靜止無(wú)功補(bǔ)償器SVG發(fā)展及應(yīng)用

1、靜止無(wú)功發(fā)生器SVG發(fā)展及應(yīng)用目錄1.電能質(zhì)量12.無(wú)功補(bǔ)償12.1.FACTS簡(jiǎn)介12.2.可調(diào)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)方案22.3.有源濾波與靜止無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)33.SVG介紹53.1.靜止無(wú)功發(fā)生器主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)53.2.靜止無(wú)功發(fā)生器的基本工作原理63.3.常見的幾種無(wú)功電流檢測(cè)方法73.4.SVG和SVC優(yōu)劣性比較84.SVG 的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)104.1.SVG 的國(guó)內(nèi)外應(yīng)用實(shí)例104.2.SVG 發(fā)展趨勢(shì)114.3.SVG 應(yīng)用范圍12I1. 電能質(zhì)量交流輸電功率包括有功功率和無(wú)功功率。在有功功率不變的情況下，無(wú)功功率越大就會(huì)使功率因數(shù)降低，視在功率增大，從而需要增大發(fā)、輸、配電設(shè)備的容量

2、，增加投資和電力損耗費(fèi)用；使輸電線路電壓降變大，不利于有功電力的輸送與合理應(yīng)用。但如果無(wú)功儲(chǔ)備不足將會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓水平降低，沖擊性的無(wú)功功率負(fù)載還會(huì)使電壓產(chǎn)生劇烈的波動(dòng)，惡化電網(wǎng)的供電質(zhì)量。對(duì)于給定的有功分布，要想使無(wú)功潮流最小以減少系統(tǒng)的損耗，就要求對(duì)無(wú)功功率的流向與轉(zhuǎn)移進(jìn)行很好的控制。隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行控制與補(bǔ)償?shù)闹匾耘c日俱增：輸電網(wǎng)絡(luò)對(duì)運(yùn)行效率的要求日益提高，為了有效利用輸變電容量，應(yīng)對(duì)無(wú)功進(jìn)行就地補(bǔ)償；電源（尤其水電）遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，遠(yuǎn)距離的輸電需要靈活調(diào)控?zé)o功以支撐解決穩(wěn)定性及電壓控制問題；配電網(wǎng)中存在大量的屯感性負(fù)載，在運(yùn)行中消耗大量無(wú)功，使得配電系統(tǒng)損耗大大增加；

3、直流輸電系統(tǒng)要求在換流器的交流側(cè)進(jìn)行無(wú)功控制；用戶對(duì)于供電電能質(zhì)量的要求日益提高。因此，對(duì)電網(wǎng)的無(wú)功進(jìn)行就地補(bǔ)償，尤其是動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，在輸配電系統(tǒng)中十分必要。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，大量的大功率整流、變頻裝置應(yīng)用于電力系統(tǒng)，由于這些設(shè)備大部分功率因數(shù)較低，在工作過程中需要大量的無(wú)功功率，給國(guó)家電網(wǎng)帶來(lái)了很大的額外負(fù)擔(dān)，直接影響到了電網(wǎng)的質(zhì)量。電力電子裝置本身還是一個(gè)諧波源，這些設(shè)備的大量應(yīng)用使電網(wǎng)上的諧波污染日趨嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量，同時(shí)使系統(tǒng)留下嚴(yán)重的安全隱患。2. 無(wú)功補(bǔ)償1.2.2.1. FACTS簡(jiǎn)介柔性交流輸電系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱 FACTS）是美國(guó)電力研究所（Electri

4、c Power Research Institule， EPRI） N.G.Hnigornai 博士于1986年首先提出。它具有控制速度快、控制靈活、可靠性高、可連續(xù)調(diào)節(jié)、可迅速改變潮流分布等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)成為電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制的一個(gè)重要研究方向。 目前，主要的 FACTS 裝置包括三大類。第一類為并聯(lián)裝置，如靜止無(wú)功補(bǔ)償器（Static Var Compensator， SVC），它能夠根據(jù)無(wú)功功率的需求自動(dòng)補(bǔ)償；靜止無(wú)功發(fā)生器（Static Var Generator， SVG），它是最新出現(xiàn)的一種并聯(lián)補(bǔ)償裝置，這是本文研究的主要對(duì)象。第二類為串聯(lián)裝置，如靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器（Static Sy

