PHIMIKA
PHIMIKA静止无功发生器
——（SVG）原理简介
深圳市兆晟科技有限公司飞明佳电气科技
PHIMIKA
PHIMIKA静止无功发生器
——（SVG）原理简介
静止无功发生器 (SVG) 是指采用全控型电力电子器件组成的桥式变流器来进行动态无功补偿的装置。 SVG 的思想早在 20 世纪 70 年代就有人提出 ,1980 年日本研制出了 20MVA 的采用强迫换相晶闸管桥式电路的 SVG，1991 年和 1994 年日本和美国分 别研制成功了80MVA 和 10OMVA 的采用 GTO 晶闸管的SVG 。目前国际上有关 SVG 的研究和将其应用于电网或工业实际的兴趣正是方兴未艾 , 国内有关的研究也已见诸报道。
与传统的以 TCR 为代表的 SVC 相比 ,SVG 的调节速度更快 , 运行范围宽 , 而且在采取多重化或 PWM 技术等措施后可大大减少补偿电流中谐波的含量。更重要的是 ,SVG 使用的电抗器和电容元件远比 SVC 中使用的电抗器和电容要小 , 这将大大缩小装置的体积和成本。由于 SVG 具有如此优越的性能 , 是今后动态无功补偿装置的重要发展方向。
一、SVG 的基本原理及特点
SVG 的基本原理是将桥式变流电路通过电抗器并联 ( 或直接并联 ) 在电网上 , 适当调节桥式变流电路交流侧输出电压的相位和幅值或者直接控制其交流侧电流 , 使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流 , 从而实现动态无功补偿的目的。
在单相电路中 , 与基波无功功率有关的能量是在电源和负载之间来回往返的。但是在平衡的三相电路中 , 不论负载的功率因数如何 , 三相瞬时功率之和是一定的 , 在任何时刻都等于三相总的有功功率。因此总体上看，在三相电路的电源和负载之间没有无功能量的来回往返 ,无功能量是在三相之间来回往返的。所以 , 如果能用某种方法将三相各部分总体上统一起来处理 , 则因为总体来看三相电路电源和负载间没有无功能量的传递 , 在总的负载侧就无需设置无功储能元件。三相桥式变流电路实际上就具有这种将三相各部分总体上统一起来处理的特点。因此 , 理论上讲 ,SVG 的三相桥式变流电路的直流侧可以不设储能元件。但实际上 , 考虑到交流电路吸收的电流并不仅含基波 , 其谐波的存在多少会造成总体来看有少许无功能量在电源和 SVG 之间往返。所以 , 为维持桥式交流电路的正常工作 , 其直流侧仍需要一定大小的电感或电容作为储能元件 , 但所需储能元件的容量远比 SVG 所能提供的无功容量要小 。而对传统的 SVC, 其所需储能元件的容量至少要等于其所提供无功功率的容量。因此 , SVG 中储能元件的体积和成本比同容量的 SVC 中的大大减小。
根据直流侧储能元件的不同 ,SVG 分为采用电压型桥式电路和电流型桥式电路两种类型 , 其电路基本结构如图 1a 和1b 所示 , 分别采用电容和电感两种不同的储能元件。对电压型桥式电路 , 还需再串联上连接电抗器才能并入电网 ； 对电流型桥式电路 , 还需在交流侧并联上吸收换相过电压的电容器。实际上 , 由于运行效率的原因 , 迄今投入实用的 SVG 大都采用电压型桥式电路 , 因此目前 SVG
往往专指采用自换相的电压型桥式电路作动态无功补偿的装置，飞明佳公司研发的SVG也是采用的该种方式。在以下的内容中，只介绍采用自换相电压型桥式电路的 SVG 。
