(完整版)靜止無功發(fā)生器(SVG原理簡(jiǎn)介)

1、PHIMIKAPHIMIKA靜止無功發(fā)生器(SVG )原理簡(jiǎn)介i深圳市兆晟科技有限公司飛明佳電氣科技PHIMIKAPHIMIKA 靜止無功發(fā)生器（ SVG ）原理簡(jiǎn)介靜止無功發(fā)生器 （SVG） 是指采用全控型電力電子器件組成的橋式變流器來進(jìn)行動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)难b 置。 SVG 的思想早在 20 世紀(jì) 70 年代就有人提出 ,1980 年日本研制出了 20MVA 的采用強(qiáng)迫換相晶 閘管橋式電路的 SVG, 1991年和1994年日本和美國(guó)分 別研制成功了 80MVA和10OMVA的采用GTO晶 閘管的SVG。目前國(guó)際上有關(guān) SVG的研究和將其應(yīng)用于電網(wǎng)或工業(yè)實(shí)際的興趣正是方興未艾，國(guó)內(nèi)有關(guān)的研究也已

2、見諸報(bào)道。與傳統(tǒng)的以 TCR 為代表的 SVC 相比 ，SVG 的調(diào)節(jié)速度更快 ， 運(yùn)行范圍寬 ， 而且在采取多重化或 PWM技術(shù)等措施后可大大減少補(bǔ)償電流中諧波的含量。更重要的是,SVG使用的電抗器和電容元件遠(yuǎn)比SVC中使用的電抗器和電容要小，這將大大縮小裝置的體積和成本。由于SVG具有如此優(yōu)越的性能，是今后動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的重要發(fā)展方向。一、SVG的基本原理及特點(diǎn)SVG 的基本原理是將橋式變流電路通過電抗器并聯(lián) （ 或直接并聯(lián) ） 在電網(wǎng)上 ， 適當(dāng)調(diào)節(jié)橋式變 流電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值或者直接控制其交流側(cè)電流， 使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流 ， 從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康?/p>

3、。在單相電路中 ， 與基波無功功率有關(guān)的能量是在電源和負(fù)載之間來回往返的。但是在平衡的三相 電路中 ， 不論負(fù)載的功率因數(shù)如何 ， 三相瞬時(shí)功率之和是一定的 ， 在任何時(shí)刻都等于三相總的有功 功率。因此總體上看， 在三相電路的電源和負(fù)載之間沒有無功能量的來回往返 ， 無功能量是在三相之間 來回往返的。所以 ， 如果能用某種方法將三相各部分總體上統(tǒng)一起來處理 ， 則因?yàn)榭傮w來看三相電路 電源和負(fù)載間沒有無功能量的傳遞 ， 在總的負(fù)載側(cè)就無需設(shè)置無功儲(chǔ)能元件。三相橋式變流電路實(shí)際 上就具有這種將三相各部分總體上統(tǒng)一起來處理的特點(diǎn)。因此， 理論上講 ，SVG 的三相橋式變流電路的直流側(cè)可以不設(shè)儲(chǔ)能元

4、件。但實(shí)際上 ， 考慮到交流電路吸收的電流并不僅含基波 ， 其諧波的存在多 少會(huì)造成總體來看有少許無功能量在電源和 SVG 之間往返。所以 ， 為維持橋式交流電路的正常工作 ， 其直流側(cè)仍需要一定大小的電感或電容作為儲(chǔ)能元件 ， 但所需儲(chǔ)能元件的容量遠(yuǎn)比 SVG 所能提供的無 功容量要小 。而對(duì)傳統(tǒng)的 SVC， 其所需儲(chǔ)能元件的容量至少要等于其所提供無功功率的容量。因此，SVG中儲(chǔ)能元件的體積和成本比同容量的SVC中的大大減小。根據(jù)直流側(cè)儲(chǔ)能元件的不同 ，SVG 分為采用電壓型橋式電路和電流型橋式電路兩種類型 ， 其電路 基本結(jié)構(gòu)如圖1a和1b所示，分別采用電容和電感兩種不同的儲(chǔ)能元件。對(duì)電壓

5、型橋式電路，還需再串聯(lián)上連接電抗器才能并入電網(wǎng) ； 對(duì)電流型橋式電路 ， 還需在交流側(cè)并聯(lián)上吸收換相過電壓的電 容器。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 ，因此目前SVGSVG也是采用的該種往往專指采用自換相的電壓型橋式電路作動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)难b置，飛明佳公司研發(fā)的方式。在以下的內(nèi)容中，只介紹采用自換相電壓型橋式電路的SVG。a）b）E 1 SVG的電型基本圭構(gòu)a）采用電壓型橋式電路 Z采用狀流型橋式電路由于SVG正常工作時(shí)就是通過電力電子開關(guān)的通斷將直流側(cè)電壓轉(zhuǎn)換成交流側(cè)與電網(wǎng)同頻率的輸出電壓，就像一個(gè)電壓型逆變器，只不過其交流側(cè)輸出接的不是無源負(fù)載，而是電

