基于matlab的SVG型靜止無(wú)功補(bǔ)償器提高系統(tǒng)電壓的理論研究教育

1、摘要隨著電力電子設(shè)備、交直流電弧爐和電氣化鐵道等非線(xiàn)性、沖擊性負(fù)荷的大量接入電網(wǎng)，引起了電網(wǎng)無(wú)功功率不足、電壓波動(dòng)與閃變、三相供電不平衡以及電壓電流波形畸變等其它一系列電能質(zhì)量問(wèn)題，并嚴(yán)重威脅著電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。靜止無(wú)功發(fā)生器(Static var Generation，簡(jiǎn)稱(chēng)SVG)適于實(shí)時(shí)補(bǔ)償沖擊性負(fù)荷的無(wú)功沖擊電流和諧波電流。IGBT、GTO 等電力電子元件的開(kāi)發(fā)，使大功率高電壓的變流器的應(yīng)用可靠性有了顯著提高, 而且由于采用了微處理機(jī)和大規(guī)模集成電路組件，使復(fù)雜的控制電路也提高了經(jīng)濟(jì)性和可靠性，由于SVG具有補(bǔ)償無(wú)功功率、提高功率因數(shù)、抑制電壓波動(dòng)和閃變、抑制三相不平衡、提高電路輸

2、電穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，從而使矢量控制的新型SVG得到了廣泛的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。首先，本文介紹了無(wú)功功率的基本概念，介紹了無(wú)功功率對(duì)電力系統(tǒng)的影響以及無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔谩２⒃敱M的闡述了國(guó)內(nèi)外無(wú)功補(bǔ)償裝置的歷史以及現(xiàn)狀。其次，本文詳細(xì)分析了SVG的基本結(jié)構(gòu)，控制方法和工作原理，以及SVG的優(yōu)特點(diǎn)。并且闡述了靜止無(wú)功發(fā)生器的工作特性。再次，本文著重進(jìn)行了對(duì)SVG型靜止無(wú)功補(bǔ)償器提高系統(tǒng)電壓的理論研究。通過(guò)公式的推導(dǎo)運(yùn)算，闡述了SVG如何穩(wěn)定系統(tǒng)電壓。最后，本文利用MATLAB/SIMULINK仿真軟件對(duì)SVG工作方式及利用SVG動(dòng)態(tài)提高系統(tǒng)電壓的原理進(jìn)行仿真研究。并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了全面分析。關(guān)鍵詞：無(wú)功補(bǔ)償； SVG

3、；穩(wěn)定電壓AbstractMATLAB/SIMULINK 朗讀“Key words: Reactive compensation； SVG； Stable voltage目錄摘要IAbstractII1 前言51.1 課題研究的目的和意義5無(wú)功功率的基本概念51.1.2無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔?國(guó)內(nèi)外研究狀況71.2.1 國(guó)內(nèi)情況71.2.2 國(guó)外情況81.2.3 常見(jiàn)無(wú)功補(bǔ)償裝置81.2.4 靜止無(wú)功發(fā)生器的優(yōu)點(diǎn)101.3 論文的主要研究?jī)?nèi)容112 SVG的基本結(jié)構(gòu)及工作原理122.1 引言122.2 SVG的基本原理122.3 SVG的工作特性172.3.1 SVG的電壓-電流特性172.3.2 S

4、VG的諧波特性172.3.3 SVG的其他特性172.4 本章小結(jié)183 SVG穩(wěn)定系統(tǒng)電壓的理論研究193.1 引言19SVG穩(wěn)定系統(tǒng)電壓的理論研究193.3 SVG的控制方法203.3.1 電流間接控制223.3.2 電流直接控制243.4本章小結(jié)244 SVG工作原理的仿真研究254.1 引言254.2 SVG仿真模型的建立254.3 SVG的波形分析264.4 本章小結(jié)275 結(jié)論28參考文獻(xiàn)29致謝301 前言1.1 課題研究的目的和意義。改革開(kāi)放30年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，對(duì)能源特別是電能的需求不斷增加，電力系統(tǒng)裝機(jī)容量逐年增加，據(jù)預(yù)測(cè)到2020年，我國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)910億kW

5、，今后每年投運(yùn)的機(jī)組容量至少2千萬(wàn)kW；另一方面要節(jié)約電能，提高電能的利用效率1。在工業(yè)和生活用電負(fù)載中，阻感負(fù)載占有很大比例。異步電動(dòng)機(jī)、變壓器、熒光燈等都是典型的阻感負(fù)載。異步電動(dòng)機(jī)和變壓器所消耗的無(wú)功功率在電力系統(tǒng)所提供的無(wú)功功率中占有很高的比例。電力系統(tǒng)中的電抗器和架空線(xiàn)路等也消耗一些無(wú)功功率。阻感負(fù)載必須吸收無(wú)功功率才能正常工作，這是由其本身的性質(zhì)所決定的。電力電子裝置等非線(xiàn)性裝置也要消耗無(wú)功功率，特別是各種相控裝置。如相控整流器、相控交流功率調(diào)整電路和周波變換器，在工作時(shí)基波電流滯后于電網(wǎng)電壓，需要消耗大量的無(wú)功功率。另外，這些裝置也會(huì)產(chǎn)生大量的諧波電流，而諧波源都是要消耗無(wú)功功率

6、的。二極管整流電路的基波電流相位和電網(wǎng)電壓相位大致相同，所以基本不消耗基波無(wú)功功率。但是它也產(chǎn)生大量的諧波電流，因此也消耗一定的無(wú)功功率2,3。1.1.1 無(wú)功功率的基本概念無(wú)功功率在電氣技術(shù)領(lǐng)域是個(gè)必不可少的重要物理量。變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生變化的電場(chǎng)，變化的電場(chǎng)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，這正是無(wú)功功率交換的規(guī)律。因此，有磁場(chǎng)空間和電場(chǎng)空間才能存在無(wú)功功率產(chǎn)生的空間。在正弦電路中，無(wú)功功率的概念有清楚的物理意義，無(wú)功功率表示有能量交換，但不消耗功率，其幅值可作為能量交換的量度。傳統(tǒng)上無(wú)功功率一般采用平均無(wú)功功率概念，它是電路中儲(chǔ)能元件與電源間交換功率的最大值，也是儲(chǔ)能元件與電源間交換能量的一種量度。在非正弦電

7、路中，無(wú)功功率的概念卻很抽象，并且至今未獲得公認(rèn)的無(wú)功功率定義。于是，在非正弦波情況下，有關(guān)平均無(wú)功功率的有兩種學(xué)派：一種學(xué)派是依據(jù)Budeanu的定義。采用頻域分析法；另一種學(xué)派是Fryze的定義，采用時(shí)域分析法。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者又提出了廣義平均無(wú)功功率、瞬時(shí)無(wú)功功率以及廣義瞬時(shí)無(wú)功功率的概念。近年來(lái)，隨著我國(guó)電力工業(yè)的不斷發(fā)展，大范圍的高壓輸電網(wǎng)絡(luò)逐漸形成，同時(shí)對(duì)電網(wǎng)無(wú)功功率的要求也日益嚴(yán)格。無(wú)功電源如同有功電源一樣，是保證電力系統(tǒng)電能質(zhì)量、降低電網(wǎng)損耗以及保證其安全運(yùn)行所不可缺少的部分。電網(wǎng)無(wú)功功率不平衡將導(dǎo)致系統(tǒng)電壓的巨大波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致用電設(shè)備的損壞，出現(xiàn)系統(tǒng)電壓崩潰和穩(wěn)定破壞事

