橋式電路，這種基于大功率逆變器的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，它以大功率三相電壓型逆變器為核心，其輸出電壓通過(guò)連接電抗接入系統(tǒng)，與系統(tǒng)側(cè)電壓保持同頻、同相，通過(guò)調(diào)節(jié)其輸出電壓幅值與系統(tǒng)電壓幅值的關(guān)系來(lái)確定輸出功率的性質(zhì)，當(dāng)其幅值大于系統(tǒng)側(cè)電壓幅值時(shí)輸出容性無(wú)功，小于時(shí)輸出感性無(wú)功。

2.2 SVG的基本原理

圖1 電壓型SVG的電路結(jié)構(gòu)

SVG的基本原理就是將自換相橋式電路通過(guò)電抗器或直接并聯(lián)到電網(wǎng)上，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，或直接控制其交流側(cè)就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無(wú)功電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康腫1]。典型電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。TI—T6為6只大功率的GTO或IGBT。以二極管構(gòu)成的整流橋從交流系統(tǒng)吸取少量有功功率，對(duì)直流電容C充電，保持電壓穩(wěn)定?？刂破鞲鶕?jù)電網(wǎng)無(wú)功變化情況，通過(guò)6個(gè)全控型開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成的三相逆變器向系統(tǒng)輸入感性或容性無(wú)功。工作原理如圖2所示。

SVG有如下三種種運(yùn)行模式：

圖2 SVG的工作原理及波形

1）空載運(yùn)行模式

空載運(yùn)行模式的特點(diǎn)是：SVG變流器的輸出交流電壓等于電源系統(tǒng)的電壓，電力系統(tǒng)與SVG變流器之間無(wú)電流，SVG與電力系統(tǒng)之間無(wú)功率交換。

2）容性運(yùn)行模式

容性運(yùn)行模式時(shí)，SVG變流器的輸出交流電壓大于電源電壓，電力系統(tǒng)與SVG變流器之間有電流，且超前系統(tǒng)電壓，SVG將容性無(wú)功逆變回饋到電力系統(tǒng)。

3）感性運(yùn)行模式

在感性運(yùn)行模式下，SVG變流器的輸出交流電壓小于電源電壓，電力系統(tǒng)與SVG變流器之間有電流，且滯后系統(tǒng)電壓，SVG將向電力系統(tǒng)提取感性無(wú)功。

SVG向系統(tǒng)注入的無(wú)功功率可表示為：

式中：US—系統(tǒng)電壓；RS—逆變橋的等效電阻；α—SVG輸出電壓與US的夾角。由上式可知，通過(guò)調(diào)節(jié)α的大小，就可以控制SVG注入系統(tǒng)的無(wú)功功率。由于RS很小，所以調(diào)節(jié)范圍非常大。如果多臺(tái)SVG并聯(lián)移相輸出，應(yīng)用多重化技術(shù)，則既可加大補(bǔ)償容量，又能抑制裝置本身的諧波電流。

2.3 SVG的控制方法

SVG的電流控制包括無(wú)功補(bǔ)償電流和有功電流的控制，無(wú)功補(bǔ)償電流控制用于產(chǎn)生所需的無(wú)功補(bǔ)償電流，有功電流控制用于補(bǔ)償有功損耗，SVG的控制器通常由內(nèi)環(huán)控制器和外環(huán)控制器兩部分組成，外環(huán)控制器主要通過(guò)一定的檢測(cè)方法產(chǎn)生補(bǔ)償電流的參考值，內(nèi)環(huán)控制器的基本任務(wù)是產(chǎn)生一個(gè)同步的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而在裝置的實(shí)際輸出電流和參考電流之間建立一種線性的關(guān)系。根據(jù)補(bǔ)償電流參考值調(diào)節(jié)SVG產(chǎn)生所需補(bǔ)償電流的不同控制方法，可以分為間接控制和直接控制兩大類。

1）間接控制

所謂間接控制，就是將SVG當(dāng)交流電壓源看待，通過(guò)對(duì)變流器輸出電壓基波的相位和幅值進(jìn)行控制來(lái)間接控制SVG的交流側(cè)電流，具體實(shí)施時(shí)有兩種方案可供選擇，控制分為單δ控制和δ與配合控制。