6、網(wǎng)。因此，當(dāng)僅考慮基波時(shí)SVG可以等效地被視為幅值和相位均可控的與電網(wǎng)同頻率的交流電壓源。它通過交流電抗器 連接到電網(wǎng)上。這樣,SVG的工作原理可用圖 2a所示的等效電路來說明。設(shè)電網(wǎng)電壓和 SVG輸出交流電壓分別用相量 ？s和？1表示，則連接電抗X上的電壓？L即為？s和？1的相量差，而連接 電抗的電流是可以由其電壓來控制的。這個(gè)電流就是SVG從電網(wǎng)吸收的電流 ？。因此,改變SVG交流側(cè)輸出電壓 ？1的幅值及其相對(duì)于 ？s的相位，就可以改變連接電抗上的電壓 ，從而控制SVG從 電網(wǎng)吸收電流的相位和幅值 ，也就控制了 SVG吸收無功功率的性質(zhì)和大小。在圖2a的等效電路中，將連接電抗器視為純電感

7、，沒有考慮其損耗以及變流器的損耗，因此不必從電網(wǎng)吸收有功能量。在這種情況下，只需使？1與？s同相，僅改變？1的幅值大小即可以控如圖2b 所示，當(dāng)U1時(shí)，電流滯后電壓90制SVG從電網(wǎng)吸收的電流 ？是超前還是滯后90 ° ，并且能控制該電流的大小。大于Us時(shí)，電流超前電壓90 °，SVG吸收容性的無功功率；當(dāng)U1小于Us，SVG吸收感性的無功功率。5uL=xtU電流超前電流滯后b)圖2 SVG等效電路及工作原理（不考慮損耗）a）單相等效電路b）工作相量圖考慮到連接電抗器的損耗和變流器本身的損耗（如管壓降、線路電阻等）,并將總的損耗集中作為連接電抗器的電阻考慮 ,則SVG的實(shí)際

8、等效電路如圖 3a所示,其電流超前和滯后工作的相量圖 如圖3b所示。在這種情況下，變流器電壓 ？1與電流？仍是相差90 ° ,因?yàn)樽兞髌鳠o需有功能量。 而電網(wǎng)電壓？S與電流？的相差則不再是90 ° ,而是比90。小了 3角，因此電網(wǎng)提供了有功功率來 補(bǔ)充電路中的損耗，也就是說，相對(duì)于電網(wǎng)電壓來講，電流？中有一定量的有功分量。這個(gè)3角也就是變流器電壓 ？1與電網(wǎng)電壓 ？s的相位 差。改變這個(gè)相位差 ，并且改變？1的幅值，則產(chǎn)生 的電流？的相位和大小也就隨之改變，SVG從電網(wǎng)吸收的無功功率也就因此得到調(diào)節(jié)。圖3 SVG $效電路及工作原理計(jì)及撮耗）a）單相等效電路 b）工作相屋

9、圉根據(jù)以上對(duì)工作原理的分析，可得SVG的電壓-電流特性如 圖4所示。同TCR等傳統(tǒng)SVC 樣，改變控制系統(tǒng)的參數(shù) （電網(wǎng)電壓的參考值Uref ），可以使得到的電壓-電流特性上下移動(dòng)。但是可以看出，與傳統(tǒng)SVC電壓-電流特性不同的是，當(dāng)電網(wǎng)電壓下降，補(bǔ)償器的電壓-電流特性向下調(diào) 整時(shí)，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ILmax和Icmax維持不變，僅受其電力電子器件的電流容量限制。而對(duì)傳統(tǒng)的SVC,由于其所能提供的最大電流分別是受其并聯(lián)電抗器和并聯(lián)電容器的阻抗特性限制的，因而隨著電壓的降低而減小。因此SVG的運(yùn)行范圍比傳統(tǒng) SVC大，SVC的運(yùn)行范圍是向

10、下收縮的三角形區(qū)域，而SVG的運(yùn)行范圍是上下等寬的近似矩形的區(qū)域。這是 SVG優(yōu)越于傳統(tǒng)SVC的又一特點(diǎn)。此外，對(duì)于那些以輸電補(bǔ)償為目的 SVG來講，如果直流側(cè)采用較大的儲(chǔ)能電容或其他直流電源 （如蓄電池組、采用電流型變流器時(shí)直流側(cè)用超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置等），則SVG還可以在必要時(shí)短時(shí)間內(nèi)向電網(wǎng)提供一定量的有功功率。這對(duì)于電力系統(tǒng)來說是非常有益的，而又是傳統(tǒng)的SVC所望塵莫及的。至于在傳統(tǒng)SVC中令人頭痛的諧波問題,在SVG中則完全可以采用橋式變流電路的多重化技術(shù) 或PWM技術(shù)來進(jìn)行處理，以消除次數(shù)較低的諧波，并使較高次數(shù)的諧波電流減小到可以接受的程 度。還應(yīng)指出，SVG中連接電抗器的作用一是濾除電流