由于 SVG 正常工作时就是通过电力电子开关的通断将直流侧电压转换成交流侧与电网同频率的输出电压，就像一个电压型逆变器 , 只不过其交流侧输出接的不是无源负载，而是电网。因此，当仅考虑基波时 SVG 可以等效地被视为幅值和相位均可控的与电网同频率的交流电压源。它通过交流电抗器连接到电网上。这样 ,SVG 的工作原理可用图 2a 所示的等效电路来说明。设电网电压和 SVG 输出交流电压分别用相量 Ůs 和Ů1 表示 , 则连接电抗 X 上的电压 ŮL 即为 Ůs 和Ů1 的相量差, 而连接电抗的电流是可以由其电压来控制的。这个电流就是 SVG 从电网吸收的电流 İ 。因此 , 改变 SVG 交流侧输出电压 Ů1 的幅值及其相对于 Ůs 的相位 , 就可以改变连接电抗上的电压 , 从而控制 SVG 从电网吸收电流的相位和幅值 , 也就控制了 SVG 吸收无功功率的性质和大小。
在图 2a 的等效电路中 , 将连接电抗器视为纯电感 , 没有考虑其损耗以及变流器的损耗 , 因此不必从电网吸收有功能量。在这种情况下 , 只需使 Ů1 与 Ůs 同相，仅改变Ů1 的幅值大小即可以控制 SVG 从电网吸收的电流 İ 是超前还是滞后 90°, 并且能控制该电流的 大小。如图 2b 所示 , 当 U1 大于 Us 时 , 电流超前电压 90°,SVG 吸收容性的无功功率 ； 当 U1 小于 Us 时 , 电流滞后电压 90°,SVG 吸收感性的无功功率。
图 2 SVG 等效电路及工作原理 ( 不考虑损耗) a) 单相等效电路 b) 工作相量图
考虑到连接电抗器的损耗和变流器本身的损耗 ( 如管压降、线路电阻等 ), 并将总的损耗集中作为连接电抗器的电阻考虑 , 则 SVG 的实际等效电路如图 3a 所示 , 其电流超前和滞后工作的相量图如图 3b 所示。在这种情况下,变流器电压 Ů1 与电流 İ 仍是 相差 90°, 因为变流器无需有功能量。而电网电压 ŮS与电流 İ 的相差则不再是 90°, 而是比 90°小了 δ 角 ,因此电网提供了有功功率来补充电路中的损耗 , 也就是说，相对于电网电压来讲 , 电流 İ 中有一定量的有功分量。这个 δ 角也就是变流器电压 Ů1 与电网电压 Ůs 的相位 差。改变这个相位差 , 并且改变 Ů1 的幅值 , 则产生的电流 İ 的相位和大小也就随之改变 , SVG 从电网吸收的无功功率也就因此得到调节。
根据以上对工作原理的分析 , 可得 SVG 的电压 - 电流特性如 图4 所示。同 TCR 等传统 SVC 一样 ,改变控制系统的参数 ( 电网电压的参考值 Uref ), 可以使得到的电压-电流特性上下移动。但是可以看出 , 与传统 SVC 电压–电流特性不同的是 , 当电网电压下降 , 补偿器的电压-电流特性向下调整时 ,SVG 可以调整其变流器交流侧电压的幅值和相位 , 以使其所能提供的最大无功电流 ILmax 和 Icmax 维持不变 , 仅受其电力电子器件的电流容量限制。而对传统的 SVC, 由于其所能提供的最大电流分别是受其并联电抗器和并联电容器的阻抗特性限制的 , 因而随着电压的降低而减小。因此 SVG 的运行范围比传统 SVC 大 , SVC 的运行范围是向下收缩的三角形区域 , 而 SVG 的运行范围是上下等宽的近似矩形的区域。这是 SVG 优越于传统 SVC 的又一特点。
图 4 SVG 的电压 - 电流特性
此外 , 对于那些以输电补偿为目的 SVG 来讲 , 如果直流侧采用较大的储能电容或其他直流电源 ( 如蓄电池组、采用电流型变流器时直流侧用超导储能装置等) , 则 SVG 还可以在必要时短时间内向电网提供一定量的有功功率。这对于电力系统来说是非常有益的 , 而又是传统的 SVC 所望尘莫及的。
至于在传统 SVC 中令人头痛的谐波问题 , 在SVG 中则完全可以采用桥式变流电路的多重化技术或 PWM 技术来进行处理 , 以消除次数较低的谐波 , 并使较高次数的谐波电流减小到可以接受的程度。
还应指出 ,SVG 中连接电抗器的作用一是滤除电流中的高次谐波 , 二是起到将变流器和电网连接起来的作用 , 所需的电感值不大 , 远小于补偿容量相同的 TCR 所需的电感量。如果使用降压变压器将 SVG 连入电网 , 则还可利用变压器漏抗 , 所需的连接电抗器进一步减小。
