官正強

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

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、控制方法和三種運行模式下的特點，指出SVG具有一系列優(yōu)點，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；無功發(fā)生器；原理；特點；應(yīng)用

1 問題的提出

靜止式無功補償裝置（Static Var Compensater，簡稱SVC），近10余年來在國內(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)無功功率的裝置，可使所需無功功率作隨機調(diào)整，從而保持在沖擊性負(fù)荷連接點的系統(tǒng)電壓水平的恒定，它可有效抑制沖擊性負(fù)荷引起的電壓波動和閃變、高次諧波，提高功率因數(shù)，還可實現(xiàn)按各相的無功功率快速補償調(diào)節(jié)實現(xiàn)三相無功功率平衡，使負(fù)荷處于穩(wěn)定、安全、可靠的運行狀態(tài)。SVC屬于并聯(lián)無功補償裝置，其補償原理是通過控制晶閘管的觸發(fā)角，改變接入電網(wǎng)中的等效電納達(dá)到調(diào)節(jié)輸出無功目的。SVC設(shè)備之所以能產(chǎn)生感性無功功率，依靠的是其中的電容器，這就導(dǎo)致SVC與靜電電容器補償裝置有著同樣不可彌補的障礙，即當(dāng)電壓水平過于低下，急需無功補償時，補償器的輸出反而會減少。其次，SVC裝置為補償0～100 %容量變化的無功功率，幾乎需要100 %容量的電容器與超過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)展來說，這種類型的靜補償裝置已不能說是先進(jìn)的。

2 靜止無功發(fā)生器—SVG

2.1 SVG概述

近年來的發(fā)展趨勢是采用可關(guān)斷晶閘管(GTO)或大功率IGBT構(gòu)成的變流器,通常稱為靜止無功發(fā)生器(Static Var Generator，簡稱SVG) ，也有人稱為高級靜止無功補償器(ASVC) ，或靜止同步補償裝置 (國際上又稱為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能元件。實際上，由于運行效率的原因，迄今投入實用的SVG大都采用電壓型橋式電路，這種基于大功率逆變器的動態(tài)無功補償裝置，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，通過調(diào)節(jié)其輸出電壓幅值與系統(tǒng)電壓幅值的關(guān)系來確定輸出功率的性質(zhì)，當(dāng)其幅值大于系統(tǒng)側(cè)電壓幅值時輸出容性無功，小于時輸出感性無功。

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)出滿足要求的無功電流，實現(xiàn)動態(tài)無功補償?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，對直流電容C充電，保持電壓穩(wěn)定?？刂破鞲鶕?jù)電網(wǎng)無功變化情況，通過6個全控型開關(guān)器件構(gòu)成的三相逆變器向系統(tǒng)輸入感性或容性無功。工作原理如圖2所示。

SVG有如下三種種運行模式：

圖2 SVG的工作原理及波形

1）空載運行模式

空載運行模式的特點是：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變流器之間無電流，SVG與電力系統(tǒng)之間無功率交換。

2）容性運行模式

容性運行模式時，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將容性無功逆變回饋到電力系統(tǒng)。

3）感性運行模式

在感性運行模式下，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)提取感性無功。

SVG向系統(tǒng)注入的無功功率可表示為：

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，通過調(diào)節(jié)α的大小，就可以控制SVG注入系統(tǒng)的無功功率。由于RS很小，所以調(diào)節(jié)范圍非常大。如果多臺SVG并聯(lián)移相輸出，應(yīng)用多重化技術(shù)，則既可加大補償容量，又能抑制裝置本身的諧波電流。

2.3 SVG的控制方法

SVG的電流控制包括無功補償電流和有功電流的控制，無功補償電流控制用于產(chǎn)生所需的無功補償電流，有功電流控制用于補償有功損耗，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)控制器主要通過一定的檢測方法產(chǎn)生補償電流的參考值，內(nèi)環(huán)控制器的基本任務(wù)是產(chǎn)生一個同步的驅(qū)動信號，從而在裝置的實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)補償電流參考值調(diào)節(jié)SVG產(chǎn)生所需補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，通過對變流器輸出電壓基波的相位和幅值進(jìn)行控制來間接控制SVG的交流側(cè)電流，具體實施時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策略對系統(tǒng)的瞬時無功電流進(jìn)行PWM處理，然后使用該PWM脈沖信號去驅(qū)動變流器中可控電力電子器件的門極，從而控制變流器的輸出電流瞬時值與系統(tǒng)的瞬時無功電流在允許的偏差范圍內(nèi)。