5、nchronous Series Compensator， SSSC）、晶閘管控制串聯(lián)電容器 （Thyristor Controlled Series Capacitor，TCSC）等。第三類為混合裝置，如統(tǒng)一潮流控制器（United Power Flow Conrtollor ，UPFC） 相間潮流控制器（ Interphase Power Controller，IPC）等。圖2.1 無(wú)功補(bǔ)償裝置發(fā)展概況傳統(tǒng)的靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置是無(wú)功補(bǔ)償電容器，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、方便等優(yōu)點(diǎn)。但是，它的阻抗是固定的，不能跟隨負(fù)荷無(wú)功需求變化，也就是不能實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)功功率的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。且目前由于電力公司推行無(wú)功“返

6、送正計(jì)”，即過補(bǔ)償視為欠補(bǔ)償，不可調(diào)的靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償會(huì)使功率因數(shù)大幅下降，所以要研究可調(diào)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)。2.2. 可調(diào)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)方案近幾年，結(jié)合國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，我國(guó)在無(wú)功補(bǔ)償與諧波綜合治理提出了許多可調(diào)無(wú)功補(bǔ)償方案，無(wú)論哪種方案，都是力求基波下補(bǔ)償牽引負(fù)荷感性無(wú)功功率，提高功率因數(shù)，并濾除（或抵消）指定諧波。主要方案有： （1）真空斷路器投切電容器。最大的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、投資省；缺點(diǎn)是合閘時(shí)，投切濾波支路有一個(gè)暫態(tài)的過程，會(huì)產(chǎn)生過電流過電壓，影響電容器及串聯(lián)電抗器的可靠運(yùn)行；切除濾波支路時(shí)，觸頭上恢復(fù)電壓較高，有開關(guān)重燃的可能，多次重復(fù)擊穿時(shí)，電容器上產(chǎn)生很高的過電壓，致使設(shè)備損壞。對(duì)電容器的投切沖

7、擊，IEC規(guī)定不超過1000次/年，加之開關(guān)壽命的限制，不能頻繁投切，從而影響動(dòng)態(tài)補(bǔ)償效果。 （2）固定濾波器晶閘管調(diào)節(jié)電抗器（TCR）。固定濾波器按諧波要求設(shè)計(jì)，反并聯(lián)晶閘管與電抗器串聯(lián)，通過改變晶閘管觸發(fā)角來(lái)調(diào)節(jié)流過電抗器的感性電流，使其與并聯(lián)濾波器中多余的容性無(wú)功補(bǔ)償電流平衡，滿足功率因數(shù)要求。優(yōu)點(diǎn)是固定濾波器長(zhǎng)期投入，需要的晶閘管數(shù)量少，響應(yīng)速度快，調(diào)節(jié)性能好，缺點(diǎn)是TCR也產(chǎn)生諧波。 （3）固定濾波器晶閘管調(diào)節(jié)變壓器（TCT）。用高漏抗變壓器代替方案（2）中的電抗器即得到這種補(bǔ)償方案。由于高漏抗變壓器制造麻煩，有功損耗大，這種補(bǔ)償方案并沒有得到廣泛應(yīng)用。 （4）固定濾波器可控飽和電抗

8、器。調(diào)節(jié)飽和電抗器的飽和程度來(lái)改變流入回路的感性電流，使其與并聯(lián)濾波器中多余的容性無(wú)功功率得以平衡，優(yōu)點(diǎn)是固定并聯(lián)濾波支路長(zhǎng)期投入，不需投切，實(shí)現(xiàn)光滑可調(diào)，但同TCR一樣要產(chǎn)生諧波，有損耗，噪聲大。 （5）晶閘管投切電容器（TSC）。按照一定的尋優(yōu)模式，設(shè)計(jì)多組某次或某幾次濾波器，基波下各支路呈容性，分級(jí)改變補(bǔ)償裝置的無(wú)功出力；濾波器某次諧波下偏調(diào)諧，兼濾該次諧波。優(yōu)點(diǎn)是損耗小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，速度響應(yīng)快，不產(chǎn)生諧波，可以實(shí)現(xiàn)過零投切，不會(huì)產(chǎn)生像真空形狀那樣嚴(yán)重的過電壓，缺點(diǎn)是每級(jí)都配相應(yīng)的晶閘管，濾波效果受系統(tǒng)特性和投入組數(shù)的影響，一次性投資大。 （6）固定濾波器（FC）調(diào)壓電容器（TC）調(diào)壓電抗

