靜止無功補償器SVG發(fā)展及應(yīng)用

靜止無功發(fā)生器SVG發(fā)展及應(yīng)用電流，使其與并聯(lián)濾波器中多余的容性無功功率得以平衡，優(yōu)點是固定并聯(lián)濾波支路長期投入，不需投切，實現(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)計多組某次或某幾次濾波器，基波下各支路呈容性，分級改變補償裝置的無功出力；濾波器某次諧波下偏調(diào)諧，兼濾該次諧波。優(yōu)點是損耗小，結(jié)構(gòu)簡單，速度響應(yīng)快，不產(chǎn)生諧波，可以實現(xiàn)過零投切，不會產(chǎn)生像真空形狀那樣嚴重的過電壓，缺點是每級都配相應(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)壓電抗器（TL）。通過調(diào)節(jié)降壓變壓器低壓側(cè)的母線電壓來調(diào)節(jié)連接在低壓母線上的濾波器或電抗器的電壓，從而改變其無功出力。調(diào)節(jié)時，用晶閘管通斷，分接開關(guān)無載調(diào)節(jié)，可充分利用分接開關(guān)的機械壽命（達50－100萬次）和晶閘管的電氣壽命（理論上不受限制）。在實際應(yīng)用中，也可加裝FC來提供穩(wěn)定的無功功率和實現(xiàn)濾波。（7）有源補償器。使用電力電子裝置產(chǎn)生與負荷中諧波電流、負序電流相位相反的電流，使其相互抵消來滿足電源的總諧波、無功電流的要求。這種方案補償靈活，調(diào)節(jié)速度快，不會與系統(tǒng)發(fā)生諧振，但因電力電子設(shè)備價格昂貴，尚未得到廣泛應(yīng)用。（8）無源補償器＋有源補償器。采用有源濾波器產(chǎn)生與負荷中諧波電流相位相反的諧波電流，使其相互抵消來滿足電源的總諧波電流的要求。比較成功的是無源、有源混合濾波器，它能揚長避短，充分利用無源補償?shù)拇笕萘亢陀性囱a償?shù)撵`活性、可控性，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高、運行費用高。這一技術(shù)正在研究階段。有源濾波與靜止無功補償技術(shù)近年來國內(nèi)外有關(guān)單位對裝設(shè)補償裝置綜合治理電能質(zhì)量的問題進行了廣泛的研究和試驗，提出了許多方案，其中有的方案已在現(xiàn)場實施投運。其中研究比較多的是有源濾波和靜止無功補償技術(shù)。所謂靜止無功補償，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。靜止無功補償裝置主要有晶閘管控制電抗器（TCR；ThyristorControlledReactor）、晶閘管投切電容器（TSC：ThyristorSwitchedCapacitor），這兩種裝置統(tǒng)稱為SVC（StaticVarCompensator），還有基于可關(guān)斷器件的靜止無功發(fā)生器（SVG：StaticVarGenerator）（1）晶閘管控制電抗器（TCR）兩個反并聯(lián)的晶閘管與一個線性電抗器相串聯(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α=90°時，晶閘管全導(dǎo)通，此時電抗器吸收的無功電流最大；當(dāng)觸發(fā)角α=180°時，導(dǎo)通角σ=0°，此時電抗器無功電流為零。圖2.2TCR補償原理導(dǎo)通角與補償器等效導(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α即可減小導(dǎo)通角σ，從而減小補償器的等效導(dǎo)納，這樣就會減小補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償器所吸收的無功分量，達到調(diào)整無功功率的效果。由于單獨的TCR只能吸收無功功率，而不能發(fā)出無功功率，為了解決此問題，可以將并聯(lián)電容器與TCR配合使用，構(gòu)成靜止無功補償器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)運而生。兩個反并聯(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)小電抗器用于抑制電容器投入電網(wǎng)時可能產(chǎn)生的沖擊電流。一般在補償母線上設(shè)置幾組合適的電容器支路（實際應(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)電壓與電流來計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，實現(xiàn)有級調(diào)節(jié)無功功率的目的，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型靜止無功補償裝置響應(yīng)速度快，對無功電流有很好的補償效果。