8、故。因此，無(wú)功功率對(duì)電力系統(tǒng)是十分重要的，研究無(wú)功功率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，歸納如下：（1）研究無(wú)功功率，可以解決現(xiàn)代電力系統(tǒng)中與無(wú)功功率相關(guān)的一系列技術(shù)問(wèn)題。與無(wú)功功率問(wèn)題相關(guān)的技術(shù)問(wèn)題很多，主要有：無(wú)功功率靜態(tài)穩(wěn)定問(wèn)題；電容性無(wú)功功率引起的發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁問(wèn)題；沖擊性無(wú)功負(fù)荷的調(diào)節(jié)問(wèn)題；無(wú)功功率的高次諧波公害和閃變問(wèn)題；跟隨饋電系統(tǒng)引起的負(fù)荷功率因數(shù)的變化與改善問(wèn)題。（2）研究無(wú)功功率可以促進(jìn)節(jié)能。無(wú)功功率在電網(wǎng)中不斷循環(huán)，造成很大的浪費(fèi)。一個(gè)10GW的電力系統(tǒng)，如果無(wú)功功率問(wèn)題處理得好，每年沖這個(gè)電網(wǎng)的發(fā)電廠(chǎng)、變電所、用戶(hù)中節(jié)約的電能超過(guò)10億kWh，并且可以減少系統(tǒng)中200300MW容量的輸

9、變電設(shè)備。（3）研究無(wú)功功率，掌握它的經(jīng)濟(jì)規(guī)律。通過(guò)統(tǒng)計(jì)、理論分析和各項(xiàng)技術(shù)措施來(lái)達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。（4）研究無(wú)功功率，可以保證電能質(zhì)量，促使電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。 無(wú)功功率的影響無(wú)功功率對(duì)公用電網(wǎng)和負(fù)荷的影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面4：（1）增加設(shè)備容量。無(wú)功功率的增加，會(huì)導(dǎo)致電流增大和視在功率增加，從而使發(fā)電機(jī)、變壓器等各種電氣設(shè)備的容量和導(dǎo)線(xiàn)的容量增加。同時(shí)，電力用戶(hù)的起動(dòng)及控制設(shè)備、測(cè)量?jī)x表的尺寸和規(guī)格也要加大。（2）設(shè)備及線(xiàn)路損耗增加。無(wú)功功率的增加，使得總電流增大，因而使得設(shè)備及線(xiàn)路的損耗增加，這是顯而易見(jiàn)的。（3）使線(xiàn)路和變壓器的電壓降增大，如果是沖擊性無(wú)功負(fù)載，還會(huì)使電壓產(chǎn)生劇烈波

10、動(dòng)，使供電質(zhì)量嚴(yán)重降低。在一般的電網(wǎng)中，有這樣的結(jié)論：有功功率的波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)電壓一般影響較小，電網(wǎng)電壓的波動(dòng)主要是由無(wú)功功率的波動(dòng)引起的。電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)功率因數(shù)很低，這種沖擊性無(wú)功功率會(huì)使電網(wǎng)電壓劇烈波動(dòng)，甚至?xí)菇釉谕浑娋W(wǎng)上的用戶(hù)無(wú)法正常工作。電弧爐、軋鋼機(jī)等大型設(shè)備會(huì)產(chǎn)生頻繁的無(wú)功沖擊，也會(huì)嚴(yán)重影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量。（4）對(duì)電力系統(tǒng)的發(fā)電設(shè)備來(lái)說(shuō)，無(wú)功電流的增大，對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的去磁效應(yīng)增加，電壓降低，如過(guò)度增加勵(lì)磁電流，則使轉(zhuǎn)子繞組超過(guò)允許溫升。為了保證轉(zhuǎn)子繞組正常工作，發(fā)電機(jī)就不允許達(dá)到額定出力。此外，原動(dòng)機(jī)的效率是按照有功功率衡量的，當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)出的視在功率一定時(shí)，無(wú)功功率的增加，會(huì)導(dǎo)致原動(dòng)

11、機(jī)效率的相對(duì)降低?？梢?jiàn)，無(wú)功功率對(duì)供電系統(tǒng)和負(fù)載的運(yùn)行都是十分重要的。無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)，對(duì)于提高電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量和挖掘電網(wǎng)的潛力是十分必要的。由于無(wú)功功率完全由發(fā)電機(jī)提供并經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳送在經(jīng)濟(jì)上是不合理的，在技術(shù)上也是不可行的。因此，合理的方法應(yīng)當(dāng)是，在需要消耗無(wú)功功率的地方產(chǎn)生無(wú)功功率5,6，即進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹饕饔冒ㄒ韵聨讉€(gè)方面7：（1）穩(wěn)定受電端及電網(wǎng)的電壓，提高供電質(zhì)量。在長(zhǎng)距離輸電線(xiàn)路中選擇合適的地點(diǎn)設(shè)置動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置還可以改善輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增加變壓器帶載容量，提高輸電能力。（2）提高供用電系統(tǒng)及負(fù)載的功率因數(shù)，降低設(shè)備容量，減少功率損耗，節(jié)約能源。（3）在三相負(fù)載不

12、平衡的情況下，通過(guò)適當(dāng)?shù)臒o(wú)功補(bǔ)償可以平衡三相有功功率及無(wú)功負(fù)荷。（4）通過(guò)控制功率變化，阻尼系統(tǒng)振蕩。無(wú)功補(bǔ)償在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，將大大提高電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，供電可靠性和運(yùn)行效率，同時(shí)大大提高供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量。因此，無(wú)功功率補(bǔ)償就成為保持電網(wǎng)高質(zhì)量運(yùn)行的主要手段之一，也是當(dāng)今電力系統(tǒng)研究領(lǐng)域的一個(gè)重大課題。1.2 國(guó)內(nèi)外研究狀況由于電力系統(tǒng)中無(wú)功功率的有害性，人們很早就對(duì)各種補(bǔ)償技術(shù)有所認(rèn)識(shí)。在電力系統(tǒng)中，控制無(wú)功功率的方法很多，包括采用同步發(fā)電機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)、同步調(diào)相機(jī)、并聯(lián)電容器和靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置等。由于其技術(shù)的成熟性及經(jīng)濟(jì)上的原因，這些裝置仍在廣泛的使用?？紤]到無(wú)功功率是由于系

13、統(tǒng)中各種電容和電感所產(chǎn)生，人們最初使用了無(wú)源形式的補(bǔ)償方法。該方法是將一定容量的電容器或電抗器以并聯(lián)或串聯(lián)連接的方式安裝在系統(tǒng)的母線(xiàn)中。例如，并聯(lián)電容器在高峰負(fù)荷下可接入系統(tǒng)以防止電壓降低在輕載時(shí) ,電容器和電抗器的存在，對(duì)故障后系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能也有影響。通常，在干擾期間，它們都不會(huì)投入或切除。這些補(bǔ)償措施對(duì)系統(tǒng)發(fā)生影響是由于它們改變了網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，特別是改變了波阻抗、電器長(zhǎng)度和系統(tǒng)母線(xiàn)上的輸入阻抗。一般來(lái)說(shuō)，如果要它們糾正短時(shí)(0.5S)電壓升高和電壓下降，則必須把它們迅速地投入和切除，在某些場(chǎng)合下，這種操作要反復(fù)進(jìn)行，使用傳統(tǒng)的機(jī)械開(kāi)關(guān)裝置，實(shí)際上是做不到這一點(diǎn)的。同步調(diào)相機(jī)又稱(chēng)同步補(bǔ)償器，是作

14、為并聯(lián)補(bǔ)償設(shè)計(jì)的一種同步機(jī)，它屬于有源補(bǔ)償器。同步調(diào)相機(jī)同電容器相比，該裝置的優(yōu)點(diǎn)是：在系統(tǒng)電壓下降時(shí)，靠維持或提高本身的出力，可以給系統(tǒng)提供緊急的電壓支持。從功能上講，同步調(diào)相機(jī)只不過(guò)是一個(gè)被拖動(dòng)到某一轉(zhuǎn)速并與電力系統(tǒng)同步運(yùn)行的同步機(jī)。當(dāng)電機(jī)同步運(yùn)行后，根據(jù)需要，人們控制其磁場(chǎng)，使之產(chǎn)生無(wú)功功率，或從系統(tǒng)吸收無(wú)功功率。同步調(diào)相機(jī)具有調(diào)相的優(yōu)點(diǎn)，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢，發(fā)出單位無(wú)功功率的有功損耗大，運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜，不適應(yīng)各類(lèi)非線(xiàn)性負(fù)載的快速變化。由晶閘管控制電抗器 ( ThyristorCon rolledReactor -TCR) , 晶閘管投切電容器Thyristor Switched Capac