9、器（TL）。通過調(diào)節(jié)降壓變壓器低壓側(cè)的母線電壓來(lái)調(diào)節(jié)連接在低壓母線上的濾波器或電抗器的電壓，從而改變其無(wú)功出力。調(diào)節(jié)時(shí)，用晶閘管通斷，分接開關(guān)無(wú)載調(diào)節(jié)，可充分利用分接開關(guān)的機(jī)械壽命（達(dá)50100萬(wàn)次）和晶閘管的電氣壽命（理論上不受限制）。在實(shí)際應(yīng)用中，也可加裝FC來(lái)提供穩(wěn)定的無(wú)功功率和實(shí)現(xiàn)濾波。 （7）有源補(bǔ)償器。使用電力電子裝置產(chǎn)生與負(fù)荷中諧波電流、負(fù)序電流相位相反的電流，使其相互抵消來(lái)滿足電源的總諧波、無(wú)功電流的要求。這種方案補(bǔ)償靈活，調(diào)節(jié)速度快，不會(huì)與系統(tǒng)發(fā)生諧振，但因電力電子設(shè)備價(jià)格昂貴，尚未得到廣泛應(yīng)用。 （8）無(wú)源補(bǔ)償器有源補(bǔ)償器。采用有源濾波器產(chǎn)生與負(fù)荷中諧波電流相位相反的諧波電

10、流，使其相互抵消來(lái)滿足電源的總諧波電流的要求。比較成功的是無(wú)源、有源混合濾波器，它能揚(yáng)長(zhǎng)避短，充分利用無(wú)源補(bǔ)償?shù)拇笕萘亢陀性囱a(bǔ)償?shù)撵`活性、可控性，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高、運(yùn)行費(fèi)用高。這一技術(shù)正在研究階段。2.3. 有源濾波與靜止無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外有關(guān)單位對(duì)裝設(shè)補(bǔ)償裝置綜合治理電能質(zhì)量的問題進(jìn)行了廣泛的研究和試驗(yàn)，提出了許多方案，其中有的方案已在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施投運(yùn)。其中研究比較多的是有源濾波和靜止無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)。所謂靜止無(wú)功補(bǔ)償，是指不用旋轉(zhuǎn)元件而用不同的開關(guān)投切電容器或電抗器，使其具有吸收和發(fā)出無(wú)功電流的能力，用于提高電力系統(tǒng)的功率因數(shù)，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，抵制系統(tǒng)振蕩等功能。靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置主要有晶閘

11、管控制電抗器（TCR； Thyristor Controlled Reactor）、晶閘管投切電容器（TSC：Thyristor Switched Capacitor），這兩種裝置統(tǒng)稱為SVC（Static Var Compensator），還有基于可關(guān)斷器件的靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG：Static Var Generator）（1）晶閘管控制電抗器（TCR） 兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管與一個(gè)線性電抗器相串聯(lián)，其單相原理圖如圖2.2所示，其三相多接成三角形。當(dāng)觸發(fā)角=90°時(shí)，晶閘管全導(dǎo)通，此時(shí)電 抗器吸收的無(wú)功電流最大；當(dāng)觸發(fā)角=180°時(shí)，導(dǎo)通角=0°，此時(shí)電抗器無(wú)功電

12、流為零。圖2.2 TCR補(bǔ)償原理導(dǎo)通角與補(bǔ)償器等效導(dǎo)納之間的關(guān)系為： （2.2）觸發(fā)角與導(dǎo)通角的關(guān)系為： （2.2）根據(jù)式（2.1）、（2.2）可知增大觸發(fā)角即可減小導(dǎo)通角，從而減小補(bǔ)償器的等效導(dǎo)納，這樣就會(huì)減小補(bǔ)償電流中的基波分量，所以通過觸發(fā)角的大小就可以改變補(bǔ)償器所吸收的無(wú)功分量，達(dá)到調(diào)整無(wú)功功率的效果。由于單獨(dú)的TCR只能吸收無(wú)功功率，而不能發(fā)出無(wú)功功率，為了解決此問題，可以將并聯(lián)電容器與TCR配合使用，構(gòu)成靜止無(wú)功補(bǔ)償器SVC（FC+TCR）。（2）晶閘管投切電容器（TSC） 為了解決電容器組頻繁投切的問題，TSC裝置應(yīng)運(yùn)而生。兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管將電容器并入電網(wǎng)或從電網(wǎng)中斷開，串聯(lián)小