TSC裝置一般與電抗器相并聯(lián)，構(gòu)成SVC（TSC+TCR），以電容器作分級粗調(diào)，以電感作相控細調(diào)。（3）有源濾波器（APF）SVC抑制諧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，濾除牽引負荷產(chǎn)生的3、5、7次諧波電流。應(yīng)該看到，此措施對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，在實際應(yīng)用中主要采用并聯(lián)型APF。并聯(lián)型APF可單獨使用，也可與無功補償裝置結(jié)合使用，其結(jié)合方式可與無功補償裝置并聯(lián)，也可與無功補償裝置串聯(lián)。這種濾波器采用全控型器件，工作在電壓源變流器模式，通過實時控制，對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，補償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響，因而受到廣泛的重視，已在日本、歐美等國家獲準廣泛應(yīng)用，并取得良好的效果。（4）靜止無功發(fā)生器SVGSVG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能元件。改變控制方法可使其發(fā)出的無功功率呈電容性，也可使其吸收的無功功率呈電感性，且可實現(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補償裝置可使功率因數(shù)、諧波及負序均能達到滿意的結(jié)果。此類裝置自上個世紀90年代中期以來，已在日本新干線上使用。在我國，在國家重點項目京滬線電氣化改造工程中南翔牽引站采用了SVG方案，這也是國內(nèi)首例電氣化鐵路主動在牽引站內(nèi)加裝SVG裝置。SVG介紹靜止無功發(fā)生器主電路的拓撲結(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能元件。對電壓型橋式電路，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產(chǎn)生的諧波；對電流型橋式電路，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3.1SVG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，在負載和電源之間來回往返的是與基波無功功率有關(guān)的能量。但在三相平衡的系統(tǒng)中，不論負載功率因數(shù)是多少，三相瞬時功率的和是一定的，在任何時刻都等于三相總的有功功率?？偟膩砜慈嚯娐分须娫春拓撦d之間沒有無功能量的傳遞，各相的無功能量是在三相之間來回往返的，在總的負載側(cè)也就無需設(shè)置無功儲能元件。因此，需要將三相各部分統(tǒng)一處理，而SVG正是將三相的無功功率統(tǒng)一處理的裝置。理論上來說，SVG直流側(cè)無需儲能元件，但由于實際電路中存在諧波，能量會在SVG與電源之間交換。因此，通常會在SVG的直流側(cè)接上一定容量的儲能元件（電容或電感），但這種儲能元件的容量遠比SVG所能提供的無功容量小的多。SVC所需儲能元件的容量要大于等于其能提供的無功功率的容量。因此，同容量條件下，就儲能元件的體積大小而言SVG要比SVC要小的多。電流型橋式電路發(fā)生短路故障時危害比較大，且效率低。所以在實際工程應(yīng)用中大都采用電壓型橋式電路。本文也將只對采用自換相的電壓型橋式電路的SVG進行研究。靜止無功發(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)出或吸收目標無功電流，實現(xiàn)動態(tài)無功補償。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SVG就像一個交流側(cè)輸出接電網(wǎng)的電壓型逆變器。當(dāng)僅考慮基波頻率時，SVG可以等效為一個與電網(wǎng)電壓同頻率的交流電壓源，且這個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）。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本身損耗，并將連接電抗器視為純電感時，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，電流滯后電壓90°，工作在感性工況下，吸收感性無功；當(dāng)>時，電流超前電壓90°，工作在容性工況下，吸收容性無功；當(dāng)=時，電流電壓同相，不吸收無功。圖3.2SVG等效電路及工作原理圖（不計損耗）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3.3SVG等效電路及工作原理圖（計及損耗）a）單相等效電路b）向量圖由圖3.3可知，此時與相差90°，與相差比90°略小δ角，因此，必須有有功功率交換來供給整個裝置的器件及開關(guān)損耗。