15、itor -TSC)和以及二者的混合裝置(TCR + TSC)等主要形式組成的靜止補(bǔ)償器(Static Var Compensator -SVC)實(shí)際上可看作一個(gè)可調(diào)節(jié)的并聯(lián)電納，其性能比固定并聯(lián)電容器要好得多。而所謂靜止是指沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，這和同步調(diào)相機(jī)不一樣。靜止補(bǔ)償器最重要的性質(zhì)是它能維持其端電壓實(shí)際上不發(fā)生變化，所以它要連續(xù)調(diào)節(jié)與電力系統(tǒng)變換功率，其第二個(gè)重要性質(zhì)是響應(yīng)速度。傳統(tǒng)靜止補(bǔ)償器對(duì)電力系統(tǒng)狀況的調(diào)整和暫態(tài)性能的改善起到了重要的作用，且其控制技術(shù)也比較成型，在實(shí)際電力系統(tǒng)中也得到了不少的有效應(yīng)用。但是它們都是利用可控硅晶閘管進(jìn)行換相控制，在無(wú)功變動(dòng)時(shí)容易發(fā)生逆變現(xiàn)象，并且都需要大

16、電感或大電容來(lái)產(chǎn)生感性和容性無(wú)功，因而人們期待有新的補(bǔ)償方式改善上述缺陷。 國(guó)內(nèi)情況靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置 (Static Compensator) 或稱(chēng)SVC- 靜止無(wú)功系統(tǒng)是相對(duì)于調(diào)相機(jī)而言的一種利用電容器和各種類(lèi)型的電抗器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償(可提供可變動(dòng)的容性或感性無(wú)功)的裝置，簡(jiǎn)稱(chēng)靜補(bǔ)裝置(靜補(bǔ))或靜止補(bǔ)償器。70 年代初武漢鋼鐵公司 1.7cm 軋機(jī)工程進(jìn)口了比利時(shí)的直流勵(lì)磁飽和電抗器和日本的電容器組成的靜補(bǔ)裝置后，國(guó)內(nèi)才對(duì)可變無(wú)功的補(bǔ)償問(wèn)題引起了注意。在國(guó)內(nèi)，補(bǔ)償無(wú)功用的最多的辦法是并聯(lián)電容器。在低壓(10kv 以下)供電網(wǎng)絡(luò)中大量地和在中壓(60kv、35kv)配電網(wǎng)絡(luò)中少量地裝設(shè)并聯(lián)電容器

17、組，以滿(mǎn)足調(diào)壓要求，70 年代初有人提出用大負(fù)荷調(diào)壓變壓器改變并聯(lián)電容器組端電壓，以調(diào)節(jié)無(wú)功出力的設(shè)想，終因調(diào)壓變壓器的操作開(kāi)關(guān)壽命不能保證而未能實(shí)現(xiàn)?？勺儫o(wú)功的補(bǔ)償問(wèn)題越來(lái)越受到有關(guān)部門(mén)的重視，電力部有關(guān)科研、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)單位對(duì)靜補(bǔ)裝置在電力系統(tǒng)中的作用進(jìn)行了不少試驗(yàn)研究工作。從國(guó)外引進(jìn)的靜態(tài)補(bǔ)償為樞紐變電站或大型企業(yè)所用的大容量靜態(tài)補(bǔ)償，對(duì)于中小型中低壓電網(wǎng)或中小型企業(yè)所需的無(wú)功，多采用并聯(lián)電容器組的辦法。這同時(shí)也產(chǎn)生了許多新的問(wèn)題，首先，其不能迅速連續(xù)地進(jìn)行無(wú)功功率的調(diào)節(jié)，其次，許多電容器在夜間產(chǎn)生了過(guò)量的無(wú)功，使發(fā)電機(jī)換相運(yùn)行，并影響系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行，因此，中小企業(yè)的功率因數(shù)調(diào)節(jié)也越來(lái)越

18、引起重視。對(duì)于偏離規(guī)定功率因數(shù)較大的企業(yè)，電力部門(mén)會(huì)對(duì)其征收懲罰性的累加電費(fèi)，在城市夜間、節(jié)假日期間會(huì)有大量剩余無(wú)功功率，引起電網(wǎng)電壓升高，危害用戶(hù)。功率因數(shù)低，損耗大，系統(tǒng)不穩(wěn)定，效益低等問(wèn)題日益突出，所以把連續(xù)可調(diào)的無(wú)功補(bǔ)償裝置應(yīng)用到在中小型中低壓電網(wǎng)或中小型企業(yè)是十分必要的。 國(guó)外情況1967 年，第一批靜補(bǔ)裝置在英國(guó)制成以后，受到世界各國(guó)的廣泛重視，西德、美國(guó)、瑞士、瑞典、比利時(shí)、蘇聯(lián)等國(guó)竟先研制，大力推廣，使得靜止補(bǔ)償裝置比調(diào)相機(jī)具有更大的競(jìng)爭(zhēng)力，廣泛用于電力、冶金、化工、鐵道、科研等部門(mén)，成為補(bǔ)償無(wú)功、電壓調(diào)整、提高功率因數(shù)、限制系統(tǒng)過(guò)電壓，改善運(yùn)行條件經(jīng)濟(jì)而有效的設(shè)備。國(guó)際上幾個(gè)

19、大的電氣公司如瑞士的勃朗.鮑威利公司(BBC)，瑞典通用電氣公司，美國(guó)的通用電氣公司(GE)及西屋公司，日本的富士公司等均發(fā)展了不同類(lèi)型的靜補(bǔ)技術(shù)。根據(jù)提供無(wú)功的性質(zhì)和方式而言，靜補(bǔ)裝置又分為六種組合方式，固定電容、固定感性、可變?nèi)菪?、可變感性、固定容?可變感性、可變?nèi)菪?+ 可變感性，通常所指的靜補(bǔ)裝置是指后兩種方式。對(duì)可變感性又可分為直流勵(lì)磁飽和電抗器(DCMSR) 。相控閥調(diào)節(jié)電抗器(TCR) (或相控閥高阻抗變壓器) 及自飽和電抗器。高壓可控硅元件問(wèn)世以來(lái)，逐步取代了有SR。觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)為實(shí)現(xiàn)感性或容性無(wú)功的連續(xù)可控調(diào)節(jié)提供了簡(jiǎn)便、可靠、靈活的技術(shù)。目前國(guó)際上幾個(gè)主要的產(chǎn)品形式有 FC2

20、TCR (固定容性 + 可變感性) ,電感的調(diào)節(jié)也有用可控高阻抗變壓器、自飽和電抗器、直流偏磁電抗器的。在國(guó)外，系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償主要用靜補(bǔ)裝置和電容器，并積累了廣泛的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，取得了良好的效果。 常見(jiàn)無(wú)功補(bǔ)償裝置無(wú)功補(bǔ)償?shù)男枨笫呛碗娏ο到y(tǒng)的發(fā)展同步的。早期大量使用同步調(diào)相機(jī)作為無(wú)功補(bǔ)償裝置，但是調(diào)相機(jī)作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械存在很大問(wèn)題，如響應(yīng)速度慢、維護(hù)工作量大等。而并聯(lián)電容、電感則是第一代的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置，一般使用機(jī)械開(kāi)關(guān)投切，但是機(jī)械開(kāi)關(guān)投切的響應(yīng)速度以秒計(jì)，因此無(wú)法跟蹤負(fù)荷無(wú)功電流的變化；隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，晶閘管取代了機(jī)械開(kāi)關(guān)，誕生了第二代無(wú)功補(bǔ)償裝置。主要以晶閘管投切電容器(TSC)和晶閘