至此 ,SVG 基本工作原理已结合其相对于传统 SVC 的优点进行了详细介绍。与 SVC 相比 ,SVG 也存在一定不足 , 包括 : 控制方法和控制系统比传统 SVC复杂 ；要使用数量较多的大容量自关断器件 , 其价格比 SVC 使用的普通晶闸管高得多 ；因此，SVG 只需用小的储能元件而具有的总体成本的潜在优势 , 还有待于随着器件水平的提高和成本的降低来得以发挥。
二、SVG 的控制方法
作为动态无功补偿装置的类型之一 ,SVG 的控制不论是从大的控制策略的选择来讲 , 还是从其外闭环反馈控制量和调节器的选取来说 , 其原则都与传统的 SVC 是完全一样的。
在控制上 ,SVG 与 SVC 的区别在于 , 在 SVC 中 , 由外闭环调节器输出的控制信号是作为 SVC 等效电纳的参考值 Bref， 以此信号来控制 SVC 调节到所需的等效电纳；而在 SVG 中 , 外闭环调节器输出的控制信号 , 则被视为补偿器应产生的无功电流 ( 或无功功率 ) 的参考值。正是在如何由无功电流 ( 或无功功率 ) 参考值调节 SVG 真正产生所需的无功电流 ( 或无功功率 ) 这个环节上 , 形成了 SVG 多种多样的具体控制方法。 而这与传统 SVC 所采用的触发延迟角移相控制原理是完全不同的。
由无功电流 ( 或无功功率 ) 参考值调节 SVG 产生所需无功电流 ( 或无功功率 ) 的具体控制方
法 , 可以分为间接控制和直接控制两大类。因为在系统电压值基本维持恒定时 , 对无功电流的控制也就是对无功功率的控制 , 因此以下均以无功电流的控制来说明。实际上 ,SVG 的电流控制任务中还应该包括对有功电流的控制 , 以补偿电路中的有功损耗。
1. 间接电流控制
所谓间接电流控制 , 就是按照前述 SVG 的工作原理 , 将 SVG 当作交流电压源看待 , 通过对 SVG 变流器所产生交流电压基波的相位和幅值的控制 , 来间接控制 SVG 的交流侧电流。
2. 直接电流控制
所谓电流的直接控制就是采用跟踪型 PWM 控制技术对电流波形的瞬时值进行反馈控制。其中的跟踪型 PWM 控制技术 , 可以采用滞环比较方式 , 也可以采用三角波比较方式 , 其简单原理分别如图 5a 和 b 所示。
其瞬时电流的参考值iref ,可以由瞬时电流无功分量的参考值与瞬时电流有功分量的参考值相加而得；也可以瞬时电流无功分量的参考值 iQref 为主 ,而根据 SVG 对有功能量的需求对 iQref 的相位进行修正来得到总的瞬时电流参考值 iref 。其中, 瞬时电流无功分量的参考值可以由滞后于电源电压 90°的正弦波信号与无功电流参考值 IQref 相乘得到 , 而 SVG 对有功功率的需求可以由直流侧电压的反馈控制来体现。
SVG 采用的是直接电流控制方法后其响应速度和控制精度将比间接控制法有很大提高。但是直接控制法由于是对电流瞬时值的跟踪控制 , 因而要求主电路电力电子器件有较高的开关频率 , 这对于较大容量的 SVG 目前还难以做到。
下表列出了SVG和其他各种动态补偿方法的简要对比 , 大家可以一目了然的看出各种补偿方式的优缺点。
各种无功功率动态补偿装置的简要对比
装 置 项 目 响应速度 吸收无功 控制 谐波电流 分相调节 损耗 噪声
同步 调相机 (SC) 慢 连续 简单 无 有限 大 大 饱和 电抗器 (SR) 较快 连续 不控 大 不可 较大 大 晶闸管投 切电容器 (TSC) 较快 分级 较简单 无 有限 小 小 混合型静补装置 (TCR+TSC或 TCR+MSC) 较快 连续 较简单 大 可以 小 小 晶闸管控制电抗器 (TCR或FC+TCR) 较快 连续 较简单 大 可以 中 小 静止无功发生器 (SVG) 快 连续 复杂 小 可以 很小 很小
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