11、中的高次諧波，二是起到將變流器和電網(wǎng)連接起來的作用，所需的電感值不大，遠(yuǎn)小于補(bǔ)償容量相同的 TCR所需的電感量。如果使用降壓變壓器 將SVG連入電網(wǎng)，則還可利用變壓器漏抗 ，所需的連接電抗器進(jìn)一步減小。至此，SVG基本工作原理已結(jié)合其相對(duì)于傳統(tǒng)SVC的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。與 SVC相比，SVG也存在一定不足，包括：控制方法和控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)SVC復(fù)雜；要使用數(shù)量較多的大容量自關(guān)斷器件，其價(jià)格比SVC使用的普通晶閘管高得多；因此，SVG只需用小的儲(chǔ)能元件而具有的總體成本的潛在優(yōu)勢(shì)，還有待于隨著器件水平的提高和成本的降低來得以發(fā)揮。二、SVG的控制方法作為動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的類型之一，SVG的控制不論

12、是從大的控制策略的選擇來講，還是從其外閉環(huán)反饋控制量和調(diào)節(jié)器的選取來說，其原則都與傳統(tǒng)的 SVC是完全一樣的。在控制上，SVG與SVC的區(qū)別在于，在SVC中，由外閉環(huán)調(diào)節(jié)器輸出的控制信號(hào)是作為SVC等效電納的參考值 Bref，以此信號(hào)來控制 SVC調(diào)節(jié)到所需的等效電納；而在 SVG中，外閉環(huán)調(diào)節(jié)器 輸出的控制信號(hào)，則被視為補(bǔ)償器應(yīng)產(chǎn)生的無功電流（或無功功率）的參考值。正是在如何由無功電流（或無功功率）參考值調(diào)節(jié)SVG真正產(chǎn)生所需的無功電流（或無功功率）這個(gè)環(huán)節(jié)上，形成 了 SVG多種多樣的具體控制方法。而這與傳統(tǒng)SVC所采用的觸發(fā)延遲角移相控制原理是完全不同的。由無功電流（或無功功率）參考值調(diào)

13、節(jié)SVG產(chǎn)生所需無功電流（或無功功率）的具體控制方法，可以分為間接控制和直接控制兩大類。因?yàn)樵谙到y(tǒng)電壓值基本維持恒定時(shí)，對(duì)無功電流的控制也就是對(duì)無功功率的控制，因此以下均以無功電流的控制來說明。實(shí)際上 ，SVG的電流控制任務(wù)中還應(yīng) 該包括對(duì)有功電流的控制 ，以補(bǔ)償電路中的有功損耗。1間接電流控制所謂間接電流控制，就是按照前述SVG的工作原理，將SVG當(dāng)作交流電壓源看待，通過對(duì)SVG 變流器所產(chǎn)生交流電壓基波的相位和幅值的控制，來間接控制SVG的交流側(cè)電流。2.直接電流控制所謂電流的直接控制就是采用跟蹤型PWM控制技術(shù)對(duì)電流波形的瞬時(shí)值進(jìn)行反饋控制。其中的跟蹤型PWM控制技術(shù)，可以采用滯環(huán)比較方

14、式，也可以采用三角波比較方式，其簡(jiǎn)單原理分別如圖5a和b所示。圖17-18曉流戲跟探型PWM控制弭 滯環(huán)比較萬武 b三曲疲出較方式其瞬時(shí)電流的參考值iref，可以由瞬時(shí)電流無功分量的參考值與瞬時(shí)電流有功分量的參考值相加而得；也可以瞬時(shí)電流無功分量的參考值iQref為主，而根據(jù)SVG對(duì)有功能量的需求對(duì)iQref 的相位進(jìn)行修正來得到總的瞬時(shí)電流參考值iref 。其中，瞬時(shí)電流無功分量的參考值可以由滯后于電源電壓90。的正弦波信號(hào)與無功電流參考值IQref相乘得到，而SVG對(duì)有功功率的需求可以由直流側(cè)電壓的反饋控制來體現(xiàn)。SVG采用的是直接電流控制方法后其響應(yīng)速度和控制精度將比間接控制法有很大提高。但是直接控制法由于是對(duì)電流瞬時(shí)值的跟蹤控制，因而要求主電路電力電子器件有較高的開關(guān)頻率，這對(duì)于較大容量的SVG目前還難以做到。下表列出了 SV&H其他各種動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法的簡(jiǎn)要對(duì)比，大家可以一目了然的看出各種補(bǔ)償