21、管控制電抗器(TCR)為代表。這類(lèi)裝置大大提高了無(wú)功調(diào)解的響應(yīng)速度，但仍屬于阻抗型裝置，其補(bǔ)償功能受系統(tǒng)參數(shù)影響，且TCR本身就是諧波源，容易產(chǎn)生諧波振蕩放大等嚴(yán)重問(wèn)題。從電力系統(tǒng)的誕生開(kāi)始，無(wú)功補(bǔ)償裝置就開(kāi)始在電力系統(tǒng)中應(yīng)用，同步發(fā)電機(jī)可以看作是最早的無(wú)功補(bǔ)償裝置。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，各種無(wú)功補(bǔ)償裝置不斷出現(xiàn)，經(jīng)歷了并聯(lián)電容器、同步調(diào)相機(jī)、靜止無(wú)功補(bǔ)償器、靜止無(wú)功發(fā)生器811等階段。.1并聯(lián)電容器并聯(lián)電容器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、安裝維護(hù)方便、損耗小等優(yōu)點(diǎn)。但是，它只能補(bǔ)償固定的無(wú)功功率，不能跟蹤負(fù)荷無(wú)功需求的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)功功率的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。在系統(tǒng)中含有諧波時(shí)，還有可能發(fā)生并聯(lián)諧振，使諧波放大，

22、電容器因此而燒毀的事故也時(shí)有發(fā)生。.2同步調(diào)相機(jī)傳統(tǒng)的無(wú)功功率補(bǔ)償裝置是同步調(diào)相機(jī)(Synchronous Condenser，簡(jiǎn)稱(chēng)SC)。它是專(zhuān)門(mén)用來(lái)產(chǎn)生無(wú)功功率的同步電機(jī)，在過(guò)勵(lì)磁或欠勵(lì)磁的情況下，可以分別發(fā)出不同大小的容性或感性無(wú)功功率。由于它是旋轉(zhuǎn)電機(jī)，因此損耗和噪聲都較大，運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜，而且響應(yīng)速度慢，在很多情況下已無(wú)法適應(yīng)快速無(wú)功控制的要求。.3靜止無(wú)功補(bǔ)償器早期的靜止無(wú)功補(bǔ)償器(Static Var Compensator，簡(jiǎn)稱(chēng)SVC)是飽和電抗器(Saturated Reactor，簡(jiǎn)稱(chēng)SR)型的。飽和電抗器與同步調(diào)相機(jī)相比，具有靜止型的優(yōu)點(diǎn)，響應(yīng)速度快；但是由于其鐵心需磁化到

23、飽和狀態(tài)，因而損耗和噪聲都很大，而且存在非線(xiàn)性電路的一些特殊問(wèn)題，又不能分相調(diào)節(jié)以補(bǔ)償負(fù)荷的不平衡，所以未能占據(jù)靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置的主流。靜止無(wú)功補(bǔ)償器近年來(lái)獲得了很大發(fā)展，已被廣泛應(yīng)用于輸電系統(tǒng)波阻抗補(bǔ)償及長(zhǎng)距離輸電的分段補(bǔ)償，也大量用于負(fù)載無(wú)功補(bǔ)償。其典型代表是晶閘管控制電抗器固定電容器（Thyristor Controlled Reactor + Fixed Capacitor，簡(jiǎn)稱(chēng)TCR+FC）。晶閘管投切電容器（Thyristor Switching Capacitor，簡(jiǎn)稱(chēng)TSC）也獲得了廣泛的應(yīng)用。靜止無(wú)功補(bǔ)償器的重要特性是它能連續(xù)調(diào)節(jié)補(bǔ)償裝置的無(wú)功功率。這種連續(xù)調(diào)節(jié)是依靠調(diào)節(jié)TC

24、R中晶閘管的觸發(fā)角得以實(shí)現(xiàn)的。由于具有連續(xù)調(diào)節(jié)的性能且響應(yīng)迅速，因此SVC可以對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，使補(bǔ)償點(diǎn)的電壓接近維持不變。.4 靜止無(wú)功發(fā)生器靜止無(wú)功發(fā)生器（Static Var Generator，簡(jiǎn)稱(chēng)SVG）也是一種電力電子裝置。其最基本的電路是三相橋式電壓型或電流型變流電路，目前使用的主要是電壓型。SVG和SVC不同，SVC需要大容量的電抗器、電容器等儲(chǔ)能元件，而SVG在其直流側(cè)只需要較小容量的電容器維持其電壓即可。SVG屬于第三代靜止無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)?；陔妷涸葱湍孀兤鞯难a(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)了無(wú)功補(bǔ)償功能質(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)

25、功能量的變換。 靜止無(wú)功發(fā)生器的優(yōu)點(diǎn)綜合起來(lái)，靜止無(wú)功發(fā)生器與靜態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償器、同步調(diào)相機(jī)以及SVC裝置相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）在提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性、阻尼系統(tǒng)震蕩等方面的性能大大優(yōu)于傳統(tǒng)的同步調(diào)相機(jī)。（2）采用數(shù)字控制技術(shù)，系統(tǒng)可靠性高，基本不需要維護(hù)，可以節(jié)省大量的維護(hù)費(fèi)用；同時(shí)，可通過(guò)調(diào)度中心EMS實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率潮流和電壓最優(yōu)控制，是建設(shè)中的數(shù)字電力系統(tǒng)（DFS）的組成部分。（3）控制靈活、調(diào)節(jié)速度更快、調(diào)節(jié)范圍廣，在感性和容性運(yùn)行工況下均可連續(xù)快速調(diào)節(jié)，響應(yīng)速度可達(dá)毫秒級(jí)。（4）靜止運(yùn)行，安全穩(wěn)定，沒(méi)有調(diào)相機(jī)那樣的大型轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，無(wú)磨損，無(wú)機(jī)械噪聲，將大大提高裝置壽命，改善環(huán)境影響。（

26、5）對(duì)電容器的容量要求不高，這樣可以省去常規(guī)裝置中的大電感和大電容及龐大的切換機(jī)構(gòu)，使SVG裝置的體積小、損耗低。（6）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存在的較高次諧波，另外起到將電流器和電網(wǎng)這兩個(gè)交流電壓源連接起來(lái)的作用，因此所需的電感量并不大，也遠(yuǎn)小于補(bǔ)償容量相同的TCR等SVC裝置所需的電感量。如果使用降壓變壓器將SVG連入電網(wǎng)，則還可以利用降壓變壓器的漏抗，所需的連接電抗器將進(jìn)一步減小。（7）對(duì)系統(tǒng)電壓進(jìn)行瞬時(shí)補(bǔ)償，即使系統(tǒng)電壓降低，它仍然可以維持最大無(wú)功電流，即SVG產(chǎn)生無(wú)功電流基本不受系統(tǒng)電壓的影響。（8）諧波量小。在多種形式的SVC裝置中，SVC本身產(chǎn)生一

27、定量的諧波。如TCR型的5、7次特征諧波量比較大，占基波值的5%10%；其他型式如SR、TCT等也產(chǎn)生3、5、7、11等次諧波。這給SVC系統(tǒng)的濾波設(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，以消除次數(shù)較低的諧波，并使較高次數(shù)如7、11等次數(shù)諧波減小到可以接受的程度。（9）SVG不需要大容量的電容、電感等儲(chǔ)能元件，在網(wǎng)絡(luò)中普遍使用也不會(huì)產(chǎn)生諧波，而使用SVC或固定電容器補(bǔ)償，如果系統(tǒng)安裝臺(tái)數(shù)較多，有可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)諧振的產(chǎn)生。（10）SVG的端電壓對(duì)外部系統(tǒng)的運(yùn)行條件和結(jié)構(gòu)變化是不敏感的。當(dāng)外部系統(tǒng)容量與補(bǔ)償裝置容量可比時(shí)，SVC將會(huì)變