13、電抗器用于抑制電容器投入電網(wǎng)時(shí)可能產(chǎn)生的沖擊電流。一般在補(bǔ)償母線上設(shè)置幾組合適的電容器支路（實(shí)際應(yīng)用中一般設(shè)置成單調(diào)諧濾波器），TSC控制器根據(jù)牽引網(wǎng)電壓與電流來(lái)計(jì)算需投入的電容器支路數(shù)量，按一定的尋優(yōu)模式，通過晶閘管電子開關(guān)控制電容器支路的投入與切除，實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)節(jié)無(wú)功功率的目的，最終使得系統(tǒng)的功率因數(shù)保持在較高的水平。為節(jié)約投資，實(shí)際應(yīng)用中是將牽引母線電壓通過協(xié)調(diào)變壓器降到一定的電壓水平。TSC型靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置響應(yīng)速度快，對(duì)無(wú)功電流有很好的補(bǔ)償效果。TSC裝置一般與電抗器相并聯(lián)，構(gòu)成SVC（TSC+TCR），以電容器作分級(jí)粗調(diào)，以電感作相控細(xì)調(diào)。 （3）有源濾波器（APF） SVC 抑制諧

14、波所采取的措施主要是將固定電容器支路設(shè)置為濾波器，濾除牽引負(fù)荷產(chǎn)生的3、5、7次諧波電流。應(yīng)該看到，此措施對(duì)抑制諧波有一定的效果，但為了防止系統(tǒng)產(chǎn)生諧振，在實(shí)際應(yīng)用中濾波器不能完全調(diào)諧，因此效果有限，不能很好地濾除注入系統(tǒng)的諧波。抑制諧波的一種趨勢(shì)是使用APF。根據(jù)與系統(tǒng)連接方式的不同，APF分為串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種形式，在實(shí)際應(yīng)用中主要采用并聯(lián)型APF。并聯(lián)型 APF可單獨(dú)使用，也可與無(wú)功補(bǔ)償裝置結(jié)合使用，其結(jié)合方式可與無(wú)功補(bǔ)償裝置并聯(lián)，也可與無(wú)功補(bǔ)償裝置串聯(lián)。這種濾波器采用全控型器件，工作在電壓源變流器模式，通過實(shí)時(shí)控制，對(duì)頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響，因而

15、受到廣泛的重視，已在日本、歐美等國(guó)家獲準(zhǔn)廣泛應(yīng)用，并取得良好的效果。（4）靜止無(wú)功發(fā)生器SVG SVG采用全控型器件。由于工作在電壓源變流器模式，它不需要大容量的電抗器和電容器等儲(chǔ)能元件。改變控制方法可使其發(fā)出的無(wú)功功率呈電容性，也可使其吸收的無(wú)功功率呈電感性，且可實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)。采用PWM控制或多重化的結(jié)構(gòu)，使其輸出電流接近正弦波，不需附加額外的濾波器具體結(jié)構(gòu)。從理論上講，使用SVG補(bǔ)償裝置可使功率因數(shù)、諧波及負(fù)序均能達(dá)到滿意的結(jié)果。此類裝置自上個(gè)世紀(jì) 90 年代中期以來(lái)，已在日本新干線上使用。在我國(guó)，在國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目京滬線電氣化改造工程中南翔牽引站采用了SVG方案，這也是國(guó)內(nèi)首例電氣化鐵路主動(dòng)

16、在牽引站內(nèi)加裝SVG裝置。3. SVG介紹1.2.3.3.1. 靜止無(wú)功發(fā)生器主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)SVG 的主電路有電壓型橋式和電流型橋式兩種類型。直流側(cè)分別采用的是電容和電感這兩種不同的儲(chǔ)能元件。對(duì)電壓型橋式電路，還需要串聯(lián)連接電抗器才能并入電網(wǎng)，電抗器能濾除裝置投入時(shí)產(chǎn)生的諧波；對(duì)電流型橋式電路，還需要在交流側(cè)并聯(lián)上吸收換相產(chǎn)生的過電壓電容器。其電路基本結(jié)構(gòu)分別如圖3.1所示。圖3.1 SVG的電路基本結(jié)構(gòu)圖a）采用電壓型橋式電路 b）采用電流型橋式電路在單相電路中，在負(fù)載和電源之間來(lái)回往返的是與基波無(wú)功功率有關(guān)的能量。但在三相平衡的系統(tǒng)中，不論負(fù)載功率因數(shù)是多少，三相瞬時(shí)功率的和是一定的，在

