【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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。 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。（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)生一定量的諧波。如TCR型的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0~100%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:60~100msSVG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2:1，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。 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靖拍睿芯勘尘凹澳康囊饬x；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)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。 SVG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21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22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，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 21 電壓型SVG電路（1）在圖22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224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 22 SVG等效電路圖 23 電流超前圖 24 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)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?？紤]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25所示。其電流超前和滯后工作的向量圖如圖227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 25 考慮損耗的SVG等效電路圖 26 考慮損耗的SVG電流超前向量圖圖 27 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，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。