28、得不穩(wěn)定，而SVG仍然可以保持穩(wěn)定，即輸出穩(wěn)定的系統(tǒng)電壓。（11）運(yùn)行范圍大。對(duì)傳統(tǒng)的SVC裝置，其所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，因而隨電壓的降低而減少。SVG通過(guò)直接調(diào)節(jié)無(wú)功電流實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率補(bǔ)償，其輸出電流不依賴(lài)于電壓，表現(xiàn)為恒流源特性；SVC通過(guò)調(diào)節(jié)等值阻抗實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率補(bǔ)償，其輸出電流和電壓成線(xiàn)性關(guān)系。因此，SVG的電壓-無(wú)功特性?xún)?yōu)于SVC，即當(dāng)系統(tǒng)電壓變低時(shí)，同容量的SVG可以比SVC提供更大的補(bǔ)償容量。（12） SVG比同容量的SVC裝置占地面積小、成本低（由于SVC裝置為補(bǔ)償0100%容量變化的無(wú)功功率，幾乎需要100%容量的電抗器與超過(guò)100%容量的

29、晶閘管控制電抗器，銅和鐵的消耗很大，而SVG使用的電抗器和電容器遠(yuǎn)比SVC中使用的要?。?，在系統(tǒng)欠壓條件下無(wú)功功率調(diào)節(jié)能力強(qiáng)。（13）SVG的直流側(cè)如果采用較大的儲(chǔ)能電容，或者其他直流電源（如蓄電池組）后，它不僅可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的無(wú)功功率，還可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功功率，這對(duì)于電網(wǎng)來(lái)說(shuō)是非常有益的，也是SVC裝置所不能比擬的。（14）響應(yīng)更為迅速。SVG響應(yīng)時(shí)間10ms，傳統(tǒng)靜補(bǔ)裝置響應(yīng)時(shí)間:60100msSVG可在10ms之內(nèi)完成從額定容性無(wú)功功率到額定感性無(wú)功功率(或相反)的轉(zhuǎn)換，這種無(wú)可比擬的響應(yīng)速度完全可以勝任對(duì)沖擊性負(fù)荷的補(bǔ)償。（15）電壓閃變抑制能力倍增。SVC對(duì)電壓閃變的抑制最大可以達(dá)到2

30、:1，SVG對(duì)電壓閃變的抑制很容易達(dá)到4:1甚至5:1。SVC受到響應(yīng)速度的限制，即使增大裝置的容量，其抑制電壓閃變的能力不會(huì)增加；而SVG不受響應(yīng)速度的限制，增大裝置空量可以繼續(xù)提高抑制電壓閃變的能力。正是SVG具有上述優(yōu)點(diǎn)，因而SVG作為一種新型的無(wú)功功率補(bǔ)償調(diào)節(jié)裝置，已經(jīng)成為現(xiàn)代無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的發(fā)展方向，成為國(guó)內(nèi)外電力系統(tǒng)行業(yè)的重點(diǎn)研究方向之一。1.3 論文的主要研究?jī)?nèi)容本文研究SVG的電路結(jié)構(gòu)、控制方法以及工作原理，重點(diǎn)介紹了SVG對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的理論研究。通過(guò)SIMULINK建立了SVG仿真模型，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該算法的有效性，驗(yàn)證了SVG在無(wú)功補(bǔ)償、穩(wěn)定系統(tǒng)電壓及消除自身諧波方面

31、所起的重要作用。論文主要研究?jī)?nèi)容如下：（1）論述了無(wú)功補(bǔ)償?shù)幕靖拍?，研究背景及目的意義；簡(jiǎn)要介紹了幾種無(wú)功補(bǔ)償裝置；介紹了無(wú)功補(bǔ)償在國(guó)內(nèi)外的研究發(fā)展現(xiàn)狀；最后，提出了本文的研究?jī)?nèi)容及論文總體框架。（2）介紹了SVG的基本結(jié)構(gòu)、工作原理；總結(jié)了SVG無(wú)功補(bǔ)償?shù)膬?yōu)特點(diǎn)、電壓電流、諧波等工作特性。（3）重點(diǎn)介紹了SVG穩(wěn)定電力系統(tǒng)電壓的理論研究；通過(guò)公式推導(dǎo)，闡述了SVG是如何穩(wěn)定系統(tǒng)電壓的。并對(duì)比了兩種控制方法。（4）在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下對(duì)SVG無(wú)功補(bǔ)償進(jìn)行了仿真研究。通過(guò)SIMULINK建立了SVG的仿真模型，對(duì)仿真波形圖進(jìn)行分析，結(jié)果表明，SVG型無(wú)功補(bǔ)償在提高功率因數(shù)、穩(wěn)

32、定系統(tǒng)電壓等方面均能滿(mǎn)足要求。2 SVG的基本結(jié)構(gòu)及工作原理引言SVG屬于第三代靜止無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)?；陔妷涸葱湍孀兤鞯难a(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)了無(wú)功補(bǔ)償功能質(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。工作特性是SVG裝置參數(shù)和制定相應(yīng)控制策略進(jìn)行補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)和重要依據(jù)。本章在分析SVG 工作原理的基礎(chǔ)上，對(duì)SVG的電壓-電流特性和諧波特性等工作特性進(jìn)行了分析。2.2SVG的基本原理SVG 的基本原理就是將自換相橋式電路通過(guò)電抗器或者直接并聯(lián)在電網(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，或者直接控制其交流側(cè)電流就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿(mǎn)足要求

33、的無(wú)功電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康?。在平衡的三相電路? 不論負(fù)荷的功率因數(shù)如何，三相瞬時(shí)功率的和是一定的，在任何時(shí)刻都是等于三相總的有功功率。因此總的來(lái)看，在三相電路的電源和負(fù)載之間沒(méi)有無(wú)功能量的來(lái)回往返，各相的無(wú)功能量是在三相之間來(lái)回往返的。所以，如果能用某種方法將三相各部分無(wú)功能量統(tǒng)一起來(lái)處理，使三相電路電源和負(fù)載間沒(méi)有無(wú)功能量的傳遞，在總的負(fù)載側(cè)就無(wú)需設(shè)置無(wú)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總的統(tǒng)一處理的特點(diǎn)。實(shí)際上，考慮到變流電路吸收的電流并不只含基波，其諧波的存在也多少會(huì)造成總體來(lái)看有少許無(wú)功能量在電源與SVG 之間往返；所以，為了維持橋式變流電路的正常工作，其直流

34、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(wú)功容量要小。而對(duì)SVC 裝置，其所需儲(chǔ)能元件的容量至少要等于其所提供的無(wú)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 大大減小，SVG 分為電壓型橋式電路和電流型橋式電路兩種類(lèi)型，其電路基本結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。直流側(cè)分別采用的是電容和電感兩種不同的儲(chǔ)能元件。電壓型橋式電路，還需再串聯(lián)上連接電抗器才能并入電網(wǎng)；電流型橋式電路，還需在交流側(cè)并聯(lián)上吸收換相產(chǎn)生的過(guò)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SVG 往往專(zhuān)指采用自換相的電壓型橋式電路

35、作為動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)难b置。SVG 正常工作時(shí)就是通過(guò)電力半導(dǎo)體開(kāi)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(guò)其交流側(cè)輸出接的不是無(wú)源負(fù)載，而是電網(wǎng)。因此，當(dāng)僅考慮基波頻率時(shí)，SVG 可以等效地視為幅值和相位均可以控制的一個(gè)與電網(wǎng)同頻率的交流電壓源。它通過(guò)交流電抗器連接到電網(wǎng)上。所以，SVG 的工作原理就可以用圖2-2所示的單相等效電路圖來(lái)說(shuō)明。設(shè)電網(wǎng)電壓和SVG 輸出的交流電壓分別用相量和表示，則連接電抗上的電壓即為和的相量差，而連接電抗的電流是可以由其電壓來(lái)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)輸出電壓的幅值及其相當(dāng)于的相位