2）直接控制

電流直接控制的基本思想是使用適當(dāng)?shù)腜WM策略對(duì)系統(tǒng)的瞬時(shí)無(wú)功電流進(jìn)行PWM處理，然后使用該P(yáng)WM脈沖信號(hào)去驅(qū)動(dòng)變流器中可控電力電子器件的門(mén)極，從而控制變流器的輸出電流瞬時(shí)值與系統(tǒng)的瞬時(shí)無(wú)功電流在允許的偏差范圍內(nèi)。

近年來(lái)，由于控制理論的發(fā)展，出現(xiàn)了許多較新的控制方法，如：智能控制 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和專家控制等，相信以后這些控制方法將在SVG控制中產(chǎn)生巨大的作用。

2.4 SVG的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

和傳統(tǒng)的SVC無(wú)功補(bǔ)償裝置相比，SVG作為新一代補(bǔ)償裝置，具備如下特點(diǎn)和明顯的優(yōu)勢(shì)。

1）運(yùn)行范圍大。當(dāng)電網(wǎng)電壓下降，SVC系統(tǒng)是阻抗型特性，由于其所能提供的最大電流分別受其并聯(lián)電抗器和并聯(lián)電容器的阻抗特性限制，輸出無(wú)功電流會(huì)隨母線電壓降低而線性降低。而對(duì)SVG系統(tǒng)，SVG是電流源特性，輸出無(wú)功電流不受母線電壓影響，SVG可以調(diào)整其變流器交流側(cè)電壓的幅值和相位，以使其所能提供的最大無(wú)功電流或維持不變，SVG的電流源特性也使SVG具備較強(qiáng)的短期過(guò)載能力，可用來(lái)進(jìn)一步提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而SVC不具備過(guò)載能力。因此，SVG的運(yùn)行范圍比SVC大，這是SVG優(yōu)越于SVC的一大特點(diǎn)。

2）諧波量小。在多種型式的SVC裝置中，SVC本身產(chǎn)生一定量的諧波。如TCR型的3、5、7次特征次諧波量比較大, 占基波值的5%—8%，其它型式如SR, TCT等也產(chǎn)生3、5、7、11等次的高次諧波，這給SVC系統(tǒng)的濾波器設(shè)計(jì)帶來(lái)許多困難，而在SVG中則完全可以采用橋式交流電路的多重化技術(shù)、多電平技術(shù)或PWM技術(shù)來(lái)進(jìn)行處理，可以較好的消除次數(shù)較低的諧波，并使較高次數(shù)如7、11等次諧波減小到可以接受的程度。

3）連接電抗小。SVG接入電網(wǎng)的連接電抗，其作用是濾除電流中可能存在的較高次諧波，另外起到將變流器和電網(wǎng)這兩個(gè)交流電壓源連接起來(lái)的作用，因此所需的電感值并不大，也遠(yuǎn)小于補(bǔ)償容量相同的TCR等SVC裝置所需的電感量，因此，SVG的占地面積只有同容量SVC的1/3到1/2。此外，對(duì)于那些以輸電補(bǔ)償為目的的SVG來(lái)講，如果直流側(cè)采用較大的儲(chǔ)能電容，則SVG還可以在必要時(shí)短時(shí)間內(nèi)向電網(wǎng)提供一定數(shù)量的有功功率，這對(duì)于電力網(wǎng)來(lái)說(shuō)是非常有益的，這是SVC裝置所不能比擬的。

4）可控性能好、調(diào)節(jié)速度更快。其電壓幅值和相位的快速調(diào)節(jié)典型值為幾個(gè)毫秒。用于配電網(wǎng)時(shí)，閃變抑制效果要比SVC好2-3倍；用于輸電網(wǎng)時(shí)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的效果也要遠(yuǎn)優(yōu)于SVC；它的端電壓對(duì)外部系統(tǒng)的運(yùn)行條件和結(jié)構(gòu)變化不敏感。因此，SVG不僅可以得到較好的靜態(tài)穩(wěn)定性能，而且可得到較好的大干擾故障下的暫態(tài)穩(wěn)定性能。