也就是說，電流既有無功分量也有一定量的有功分量。與的相位差也是δ角。由圖3.3（b）所示其工作原理經(jīng)計算可得SVG從電網(wǎng)吸收無功公式：。調(diào)節(jié)δ即可調(diào)節(jié)SVG從電網(wǎng)吞吐無功功率，如圖3.3（b）所示。當(dāng)δ<0時，Q<0，即當(dāng)>時。SVG工作于容性工況，i超前，吸收容性無功；當(dāng)δ>0時，Q>0，即當(dāng)<時。SVG工作于感性工況，i滯后，吸收感性無功；當(dāng)δ=0時，SVG不吸收無功。在圖3.4中，將SVG本身的損耗也等價到連接電抗器電阻中考慮。事實上，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)吸收的有功能量補充。因此，實際上與的相位差比90°略小。工程實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°+δ。圖3.4損耗能量由直流側(cè)電源提供時SVG的工作向量圖常見的幾種無功電流檢測方法基于傅立葉（Fryze）傳統(tǒng)功率定義來構(gòu)造的檢測方法。原理：將負荷電流分解為一個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功電流（包括諧波電流）。缺點：其定義建立在平均功率基礎(chǔ)上，要進行一個周期的積分才能求得瞬時有功電流，加輔助運算電路，至少得延時幾個周期。因此實時性不好?；陬l域分析的FFT檢測法。原理：用FFT獲取各次諧波信號的相位、頻率和幅值。缺點：需進行兩次FFT變換，耗時約需80ms，適時誤差大，電壓畸變引起非同步采樣誤差，特別影響高次諧波的檢測精度。FFT檢測法得到了廣泛的應(yīng)用，但其檢測精度有待提高。自適應(yīng)無功電流檢測方法。原理：該方法基于自適應(yīng)噪聲對消原理，經(jīng)過自適應(yīng)濾波處理，將輸出負載電流中的有功分量從負載電流中減去近而得到高次諧波和無功分量。優(yōu)點：此算法不受電壓波形畸變和元器件參數(shù)變化的影響，這種電流檢測方法能自適應(yīng)跟蹤檢測電流。缺點：但動態(tài)響應(yīng)慢?；谒矔r無功功率理論的無功電流檢測方法。原理：先將電壓、電流通過abc/αβ坐標變換成αβ坐標系上的矢量，將電流、電壓矢量的點乘定義為瞬時有功功率；然后再通過αβ/abc將這些功率變換成三相補償電流。優(yōu)點：突破了在“平均值”基礎(chǔ)上定義的傳統(tǒng)功率理論，實現(xiàn)了無功電流的實時檢測。對于三相平衡系統(tǒng)該方法電流檢測的實時性更強，加快補償系統(tǒng)控制速度，可以獲得較好的補償效果?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的電流檢測方法和基于小波分析的電流檢測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方法，在此不作介紹。SVG和SVC優(yōu)劣性比較在線性運行范圍內(nèi)，SVG和SVC的U-I特性及在補償功能方面的特性相似；但另一方面，由逆變器構(gòu)成的無功發(fā)生器SVG的運行功能相當(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）和晶閘管投切電容器（TSC）組成的SVC與電網(wǎng)并聯(lián)時，它相當(dāng)于可控的無功電抗。從基本運行差異來看，SVG具有電壓源特性，SVC具有無功電抗特性，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，它輸出或吸收的最大無功容量會隨著交流系統(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，在完全輸出時就變成了固定的容性導(dǎo)納。因此，SVC可達到的最大補償電流隨交流電壓的降低而線性減少，而它的最大無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)大的擾動時，SVG能夠支撐電壓，而這種大的擾動有可能使電壓的偏移遠遠超出補償器線性的運行范圍。在電壓嚴重下降的情況下仍能提供最大的補償電流性能，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)補償能力差不多相等。因此，為了保證相應(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則無法增加它的暫態(tài)無功輸出，這是因為它能提供的最大容性補償電流受到它的容量大小和系統(tǒng)電壓幅值的嚴格限制。而SVG在容性運行范圍可達到的最大瞬時過電流，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3.5SVG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3.6SVG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SVG在系統(tǒng)電壓很低時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，特別是對第一振蕩周期所發(fā)揮的穩(wěn)定作用。