近年來，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的特點與優(yōu)勢

和傳統(tǒng)的SVC無功補償裝置相比，SVG作為新一代補償裝置，具備如下特點和明顯的優(yōu)勢。

1）運行范圍大。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，輸出無功電流會隨母線電壓降低而線性降低。而對SVG系統(tǒng)，SVG是電流源特性，輸出無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功電流或維持不變，SVG的電流源特性也使SVG具備較強的短期過載能力，可用來進(jìn)一步提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而SVC不具備過載能力。因此，SVG的運行范圍比SVC大，這是SVG優(yōu)越于SVC的一大特點。

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)計帶來許多困難，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)這兩個交流電壓源連接起來的作用，因此所需的電感值并不大，也遠(yuǎn)小于補償容量相同的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，對于那些以輸電補償為目的的SVG來講，如果直流側(cè)采用較大的儲能電容，則SVG還可以在必要時短時間內(nèi)向電網(wǎng)提供一定數(shù)量的有功功率，這對于電力網(wǎng)來說是非常有益的，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)典型值為幾個毫秒。用于配電網(wǎng)時，閃變抑制效果要比SVC好2-3倍；用于輸電網(wǎng)時，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的效果也要遠(yuǎn)優(yōu)于SVC；它的端電壓對外部系統(tǒng)的運行條件和結(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只能提供無功功率；SVG的運行損耗要比同容量SVC小2倍左右，噪聲小，運行成本低。

3 SVG技術(shù)的應(yīng)用

3.1 SVG的應(yīng)用場合

SVG適用于電力輸配電系統(tǒng)內(nèi)3kV-35kV電壓等級任何需要應(yīng)用動態(tài)無功補償?shù)膱龊希饕ǎ?/p>

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。隨著我國跨區(qū)電網(wǎng)建設(shè)的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)的無功及動態(tài)電壓穩(wěn)定問題日益凸顯，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)電等電壓波動或閃變嚴(yán)重的變電站?？舍槍Σ▌迂?fù)載進(jìn)行快速有效的動態(tài)無功補償，對電壓波動與閃變、負(fù)荷不平衡、功率因數(shù)及諧波進(jìn)行補償，在有效改善電能質(zhì)量同時，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)行補償時，平均耗電往往可降低4%-15%，經(jīng)濟效益非常顯著。

3.2 SVG的應(yīng)用情況

日本關(guān)西電力公司與三菱電機公司共同研制于1980年1月投運了世界上首臺容量為20Mvar的SVG樣機。1995年清華大學(xué)和河南電力局共同研制出了我國第一臺容量為100kvar的SVG裝置，開辟了我國研制SVG補償設(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20Mvar的SVG并在網(wǎng)運行。2007年，榮信公司研制出國內(nèi)首臺應(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超大功率高端無功補償裝置SVG，如果能夠在今年年底獲得實質(zhì)性突破，將成為超大功率SVG無功補償裝置研制的全球領(lǐng)先者。

4 結(jié)束語

SVG是目前最為先進(jìn)的無功補償技術(shù)，基于電壓源型變流器的補償裝置實現(xiàn)了無功補償方式質(zhì)的飛躍。它不再采用大容量的電容、電感器件，而是通過大功率電力電子器件的高頻開關(guān)實現(xiàn)無功能量的變換。從技術(shù)上講，SVG較傳統(tǒng)的無功補償裝置具有很好的優(yōu)勢。但是，SVG要求的高補償靈敏度和響應(yīng)速度使得其研制的難度很大，在大功率上實現(xiàn)的難度極高，目前SVG的控制策略過于復(fù)雜，造價較高，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（1966 -），男，重慶人，高級工程師，學(xué)士，主要從事電氣工程及自動化技術(shù)與管理工作。