5）此外，SVC對(duì)系統(tǒng)參數(shù)敏感，易發(fā)生諧波電壓放大甚至諧振的現(xiàn)象；而SVG對(duì)系統(tǒng)參數(shù)不敏感，安全性與穩(wěn)定性好；SVG能在一定范圍內(nèi)提供有功功率，減少有功功率沖擊；SVC只能提供無(wú)功功率；SVG的運(yùn)行損耗要比同容量SVC小2倍左右，噪聲小，運(yùn)行成本低。

3 SVG技術(shù)的應(yīng)用

3.1 SVG的應(yīng)用場(chǎng)合

SVG適用于電力輸配電系統(tǒng)內(nèi)3kV-35kV電壓等級(jí)任何需要應(yīng)用動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)膱?chǎng)合，主要包括：

1）SVG用于輸電網(wǎng)。電力輸電系統(tǒng)的負(fù)荷中心變電站、長(zhǎng)距離輸電線中間的樞紐變電站等，可提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、增加系統(tǒng)阻尼、抑制系統(tǒng)振蕩，從而大幅度提高電壓傳輸能力。隨著我國(guó)跨區(qū)電網(wǎng)建設(shè)的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)的無(wú)功及動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定問(wèn)題日益凸顯，裝設(shè)高壓大容量SVG是有效手段。

2）SVG用于配電網(wǎng)（又稱為DSTATCOM）或用戶側(cè)，以提高改善電能質(zhì)量為目標(biāo)。例如用于冶金、礦山、石化、電氣化鐵路、港口、重型工業(yè)、風(fēng)電等電壓波動(dòng)或閃變嚴(yán)重的變電站?？舍槍?duì)波動(dòng)負(fù)載進(jìn)行快速有效的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償，對(duì)電壓波動(dòng)與閃變、負(fù)荷不平衡、功率因數(shù)及諧波進(jìn)行補(bǔ)償，在有效改善電能質(zhì)量同時(shí)，可取得明顯的節(jié)能降耗效益，例如，當(dāng)SVG用于電弧爐、電石爐等負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，平均耗電往往可降低4%-15%，經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。

3.2 SVG的應(yīng)用情況

日本關(guān)西電力公司與三菱電機(jī)公司共同研制于1980年1月投運(yùn)了世界上首臺(tái)容量為20Mvar的SVG樣機(jī)。1995年清華大學(xué)和河南電力局共同研制出了我國(guó)第一臺(tái)容量為100kvar的SVG裝置，開(kāi)辟了我國(guó)研制SVG補(bǔ)償設(shè)備的先河，2000年，清華大學(xué)和河南電力局又成功研制出一臺(tái)20Mvar的SVG并在網(wǎng)運(yùn)行。2007年，榮信公司研制出國(guó)內(nèi)首臺(tái)應(yīng)用于牽引變流站的SVG， 截止目前，SVG能夠?qū)崿F(xiàn)的最大容量為50MVar。近年來(lái)榮信股份公司正在與南方電網(wǎng)公司合作研制±200MVar超大功率高端無(wú)功補(bǔ)償裝置SVG，如果能夠在今年年底獲得實(shí)質(zhì)性突破，將成為超大功率SVG無(wú)功補(bǔ)償裝置研制的全球領(lǐng)先者。

4 結(jié)束語(yǔ)

SVG是目前最為先進(jìn)的無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)，基于電壓源型變流器的補(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)了無(wú)功補(bǔ)償方式質(zhì)的飛躍。它不再采用大容量的電容、電感器件，而是通過(guò)大功率電力電子器件的高頻開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)無(wú)功能量的變換。從技術(shù)上講，SVG較傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置具有很好的優(yōu)勢(shì)。但是，SVG要求的高補(bǔ)償靈敏度和響應(yīng)速度使得其研制的難度很大，在大功率上實(shí)現(xiàn)的難度極高，目前SVG的控制策略過(guò)于復(fù)雜，造價(jià)較高，相信隨著新技術(shù)和新材料的廣泛應(yīng)用，SVG必將有十分廣闊的發(fā)展前景。

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TH166

A

1009-0134(2010)10(上)-0206-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.10(上).64

2010-03-17

官正強(qiáng)（1966 -），男，重慶人，高級(jí)工程師，學(xué)士，主要從事電氣工程及自動(dòng)化技術(shù)與管理工作。