（3）SVG、SVC響應(yīng)時間比較SVG的典型響應(yīng)時間為200-350μs、而SVC響應(yīng)時間在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δ芙涌谂c交流系統(tǒng)交換有功功率，SVC無法實現(xiàn)這一功能。（5）SVG、SVC在不平衡交流系統(tǒng)運行下的性能比較對于SVC，在不平衡交流系統(tǒng)情況下，每相都必須建立一個相同并聯(lián)導(dǎo)納的控制，因此每相的補償電流就可能不同。這樣會產(chǎn)生三次諧波，需要安裝濾波器。而SVG的直流側(cè)和交流側(cè)的瞬時功率任何時候都相等，則不會出現(xiàn)這樣情況。（6）SVG、SVC實際尺寸與安裝的比較從設(shè)備安裝角度來看，由于SVG不僅能控制無功功率，而且它還能夠自己產(chǎn)生容性或感性的無功輸出功率。但普通SVC要做到這一點，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)備成本會大大減少。（7）SVG、SVC損耗比較兩類補償器在零無功輸出時，損耗都非常低約為0.1﹪～0.2﹪?？傮w來說SVG的總損耗要比SVC的損耗要高。但隨著控制技術(shù)的進步SVG的總體損耗會越來越低。SVG的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢SVG是20世紀70年代末隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展而逐漸發(fā)展起來的，自1976年美國學(xué)者L.Gyugyi提出利用半導(dǎo)體逆變器進行無功補償?shù)睦碚撘詠?，世界各國對SVG理論研究和工程應(yīng)用方興未艾。SVG的國內(nèi)外應(yīng)用實例在國外，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采用晶閘管強迫換流的20MVA的SVG并網(wǎng)以來。世界各大電力公司競相研究并搶占這一領(lǐng)域。詳情見表4.1。表4.1國外主要SVG投運情況表 除了輸電系統(tǒng)以外，SVG成功的運用于發(fā)電和配電系統(tǒng)，比較典型的如1997年丹麥的賴斯比/海德項目就是利用±8Mvar的SVG改善24MW的風(fēng)力發(fā)電廠的電能質(zhì)量；1999年美國華盛頓州的西雅圖鋼鐵公司安裝了一套5Mvar、416KV配電靜止無功補償（D-SVG），該裝置的主要目的之一就是補償4000馬力碾碎機電動機的電壓閃爍；1998年美國德克薩斯州的某公司安裝了一套包含±80MvarSVG的系統(tǒng)，該項目標志著SVG正式進入電弧爐的補償領(lǐng)域。在國內(nèi)，對靜止無功發(fā)生器的研制最早是在高校實驗室，以后陸續(xù)擴展到電力公司，業(yè)已部分產(chǎn)品投入使用。詳情見表4.2。表4.2國內(nèi)SVG投運情況表SVG發(fā)展趨勢 由于SVG的優(yōu)越性能，受到國內(nèi)外專家廣泛的關(guān)注，并且取得了諸多的成果，特別是在數(shù)學(xué)模型的建立，物理模型的研究及控制方法方面。近年來對SVG的研究主要有對SVG的主電路結(jié)構(gòu)的研究、對新的電力電子器件在SVG中的應(yīng)用研究、以及對SVG控制策略的研究等。（1）對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合，采用IGBT的趨勢更多。（3）對SVG控制策略的研究：SVG的控制器設(shè)計方法大致集中于以下幾個方面；=1\*GB3①線性PID控制從已公開投運的SVG來看大部分的控制器設(shè)計，都是采用經(jīng)典PID。它們要么對PI控制進行局部改進，要么引入PSS輔助線路。優(yōu)點：維持接入點的電壓基本不變。缺點：進行了局部線性化變換，近而限制了SVG的使用范圍，尤其在擾動比較大情況下，很難保證系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性。=2\*GB3②最優(yōu)控制有關(guān)文獻研究表明有將SVG和發(fā)電機的電壓調(diào)節(jié)器（勵磁控制器）相配合的控制方式。優(yōu)點：提高電壓的穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)的阻尼系數(shù)。缺點：基于局部線性化模型的設(shè)計，在強耦合、非線性的電力系統(tǒng)中控制效果差。=3\*GB3③自適應(yīng)控制自適應(yīng)控制在某種意義上克服了經(jīng)典PID控制過分依靠精確數(shù)學(xué)模型（被控對象）的缺點。優(yōu)點：控制效果優(yōu)于基于固定參數(shù)的控制，在較大的擾動下，仍具