17、任何時(shí)刻都等于三相總的有功功率?？偟膩?lái)看三相電路中電源和負(fù)載之間沒有無(wú)功能量的傳遞，各相的無(wú)功能量是在三相之間來(lái)回往返的，在總的負(fù)載側(cè)也就無(wú)需設(shè)置無(wú)功儲(chǔ)能元件。因此，需要將三相各部分統(tǒng)一處理，而SVG正是將三相的無(wú)功功率統(tǒng)一處理的裝置。理論上來(lái)說，SVG直流側(cè)無(wú)需儲(chǔ)能元件，但由于實(shí)際電路中存在諧波，能量會(huì)在SVG與電源之間交換。因此，通常會(huì)在SVG的直流側(cè)接上一定容量的儲(chǔ)能元件（電容或電感），但這種儲(chǔ)能元件的容量遠(yuǎn)比 SVG所能提供的無(wú)功容量小的多。SVC所需儲(chǔ)能元件的容量要大于等于其能提供的無(wú)功功率的容量。因此，同容量條件下，就儲(chǔ)能元件的體積大小而言SVG 要比SVC要小的多。 電流型橋式電

18、路發(fā)生短路故障時(shí)危害比較大，且效率低。所以在實(shí)際工程應(yīng)用中大都采用電壓型橋式電路。本文也將只對(duì)采用自換相的電壓型橋式電路的SVG 進(jìn)行研究。3.2. 靜止無(wú)功發(fā)生器的基本工作原理SVG的工作原理就是將自換相逆變器主電路通過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)逆變器主電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，或者通過對(duì)其交流側(cè)電流直接控制，近而可以使該SVG發(fā)出或吸收目標(biāo)無(wú)功電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償。 SVG通過控制電力半導(dǎo)體開關(guān)器件的通斷完成將直流側(cè)電壓轉(zhuǎn)換成交流側(cè)輸出電壓（頻率同電網(wǎng)相同）。因此，正常工作時(shí) SVG就像一個(gè)交流側(cè)輸出接電網(wǎng)的電壓型逆變器。當(dāng)僅考慮基波頻率時(shí)，SVG可以等效為一個(gè)與電網(wǎng)電壓同頻率

19、的交流電壓源，且這個(gè)電壓源的幅值和相位是可控制的。 圖 3.2 為SVG的工作原理圖（忽略其損耗時(shí)）。其中，：電網(wǎng)電壓；：SVG 輸出的交流電壓；：電抗器L上的電壓（和的相量差）。由基爾霍夫電壓定律可得，為接電抗器上通過的電流，也是SVG從電網(wǎng)側(cè)吸收的電流，控制近而可以控制。如圖3.2所示在不考慮逆變器的損耗和SVG本身?yè)p耗，并將連接電抗器視為純電感時(shí)，SVG不從電網(wǎng)吸收能量。在上述情況下，只需使和同相位，僅改變的幅值大小即可實(shí)現(xiàn) SVG 從網(wǎng)側(cè)吸收的電流的大小和方向的控制。具體控制相量原理如圖3.2（b）所示。當(dāng)<時(shí)，電流滯后電壓 90°，工作在感性工況下，吸收感性無(wú)功； 當(dāng)

20、>時(shí)，電流超前電壓 90°，工作在容性工況下，吸收容性無(wú)功； 當(dāng)=時(shí)，電流電壓同相，不吸收無(wú)功。圖3.2 SVG等效電路及工作原理圖（不計(jì)損耗）a）單相等效電路 b）向量圖在考慮損耗情況下，（如連接電抗器的損耗、逆變器本身的損耗），并將總的損耗等價(jià)為連接電抗器的電阻，在如此情況下SVG的等效電路如圖3.3（a）所示，其工作原理如圖3.3（b）所示。圖3.3 SVG等效電路及工作原理圖（計(jì)及損耗）a）單相等效電路 b）向量圖由圖3.3 可知，此時(shí)與相差90°，與相差比 90°略小角，因此，必須有有功功率交換來(lái)供給整個(gè)裝置的器件及開關(guān)損耗。也就是說，電流既有無(wú)功