36、，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(wú)功功率的性質(zhì)和大小。圖 2-1電壓型SVG電路（1）在圖2-2的等效電路中，將連接電抗器視為純電感，沒(méi)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。設(shè)電網(wǎng)電壓和SVG輸出的交流電壓分別用相量和表示，則連接電抗上的電壓即為和的相量差，而連接電抗的電流是可以由其電壓來(lái)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)輸出電壓的幅值及其相對(duì)于的相位，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(wú)功功率的性質(zhì)和大小。若忽略電抗器的

37、有功損耗，因此不必從電網(wǎng)有功能量。在這種情況下，只需使與相同，僅改變的幅值大小即可以控制SVG從電網(wǎng)吸收的電流是超前還是滯后，并且能控制該電流的大小。如圖2-3、2-4所示，當(dāng)大于時(shí)，電流超前電壓，SVG吸收容性的無(wú)功功率，當(dāng)小于時(shí)，電流滯后電壓，SVG吸收感性的無(wú)功功率，從而達(dá)到動(dòng)態(tài)控制無(wú)功功率并進(jìn)行補(bǔ)償?shù)哪康?。圖2-2 SVG等效電路圖 2-3 電流超前圖 2-4電流滯后（2）計(jì)及電抗器和變流器損耗時(shí)的工作原理。由于SVG正常工作是就是通過(guò)電力電子元件開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和阻斷將直流側(cè)電壓轉(zhuǎn)換成交流側(cè)與電網(wǎng)同頻率的輸出電壓，如同一個(gè)電壓型變流器，只不過(guò)其交流側(cè)輸出接的不是無(wú)源負(fù)載，而是電網(wǎng)。因此，當(dāng)

38、只考慮基波頻率時(shí)，SVG可以等效的被視為幅值和相位均可以控制的一個(gè)與電網(wǎng)同頻率的交流電壓源，它通過(guò)交流電抗器連接到電網(wǎng)上。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(xiàn)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)際單相等效電路如圖2-5所示。其電流超前和滯后工作的向量圖如圖2-6、2-7所示。圖中為電網(wǎng)電壓，為SVG輸出交流的電壓，連接用的電抗器上的電壓即為和的相量差。在這種情況下，變流器電壓與電流仍相差，因?yàn)樽兞髌鳠o(wú)需有功能量，而電網(wǎng)電壓與電流的相位差則不再是，而是比小了角，因此電網(wǎng)就需要提供有功功率來(lái)補(bǔ)充電路的損耗，也就是說(shuō)相對(duì)于電網(wǎng)電壓來(lái)說(shuō)，電流中有一定量的

39、有功分量。由向量圖可知，這個(gè)角也就是變流器電壓與電網(wǎng)電壓的相位差。改變這個(gè)相位差，并且同時(shí)改變的幅值，才能改變電流的相位和大小，從而SVG從電網(wǎng)吸收的無(wú)功功率的大小和性質(zhì)也就因此得到調(diào)節(jié)。此時(shí)，將變流器本身的損耗也歸算到交流側(cè)，并歸入連接電抗器電阻中統(tǒng)一考慮。實(shí)際上，這部分損耗發(fā)生在變流器內(nèi)部，應(yīng)該由變流器從交流側(cè)吸收一定有功能量來(lái)補(bǔ)充。因此，實(shí)際上變流器交流測(cè)電壓與電流的相位差并不是嚴(yán)格的，而是比略小。圖 2-5考慮損耗的SVG等效電路圖 2-6考慮損耗的SVG電流超前向量圖圖 2-7考慮損耗時(shí)SVG電流滯后向量圖因此，三相電壓型SVG裝置采用直流電容器作為電壓源。其充電的能量和電路的損耗，

40、可由直流側(cè)設(shè)置的電源供給，也可由交流電源供給。如果單純用于補(bǔ)償無(wú)功功率，可用移相多重連結(jié)的方法來(lái)降低其補(bǔ)償電流中的諧波。若控制方法得當(dāng)，SVG在補(bǔ)償無(wú)功功率的同時(shí)還可以對(duì)諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償。在穩(wěn)態(tài)情況下，SVG的直流側(cè)和交流側(cè)之間沒(méi)有有功功率交換，無(wú)功功率在三相之間流動(dòng)，因此直流側(cè)只需要較小容量的電容即可。此外，SVG裝置用銅和鐵較少，具有優(yōu)良的補(bǔ)償特性，雖然由于控制復(fù)雜且全控器件價(jià)格昂貴還沒(méi)有普及，但其優(yōu)越性能必將使其成為未來(lái)諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)置的重要發(fā)展方向，是新一代無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的代表。2.3 SVG的工作特性SVG的電壓-電流特性根據(jù)工作原理的分析，SVG 的電壓-電流特性如圖2

41、-9所示，同 TCR 等型式的 SVC 裝置一樣，改變控制系統(tǒng)的參數(shù)(電網(wǎng)電壓的參考值)可以使得到的電壓-電流特性上下移動(dòng)，但是可以看出，與SVC 的電壓-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(wú)功電流和維持不變，僅受其電力半導(dǎo)體器件的電流量限制。而對(duì)SVC 系統(tǒng)，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，因而隨著電壓的降低而減小。因此，SVG的運(yùn)行范圍比SVC 大，SVC 的運(yùn)行范圍是向下收縮的三角形區(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)

42、越于 SVC的一大特點(diǎn)。圖 2-8 SVG的電壓-電流特性SVG的諧波特性在SVG 中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，以消除次數(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。相比而言，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 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。SVG的其他特性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

43、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。相比而言，遠(yuǎn)小于補(bǔ)償容量相同的TCR等SVC裝置所需的電感量。如果使用降壓變壓器將SVG連入電網(wǎng)，則還可以利用降壓變壓器的漏抗，所需的連接電抗器進(jìn)一步減小。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，或者其他直流電源（如蓄電池組），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，相比而言，SVC裝置則沒(méi)有這個(gè)特性。若對(duì)SVG補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功電流或無(wú)功功率進(jìn)行反饋控制，則響應(yīng)速度快。特別是若將電流型PWM技術(shù)應(yīng)用于SVG中，則可以實(shí)現(xiàn)SVG電流的瞬時(shí)控制，其動(dòng)態(tài)性能將更加優(yōu)越，這

44、對(duì)SVG的工作原理用受控的無(wú)功電流源來(lái)描述可能比用交流電壓源來(lái)描述更為確切；吸收無(wú)功功率連續(xù)，產(chǎn)生的高次諧波量小、分布少；而且可以分項(xiàng)調(diào)節(jié)，損耗與噪聲小。但是，SVG的控制方法和控制系統(tǒng)顯然要比SVC復(fù)雜。SVG要使用數(shù)量較多的較大容量全控型元件，其價(jià)格目前仍比SVC使用的普通晶閘管高得多。因此，SVG由于用小容量的儲(chǔ)能元件而具有的總體成本低的潛在優(yōu)勢(shì)，還有待于隨著器件水平的提高和成本的降低來(lái)得以發(fā)揮。2.4 本章小結(jié)本章詳細(xì)介紹了SVG型靜止無(wú)功補(bǔ)償器的工作原理，分別就其不考慮損耗以及考慮損耗進(jìn)行分析，并給出了電路圖及向量圖；本章還介紹了SVG的電壓-電流、諧波等工作特性。由此可知，SVG具

