(完整版)靜止無功發(fā)生器(SVG原理簡介)

1、PHIMIKAPHIMIKA靜止無功發(fā)生器（ SVG ）原理簡介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年日本和美國分別研制成功了80MVA和10OMVA的采用GTO 晶閘管的 SVG 。目前國際上有關(guān)SVG 的研究和將其應(yīng)用于電網(wǎng)或工業(yè)實際的興趣正是方興未艾,國內(nèi)有關(guān)的研究也已見諸報道。與傳統(tǒng)的以TCR 為代

2、表的 SVC 相比 ,SVG 的調(diào)節(jié)速度更快,運行范圍寬,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 , 從而實現(xiàn)動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康?。在單相電路?, 與基波無功功率有關(guān)的能

3、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,三相瞬時功率之和是一定的, 在任何時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, 則因為總體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)置無功儲能元件。三相橋式變流電路實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。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)儲能元件。但實際上, 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

4、會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能元件,但所需儲能元件的容量遠(yuǎn)比SVG 所能提供的無功容量要小 。而對傳統(tǒng)的 SVC,其所需儲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能元件。對電壓型橋式電路,還需再串聯(lián)上連接電抗器才能并入電網(wǎng)； 對電流型橋式電路, 還需在交流側(cè)并聯(lián)上吸收換

5、相過電壓的電容器。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, 因此目前 SVG往往專指采用自換相的電壓型橋式電路作動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)难b置，飛明佳公司研發(fā)的SVG也是采用的該種方式。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 。由于 SVG 正常工作時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，而是電網(wǎng)。因此，當(dāng)僅考慮基波時 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

6、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,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

7、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90 , 并且能控制該電流的大小。如圖2b 所示 ,當(dāng) U1大于 Us 時 , 電流超前電壓90 ,SVG 吸收容性的無功功率；當(dāng)U1小于 Us 時 , 電流滯后電壓 90,SVG 吸收感性的無功功率。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 的實際等效電路如圖 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

8、流 ? 仍是 相差 90 , 因為變流器無需有功能量。而電網(wǎng)電壓 ? S與電流 ? 的相差則不再是 90 , 而是比 90 小了 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，相對于電網(wǎng)電壓來講 , 電流 ? 中有一定量的有功分量。這個 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)。根據(jù)以上對工作原理的分析, 可得 SVG 的電壓 -電流特性如圖 4 所示。同 TCR 等傳統(tǒng) SVC 一樣 , 改變控制系統(tǒng)的參數(shù)( 電網(wǎng)

9、電壓的參考值U ref ),可以使得到的電壓 - 電流特性上下移動。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 ,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 的運行范圍比傳統(tǒng) SVC 大 , SVC的運行范圍是向下收縮的三角形區(qū)域, 而 SVG 的運行范圍是上下等寬的近似矩形的區(qū)域。這是S

10、VG 優(yōu)越于傳統(tǒng) SVC 的又一特點。圖 4 SVG的電壓 -電流特性此外,對于那些以輸電補(bǔ)償為目的SVG來講,如果直流側(cè)采用較大的儲能電容或其他直流電源(如蓄電池組、采用電流型變流器時直流側(cè)用超導(dǎo)儲能裝置等) ,則SVG還可以在必要時短時間內(nèi)向電網(wǎng)提供一定量的有功功率。這對于電力系統(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中的高次

11、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)合其相對于傳統(tǒng)SVC的優(yōu)點進(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,其價格比SVC 使用的普通晶閘管高得多；因此，SVG只需用小的儲能元件而具有的總體成本的潛在優(yōu)勢,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 的控制方法作為動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的類型之一,SVG的控制不論是

12、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。,SVGSVC,SVC,SVC效電納的參考值Bref， 以此信號來控制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,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)節(jié) SVG 產(chǎn)生所需無功電流 ( 或無功功率 ) 的具

13、體控制方法 , 可以分為間接控制和直接控制兩大類。因為在系統(tǒng)電壓值基本維持恒定時就是對無功功率的控制 , 因此以下均以無功電流的控制來說明。實際上該包括對有功電流的控制 , 以補(bǔ)償電路中的有功損耗。,SVG, 對無功電流的控制也的電流控制任務(wù)中還應(yīng)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 當(dāng)作交流電壓源看待SVG 的交流側(cè)電流。,通過對SVG2.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)對電流波形的瞬時值進(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)比較方式,也可以采用

14、三角波比較方式,其簡單原理分別如圖5a和b所示。其瞬時電流的參考值iref ,可以由瞬時電流無功分量的參考值與瞬時電流有功分量的參考值相加而得；也可以瞬時電流無功分量的參考值iQref為主,而根據(jù)SVG對有功能量的需求對iQref的相位進(jìn)行修正來得到總的瞬時電流參考值iref。其中 ,瞬時電流無功分量的參考值可以由滯后于電源電壓90 的正弦波信號與無功電流參考值IQref相乘得到,而 SVG 對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電流瞬時值的跟蹤控制,因而要求主電路電力電子器件有較高的開關(guān)頻率,這對于較大容量的SVG目前還難以做到。下表列出了SVG和其他各種動態(tài)補(bǔ)償方法的簡要對比,大家可以一目了然的看出各種補(bǔ)償方式的優(yōu)