21、分量也有一定量的有功分量。與的相位差也是角。由圖3.3（b）所示其工作原理經(jīng)計(jì)算可得SVG從電網(wǎng)吸收無(wú)功公式：。 調(diào)節(jié)即可調(diào)節(jié) SVG 從電網(wǎng)吞吐無(wú)功功率，如圖3.3（b）所示。 當(dāng)< 0時(shí)，Q <0，即當(dāng)>時(shí)。SVG工作于容性工況，i 超前，吸收容性無(wú)功； 當(dāng)> 0時(shí)，Q >0，即當(dāng)<時(shí)。SVG工作于感性工況，i 滯后，吸收感性無(wú)功； 當(dāng)= 0時(shí)，SVG不吸收無(wú)功。 在圖3.4 中，將SVG本身的損耗也等價(jià)到連接電抗器電阻中考慮。事實(shí)上，這部分損耗發(fā)生在逆變器內(nèi)部，應(yīng)該由逆變器從交流側(cè)吸收的有功能量補(bǔ)充。因此，實(shí)際上與的相位差比90°略小。 工程

22、實(shí)際中還有一種在直流側(cè)并聯(lián)直流電壓源（如蓄電池）提供損耗能量的方案。其工作原理圖如圖3.4所示。在相位上，電流與網(wǎng)側(cè)電壓相差90°，與變流器輸出電壓的相差90°+。圖3.4 損耗能量由直流側(cè)電源提供時(shí)SVG的工作向量圖3.3. 常見的幾種無(wú)功電流檢測(cè)方法 基于傅立葉（Fryze）傳統(tǒng)功率定義來(lái)構(gòu)造的檢測(cè)方法。原理：將負(fù)荷電流分解為一個(gè)與電壓波形完全一致的電流分量和剩余電流分量，將剩余分量定義為廣義無(wú)功電流（包括諧波電流）。缺點(diǎn)：其定義建立在平均功率基礎(chǔ)上，要進(jìn)行一個(gè)周期的積分才能求得瞬時(shí)有功電流，加輔助運(yùn)算電路，至少得延時(shí)幾個(gè)周期。因此實(shí)時(shí)性不好。 基于頻域分析的FFT檢測(cè)

23、法。原理：用FFT獲取各次諧波信號(hào)的相位、頻率和幅值。缺點(diǎn)：需進(jìn)行兩次FFT變換，耗時(shí)約需80ms，適時(shí)誤差大，電壓畸變引起非同步采樣誤差，特別影響高次諧波的檢測(cè)精度。FFT檢測(cè)法得到了廣泛的應(yīng)用，但其檢測(cè)精度有待提高。 自適應(yīng)無(wú)功電流檢測(cè)方法。原理：該方法基于自適應(yīng)噪聲對(duì)消原理，經(jīng)過自適應(yīng)濾波處理，將輸出負(fù)載電流中的有功分量從負(fù)載電流中減去近而得到高次諧波和無(wú)功分量。優(yōu)點(diǎn)：此算法不受電壓波形畸變和元器件參數(shù)變化的影響，這種電流檢測(cè)方法能自適應(yīng)跟蹤檢測(cè)電流。缺點(diǎn)：但動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢。 基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的無(wú)功電流檢測(cè)方法。原理：先將電壓、電流通過abc/坐標(biāo)變換成坐標(biāo)系上的矢量，將電流、電壓矢量的

24、點(diǎn)乘定義為瞬時(shí)有功功率；然后再通過/abc將這些功率變換成三相補(bǔ)償電流。優(yōu)點(diǎn)：突破了在“平均值”基礎(chǔ)上定義的傳統(tǒng)功率理論，實(shí)現(xiàn)了無(wú)功電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)。對(duì)于三相平衡系統(tǒng)該方法電流檢測(cè)的實(shí)時(shí)性更強(qiáng)，加快補(bǔ)償系統(tǒng)控制速度，可以獲得較好的補(bǔ)償效果。 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電流檢測(cè)方法和基于小波分析的電流檢測(cè)方法是目前正在研究的新方法，是具有潛力但不成熟的新型電流檢測(cè)方法，在此不作介紹。3.4. SVG和SVC優(yōu)劣性比較在線性運(yùn)行范圍內(nèi)，SVG和SVC的U-I特性及在補(bǔ)償功能方面的特性相似；但另一方面，由逆變器構(gòu)成的無(wú)功發(fā)生器SVG的運(yùn)行功能相當(dāng)于并聯(lián)在線路上的同步電壓源，而由晶閘管控制電抗器（TCR）和晶閘管投