45、有總體成本低的潛在優(yōu)勢(shì)。3 SVG穩(wěn)定系統(tǒng)電壓的理論研究3.1 引言電壓是衡量電能質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，保證用戶(hù)的電壓接近額定值是電力系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)整的基本任務(wù)之一。而電力系統(tǒng)的運(yùn)行電壓水平取決于電力系統(tǒng)的無(wú)功功率平衡，有充足的無(wú)功電源是保證電力系統(tǒng)有較好運(yùn)行電壓水平的必要條件。靜止無(wú)功發(fā)生器(SVG)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型無(wú)功功率快速調(diào)節(jié)裝置，它能夠提供連續(xù)變化的感性或容性無(wú)功功率，從而在給定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的電壓控制。3.2 SVG穩(wěn)定系統(tǒng)電壓的理論研究SVG型靜止無(wú)功補(bǔ)償器將自換相橋式電路通過(guò)電抗器或者直接并聯(lián)在電網(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，或者直接控制其交流側(cè)電流就可以

46、使該電路吸收或者發(fā)出滿(mǎn)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?。根?jù)負(fù)荷無(wú)功功率的變化情況，來(lái)實(shí)施改變電抗器的無(wú)功功率（感性無(wú)功功率），當(dāng)負(fù)荷無(wú)功功率增大時(shí)，SVG型靜止無(wú)功補(bǔ)償器產(chǎn)生的無(wú)功功率減少；當(dāng)負(fù)荷無(wú)功功率減少時(shí)，SVG產(chǎn)生的無(wú)功增加。即不管負(fù)載的無(wú)功功率如何變化，總要使二者之和為常數(shù)，即常數(shù)，則能實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)功率因數(shù)=常數(shù)，電壓幾乎不波動(dòng)，從而達(dá)到無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康?，以抑制?fù)載波動(dòng)所造成的系統(tǒng)電壓波動(dòng)和閃變。系統(tǒng)、負(fù)載和補(bǔ)償器的單相等效電路圖如圖3-1所示：圖 3-1 系統(tǒng)、負(fù)載和補(bǔ)償器的單相等效電路圖其中為系統(tǒng)電壓，和分別為系統(tǒng)電阻和電抗。設(shè)負(fù)荷變化很小，故有遠(yuǎn)小于，則假定遠(yuǎn)小于時(shí)，由圖3

47、-2可以看出，該特性曲線(xiàn)是向下傾斜的，即隨著系統(tǒng)供給的無(wú)功功率的增加，供電電壓下降。由電力系統(tǒng)中的分析可知，系統(tǒng)的特性曲線(xiàn)可近似用下式表示: (3-1)或者寫(xiě)為： (3-2)式中一一無(wú)功功率為零時(shí)的系統(tǒng)電壓;一一系統(tǒng)短路容量。由式(3-1)和式(3-2)可知，無(wú)功功率的變化將引起系統(tǒng)電壓成比例地變化。投入補(bǔ)償器之后，系統(tǒng)供給的無(wú)功功率為負(fù)荷和補(bǔ)償器無(wú)功功率之和，即（3-3）如果補(bǔ)償器的無(wú)功功率總能彌補(bǔ)的反方向變化，以使得維持不變，即，則也將為零，從而供電電壓保持恒定。這就是對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)幕驹?。圖3-2示出了進(jìn)行動(dòng)態(tài)的無(wú)功補(bǔ)償,并使系統(tǒng)工作點(diǎn)保持在=常數(shù)的示意圖。當(dāng)使系統(tǒng)的工作點(diǎn)保

48、持在=0處，即圖中的C點(diǎn)時(shí)，就實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)的完全補(bǔ)償。系統(tǒng)無(wú)功負(fù)荷正常時(shí)的特性補(bǔ)償器系統(tǒng)無(wú)功負(fù)荷正常時(shí)，無(wú)需補(bǔ)償器提供無(wú)功功率。綜上，可以看出SVG型靜止無(wú)功補(bǔ)償器具有穩(wěn)定電壓，減少電壓波動(dòng)的功能。圖 3-2 系統(tǒng)電壓與無(wú)功功率變化曲線(xiàn)3.3 SVG的控制方法SVG的控制系統(tǒng)是一個(gè)包括檢測(cè)、控制和驅(qū)動(dòng)等多個(gè)環(huán)節(jié)的復(fù)雜系統(tǒng)。一個(gè)典型的SVG控制系統(tǒng)的工作過(guò)程是：檢測(cè)環(huán)節(jié)通過(guò)電壓互感器、電流互感器將電網(wǎng)和SVG輸出的電壓、電流輸送到檢測(cè)運(yùn)算電路，檢測(cè)運(yùn)算電路按給定的算法計(jì)算出所需要的有用信號(hào)傳送到控制器中，這些信號(hào)稱(chēng)為指令信號(hào)。因此檢測(cè)環(huán)節(jié)至少包括電壓互感器、電流互感器和采樣、鎖相、運(yùn)算等電路以

49、及指令信號(hào)檢測(cè)算法?？刂骗h(huán)節(jié)根據(jù)給定的控制策略對(duì)從檢測(cè)環(huán)節(jié)輸送過(guò)來(lái)的指令信號(hào)進(jìn)行處理，產(chǎn)生觸發(fā)變流器門(mén)極的驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳送到驅(qū)動(dòng)電路，因此控制環(huán)節(jié)至少包含信號(hào)放大、運(yùn)算電路和控制策略。驅(qū)動(dòng)電路將從控制器接收到的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行功率放大，然后加到變流器的門(mén)極，控制變流器的導(dǎo)通與截止，完成對(duì)SVG的控制。在靜止無(wú)功功率發(fā)生器的控制系統(tǒng)中，采用合適的檢測(cè)算法以便精確、快速檢測(cè)到所需要的指令信號(hào)以及采用合適的控制策略以便精確、快速產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。換而言之，檢測(cè)算法和控制策略是直接決定著控制系統(tǒng)的控制性能和SVG的輸出性能。能夠用于SVG的指令信號(hào)檢測(cè)的算法和產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)的控制策略很多，

50、根據(jù)SVG的控制目標(biāo)的不同，可以做出相應(yīng)的選擇。由于SVG的控制系統(tǒng)是為獲取所需的控制信號(hào)和動(dòng)態(tài)特性對(duì)檢測(cè)信號(hào)和給定參考輸入量進(jìn)行處理，一切控制都是圍繞這一要求進(jìn)行的。SVG送入系統(tǒng)的無(wú)功功率量的大小可以由系統(tǒng)調(diào)度或自動(dòng)裝置指定，但更實(shí)際的方式是由SVG根據(jù)自己的任務(wù)自行判斷無(wú)功功率發(fā)生量。在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，它是根據(jù)多種任務(wù)職能自動(dòng)判定任務(wù)的兼顧程度和主要任務(wù)，并使運(yùn)行限制在容量和其它參數(shù)允許范圍內(nèi)。因此，SVG控制策略應(yīng)根據(jù)不長(zhǎng)期要實(shí)現(xiàn)的功能和應(yīng)用場(chǎng)合，以決定采用開(kāi)環(huán)控制、閉環(huán)控制或兩者相結(jié)合的控制策略。根據(jù)控制理論的基本原理，要得到穩(wěn)定的電壓，必須引入電壓負(fù)反饋。同時(shí)為了改善控制性能，可以

51、在此基礎(chǔ)上引入補(bǔ)償電流的反饋。SVG作為快速補(bǔ)償干擾性負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生不利影響的動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償裝置，他的控制策略的選取原則與SVC裝置一樣。如控制策略的選擇應(yīng)根據(jù)補(bǔ)償器要實(shí)現(xiàn)的功能和應(yīng)用場(chǎng)合，以決定采用開(kāi)環(huán)控制還是閉環(huán)控制。從SVG的工作原理分析可知，SVG的輸出電流主要是無(wú)功電流控制SVG輸出的無(wú)功電流（無(wú)功電流有效值或瞬時(shí)無(wú)功電流）或者無(wú)功功率（無(wú)功功率或瞬時(shí)無(wú)功功率），也就改變了SVG吸收無(wú)功功率的大小和性質(zhì)。同時(shí)，從SVG的工作原理分析得出，控制SVG的輸出電壓和電流都可以達(dá)到控制調(diào)節(jié)SVG輸出的無(wú)功電流的大小和性質(zhì)的目的。這不但為使用SVG實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的多種不同控制目標(biāo)提供了基礎(chǔ)，