25、切電容器（TSC）組成的SVC與電網(wǎng)并聯(lián)時(shí)，它相當(dāng)于可控的無(wú)功電抗。從基本運(yùn)行差異來(lái)看， SVG具有電壓源特性，SVC具有無(wú)功電抗特性，因而SVG的整體性能比SVC優(yōu)越，其應(yīng)用的靈活性也比SVC好。 （1）SVG、SVC的U-I和U-Q特性比較 SVG 具有圖3.5（a）所示的U-I特性和圖3.6（a）所示的U-Q特性，它一般安裝在耦合變壓器后面，作為一種電壓源。由圖可見，SVG的運(yùn)行可以超出它的全額電流輸出范圍，甚至在非常低的系統(tǒng)電壓作用下，也能夠維持它的輸出電流不變。理論上可以是零電壓，但一般指系統(tǒng)電壓為0.2p.u。也就是說，SVG的最大容量性或感性輸出電流可以不依賴交流系統(tǒng)電壓，它輸出

26、或吸收的最大無(wú)功容量會(huì)隨著交流系統(tǒng)電壓的改變而線性變化。 與SVG相比、SVC由晶閘管投切電容和電感所組成，在完全輸出時(shí)就變成了固定的容性導(dǎo)納。因此，SVC可達(dá)到的最大補(bǔ)償電流隨交流電壓的降低而線性減少，而它的最大無(wú)功輸出則與該電壓的二次方成正比，圖3.5（b）和圖3.6（b）即為SVC的輸出電流、輸出無(wú)功與端電壓的關(guān)系。SVG之所以優(yōu)于SVC，主要表現(xiàn)在當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)大的擾動(dòng)時(shí)，SVG能夠支撐電壓，而這種大的擾動(dòng)有可能使電壓的偏移遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出補(bǔ)償器線性的運(yùn)行范圍。在電壓嚴(yán)重下降的情況下仍能提供最大的補(bǔ)償電流性能，使SVG在各種應(yīng)用中與較高額定值的SVC所表現(xiàn)出的暫態(tài)補(bǔ)償能力差不多相等。因此，為了保證

27、相應(yīng)的暫態(tài)性能，SVC的容量一般應(yīng)選得大一些。 圖3.5（a）和圖3.6（a）表明，SVG可以增加感性或容性暫態(tài)運(yùn)行的額定容量，至于增加多少，則取決于所使用的功率半導(dǎo)體器件的額定值。SVC則無(wú)法增加它的暫態(tài)無(wú)功輸出，這是因?yàn)樗芴峁┑淖畲笕菪匝a(bǔ)償電流受到它的容量大小和系統(tǒng)電壓幅值的嚴(yán)格限制。而SVG在容性運(yùn)行范圍可達(dá)到的最大瞬時(shí)過電流，完全取決于所使用的功率半導(dǎo)體器件的最大關(guān)斷電流。圖3.5 SVG和SVC的U-I特性比較a）SVG的U-I特性圖 b）SVC的U-I特性圖圖3.6 SVG和SVC的U-Q特性比較a）SVG的U-Q特性圖 b）SVC的U-Q特性圖2）SVG、SVC暫態(tài)穩(wěn)定性比較

28、SVG在系統(tǒng)電壓很低時(shí)能夠保持輸出全部容性電流的能力，使得它在改善系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性方面比SVC更加有效，特別是對(duì)第一振蕩周期所發(fā)揮的穩(wěn)定作用。 （3）SVG、SVC響應(yīng)時(shí)間比較 SVG的典型響應(yīng)時(shí)間為200-350µs、而SVC響應(yīng)時(shí)間在2.5-5.0ms。 （4）SVG、SVC交換有功功率的能力比較 SVG可以通過適當(dāng)?shù)膬?chǔ)能接口與交流系統(tǒng)交換有功功率，SVC無(wú)法實(shí)現(xiàn)這一功能。 （5）SVG、SVC在不平衡交流系統(tǒng)運(yùn)行下的性能比較 對(duì)于SVC，在不平衡交流系統(tǒng)情況下，每相都必須建立一個(gè)相同并聯(lián)導(dǎo)納的控制，因此每相的補(bǔ)償電流就可能不同。這樣會(huì)產(chǎn)生三次諧波，需要安裝濾波器。而SVG的直流

29、側(cè)和交流側(cè)的瞬時(shí)功率任何時(shí)候都相等，則不會(huì)出現(xiàn)這樣情況。 （6）SVG、SVC實(shí)際尺寸與安裝的比較 從設(shè)備安裝角度來(lái)看，由于SVG不僅能控制無(wú)功功率，而且它還能夠自己產(chǎn)生容性或感性的無(wú)功輸出功率。但普通SVC要做到這一點(diǎn)，則需要多組大電容和電感的組合，還需要必須的開關(guān)設(shè)備及相應(yīng)的保護(hù)裝置，而SVG不需要這些。因此，SVG的體積可以做得很小，一般可以減少大約30%-40%的體積，由此所產(chǎn)生的安裝工作和設(shè)備成本會(huì)大大減少。 （7）SVG、SVC損耗比較 兩類補(bǔ)償器在零無(wú)功輸出時(shí)，損耗都非常低約為0.10.2?？傮w來(lái)說SVG的總損耗要比SVC的損耗要高。但隨著控制技術(shù)的進(jìn)步SVG的總體損耗會(huì)越來(lái)越低

30、。4. SVG 的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)SVG是20世紀(jì)70年代末隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展而逐漸發(fā)展起來(lái)的，自1976 年美國(guó)學(xué)者L.Gyugyi提出利用半導(dǎo)體逆變器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)睦碚撘詠?lái)，世界各國(guó)對(duì)SVG理論研究和工程應(yīng)用方興未艾。1.2.3.4.4.1. SVG 的國(guó)內(nèi)外應(yīng)用實(shí)例 在國(guó)外，自1980年日本三菱公司和關(guān)西電力公司推出世界上第一臺(tái)采用晶閘管強(qiáng)迫換流的 20MVA 的SVG并網(wǎng)以來(lái)。世界各大電力公司競(jìng)相研究并搶占這一領(lǐng)域。詳情見表4.1。表4.1 國(guó)外主要SVG投運(yùn)情況表除了輸電系統(tǒng)以外，SVG成功的運(yùn)用于發(fā)電和配電系統(tǒng)，比較典型的如1997年丹麥的賴斯比/海德項(xiàng)目就是利用±

31、8 Mvar 的SVG改善24MW的風(fēng)力發(fā)電廠的電能質(zhì)量；1999年美國(guó)華盛頓州的西雅圖鋼鐵公司安裝了一套5Mvar、416KV 配電靜止無(wú)功補(bǔ)償（D-SVG），該裝置的主要目的之一就是補(bǔ)償4000馬力碾碎機(jī)電動(dòng)機(jī)的電壓閃爍；1998年美國(guó)德克薩斯州的某公司安裝了一套包含±80 Mvar SVG的系統(tǒng)，該項(xiàng)目標(biāo)志著SVG正式進(jìn)入電弧爐的補(bǔ)償領(lǐng)域。 在國(guó)內(nèi)，對(duì)靜止無(wú)功發(fā)生器的研制最早是在高校實(shí)驗(yàn)室，以后陸續(xù)擴(kuò)展到電力公司，業(yè)已部分產(chǎn)品投入使用。詳情見表4.2。表4.2 國(guó)內(nèi)SVG投運(yùn)情況表4.2. SVG 發(fā)展趨勢(shì)由于SVG的優(yōu)越性能，受到國(guó)內(nèi)外專家廣泛的關(guān)注，并且取得了諸多的成果，特

32、別是在數(shù)學(xué)模型的建立，物理模型的研究及控制方法方面。近年來(lái)對(duì) SVG 的研究主要有對(duì)SVG的主電路結(jié)構(gòu)的研究、對(duì)新的電力電子器件在 SVG 中的應(yīng)用研究、以及對(duì)SVG控制策略的研究等。 （1）對(duì)SVG的主電路結(jié)構(gòu)的研究，早期：多重化的方波逆變器；現(xiàn)代：主要以PWM逆變器形式，并將多電平與多重化結(jié)合。 （2）對(duì)新型電力電子器件在SVG中的應(yīng)用研究，早期：以GTO為主；現(xiàn)代：趨向IGBT和IGCT，但GTO仍在使用。容量較小為如幾十兆伏安以下的場(chǎng)合，采用IGBT的趨勢(shì)更多。 （3）對(duì)SVG控制策略的研究：SVG的控制器設(shè)計(jì)方法大致集中于以下幾個(gè)方面； 線性 PID 控制從已公開投運(yùn)的SVG來(lái)看大部分的控制器設(shè)計(jì)，都是采用經(jīng)典PID。它們要么對(duì)PI控制進(jìn)行局部改進(jìn)，要么引入PSS輔助線路。優(yōu)點(diǎn)：維持接入點(diǎn)的電壓基本不變。缺點(diǎn)：進(jìn)