52、而且為采用多種不同的控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)SVG輸出的無(wú)功電流的控制提供了條件。SVG對(duì)電力系統(tǒng)的控制目標(biāo)可以分為三大類(lèi)：一是控制電力系統(tǒng)的電壓，使系統(tǒng)電壓穩(wěn)定在期望值內(nèi)；另一種是控制系統(tǒng)的無(wú)功電流或者無(wú)功功率，使電力系統(tǒng)傳輸?shù)臒o(wú)功電流或者無(wú)功功率控制在期望的范圍內(nèi)；還有一種是綜合控制，使電力系統(tǒng)的電壓和無(wú)功電流或者無(wú)功功率、靜態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定性、阻尼振蕩等被控制在期望的范圍內(nèi)。相應(yīng)地，SVG的控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)也分為三種：一種是控制SVG的輸出電壓；另一種是控制SVG的輸出電流；還有一種是綜合控制，就是綜合控制SVG輸出的電壓和電流。此外，為了保證SVG直流側(cè)的儲(chǔ)能元件保持足夠的電壓和電流，還需要對(duì)SV

53、G直流側(cè)的電壓或電流進(jìn)行控制。這樣，在SVG的控制系統(tǒng)中，需要檢測(cè)的信號(hào)主要是系統(tǒng)的電壓和無(wú)功電流以及SVG輸出的電壓、電流和SVG直流側(cè)的電壓或電流。在綜合控制時(shí)，有時(shí)需要檢測(cè)系統(tǒng)的頻率。SVG的控制策略很多，概括起來(lái)，根據(jù)是否直接控制SVG的輸出電流來(lái)分，可以分為電流間接控制和電流直接控制兩種方法。 電流間接控制簡(jiǎn)單地說(shuō)，電流間接控制就是按SVG的工作原理，將SVG當(dāng)做交流電壓源來(lái)看待，通過(guò)對(duì)SVG變流器所產(chǎn)生交流電壓基波分量的相位和幅值來(lái)間接控制SVG的交流側(cè)所需產(chǎn)生的無(wú)功電流，因此，電流間接控制也稱(chēng)電壓控制。分析圖2-7，以吸收之后電流為例。由圖中電網(wǎng)電壓、變流器交流測(cè)電壓和連接電抗壓

54、降構(gòu)成的三角形關(guān)系，可得如下等式：（2-1）式中，為與的相位差，以超前時(shí)為正；為連接電抗器的阻抗角；、與分別為、與的模。由此得：（2-2）據(jù)此，可推導(dǎo)出穩(wěn)態(tài)時(shí)SVG從電網(wǎng)吸收的無(wú)功電流和有功電流有效值分別為：（2-3）（2-4）可以證明，如果無(wú)功電流的符號(hào)以吸收滯后無(wú)功功率為正，吸收超前無(wú)功功率為負(fù)，則當(dāng)滯后于，SVG從電網(wǎng)吸收超前無(wú)功電流時(shí)，其穩(wěn)態(tài)仍然滿(mǎn)足式（2-3）和式（2-4），只不過(guò)此時(shí)其中的和均為負(fù)。穩(wěn)態(tài)下將和與角的關(guān)系繪成曲線(xiàn)如圖8所示?？梢?jiàn)在角絕對(duì)值不致太大的范圍內(nèi)，與接近為線(xiàn)性的正比關(guān)系。因此，可以通過(guò)控制相對(duì)的超前角來(lái)控制SVG吸收的無(wú)功電流。圖 3-3 、與的關(guān)系曲線(xiàn)另外，

55、由式（2-1）還可得SVG交流側(cè)輸出電壓為：（2-5）也就是說(shuō)，穩(wěn)態(tài)下角與變流器交流側(cè)基波電壓的大小也是一一對(duì)應(yīng)的。則SVG從系統(tǒng)吸收的無(wú)功功率與有功功率分別為： (2-6) (2-7)可以證明，如果無(wú)功功率的符號(hào)以吸收超前無(wú)功功率為正，吸收滯后無(wú)功功率為負(fù)，則當(dāng)滯后于，SVG從電網(wǎng)吸收滯后無(wú)功功率時(shí)，其穩(wěn)態(tài)仍滿(mǎn)足以上五式，只是此時(shí)、和均為負(fù)值。由式（2-5）可以看出，與變流器交流側(cè)基波電壓的大小一一對(duì)應(yīng)，這就為控制提供了理論依據(jù)。另外，還可以看出，不管大于還是小于，均有大于，也就是說(shuō)，SVG均要從系統(tǒng)吸收少量有功功率來(lái)平衡SVG本身和電路的各種損耗。當(dāng)改變角時(shí)，也隨著改變。角變化時(shí)，變流器將

56、吸收一定的有功電流，因而直流側(cè)的電容將被充電或放電，因而引起的變化，從而引起的變化。當(dāng)暫態(tài)過(guò)程完畢時(shí)，、必然滿(mǎn)足上述關(guān)系式。 電流直接控制簡(jiǎn)單地說(shuō)，電流直接控制就是采用跟蹤型PWM控制技術(shù)對(duì)SVG的交流側(cè)產(chǎn)生的無(wú)功電流進(jìn)行控制。理論上，各種PWM技術(shù)都可以對(duì)SVG的交流側(cè)產(chǎn)生的電流進(jìn)行控制，并且由于電流直接控制對(duì)SVG輸出的無(wú)功電流進(jìn)行直接控制，因此比電流間接控制更能精確的控制SVG輸出的無(wú)功電流。正因?yàn)槿绱耍娏髦苯涌刂撇呗栽赟VG中占有重要位置。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)行處理來(lái)得到PWM脈沖信號(hào)，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

57、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)。電流直接控制的PWM策略很多，最常用的方法有三角形波比較法、滯環(huán)比較法和空間電壓矢量法。以上介紹了SVG的兩種控制方法，即電流的間接控制和電流的直接控制，綜合上述分析，電流間接控制與直接控制具有各自的特點(diǎn)，歸納起來(lái)有以下幾個(gè)方面：（1）電流的間接控制方法相對(duì)簡(jiǎn)單，技術(shù)相對(duì)成熟；但直接控制與間接控制相比，控制精度高，系統(tǒng)具有快速的瞬態(tài)響應(yīng)。由于瞬時(shí)反饋的引入，控制系統(tǒng)對(duì)直流側(cè)電壓和交流側(cè)電網(wǎng)電壓波動(dòng)迅速做出反應(yīng)，保持輸出電流跟隨參考值。（2）直接控制比間接控制的系統(tǒng)穩(wěn)定性高。（3）直接控制可抑制負(fù)序引起的不良影響。（4）SVG采用電流直接控制方法后，其響應(yīng)速度和控制精度將比間接控制法有很大的提高，在這種控制方法下，SVG實(shí)際上已經(jīng)相當(dāng)于一個(gè)受控的電流源，但直接控制法由于是電流瞬時(shí)值的跟蹤控制，因而要求主電路電力半導(dǎo)體器件有較高的開(kāi)關(guān)頻率，這對(duì)于大容量的SVG目前是難以做到的。（5）在工程實(shí)際應(yīng)用中，電流直接控制方法中的脈寬調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生方法用得最多的是滯環(huán)控制法和三角波比較法，而三角波比較法更多的用于連續(xù)時(shí)域控制，滯環(huán)控制法及改進(jìn)的滯環(huán)控制法則更適合于數(shù)字化控制應(yīng)用。空間矢量法適合用于三相對(duì)稱(chēng)正弦系統(tǒng)，佛則由于計(jì)算量大和需要增加濾波環(huán)節(jié)來(lái)檢測(cè)基波無(wú)功電流，影響控