【文章內容簡介】 于第三代靜止無功補償技術?；陔妷涸葱湍孀兤鞯难a償裝置實現(xiàn)了無功補償功能質的飛躍。它不再采用大容量的電容、電感器件，而是通過大功率電力電子器件的高頻開關實現(xiàn)無功能量的變換。 靜止無功發(fā)生器的優(yōu)點綜合起來，靜止無功發(fā)生器與靜態(tài)無功功率補償器、同步調相機以及SVC裝置相比，具有如下優(yōu)點：（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)的同步調相機。（2）采用數(shù)字控制技術，系統(tǒng)可靠性高，基本不需要維護，可以節(jié)省大量的維護費用；同時，可通過調度中心EMS實現(xiàn)無功功率潮流和電壓最優(yōu)控制，是建設中的數(shù)字電力系統(tǒng)（DFS）的組成部分。（3）控制靈活、調節(jié)速度更快、調節(jié)范圍廣，在感性和容性運行工況下均可連續(xù)快速調節(jié)，響應速度可達毫秒級。（4）靜止運行，安全穩(wěn)定，沒有調相機那樣的大型轉動設備，無磨損，無機械噪聲，將大大提高裝置壽命，改善環(huán)境影響。（5）對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構，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)這兩個交流電壓源連接起來的作用，因此所需的電感量并不大，也遠小于補償容量相同的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一步減小。（7）對系統(tǒng)電壓進行瞬時補償，即使系統(tǒng)電壓降低，它仍然可以維持最大無功電流，即SVG產(chǎn)生無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)的濾波設計帶來許多困難，而在SVG中則完全可以采用橋式交流電路的多重化技術、多電平技術或PWM技術來進行處理，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、電感等儲能元件，在網(wǎng)絡中普遍使用也不會產(chǎn)生諧波，而使用SVC或固定電容器補償，如果系統(tǒng)安裝臺數(shù)較多，有可能會導致系統(tǒng)諧振的產(chǎn)生。（10）SVG的端電壓對外部系統(tǒng)的運行條件和結構變化是不敏感的。當外部系統(tǒng)容量與補償裝置容量可比時，SVC將會變得不穩(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）運行范圍大。對傳統(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通過直接調節(jié)無功電流實現(xiàn)無功功率補償，其輸出電流不依賴于電壓，表現(xiàn)為恒流源特性；SVC通過調節(jié)等值阻抗實現(xiàn)無功功率補償，其輸出電流和電壓成線性關系。因此，SVG的電壓無功特性優(yōu)于SVC，即當系統(tǒng)電壓變低時，同容量的SVG可以比SVC提供更大的補償容量。（12） SVG比同容量的SVC裝置占地面積小、成本低（由于SVC裝置為補償0~100%容量變化的無功功率，幾乎需要100%容量的電抗器與超過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比SVC中使用的要?。?，在系統(tǒng)欠壓條件下無功功率調節(jié)能力強。（13）SVG的直流側如果采用較大的儲能電容，或者其他直流電源（如蓄電池組）后，它不僅可以調節(jié)系統(tǒng)的無功功率，還可以調節(jié)系統(tǒng)的有功功率，這對于電網(wǎng)來說是非常有益的，也是SVC裝置所不能比擬的。（14）響應更為迅速。SVG響應時間≤10ms，傳統(tǒng)靜補裝置響應時間:60~100msSVG可在10ms之內完成從額定容性無功功率到額定感性無功功率(或相反)的轉換，這種無可比擬的響應速度完全可以勝任對沖擊性負荷的補償。（15）電壓閃變抑制能力倍增。SVC對電壓閃變的抑制最大可以達到2:1，SVG對電壓閃變的抑制很容易達到4:1甚至5:1。SVC受到響應速度的限制，即使增大裝置的容量，其抑制電壓閃變的能力不會增加；而SVG不受響應速度的限制，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，因而SVG作為一種新型的無功功率補償調節(jié)裝置，已經(jīng)成為現(xiàn)代無功功率補償裝置的發(fā)展方向，成為國內外電力系統(tǒng)行業(yè)的重點研究方向之一。 論文的主要研究內容 本文研究SVG的電路結構、控制方法以及工作原理，重點介紹了SVG對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的理論研究。通過SIMULINK建立了SVG仿真模型，仿真結果驗證了該算法的有效性，驗證了SVG在無功補償、穩(wěn)定系統(tǒng)電壓及消除自身諧波方面所起的重要作用。論文主要研究內容如下：（1）論述了無功補償?shù)幕靖拍睿芯勘尘凹澳康囊饬x；簡要介紹了幾種無功補償裝置；介紹了無功補償在國內外的研究發(fā)展現(xiàn)狀；最后，提出了本文的研究內容及論文總體框架。（2）介紹了SVG的基本結構、工作原理；總結了SVG無功補償?shù)膬?yōu)特點、電壓—電流、諧波等工作特性。（3）重點介紹了SVG穩(wěn)定電力系統(tǒng)電壓的理論研究；通過公式推導，闡述了SVG是如何穩(wěn)定系統(tǒng)電壓的。并對比了兩種控制方法。 （4）在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下對SVG無功補償進行了仿真研究。通過SIMULINK建立了SVG的仿真模型，對仿真波形圖進行分析，結果表明，SVG型無功補償在提高功率因數(shù)、穩(wěn)定系統(tǒng)電壓等方面均能滿足要求。2 SVG的基本結構及工作原理 引言SVG屬于第三代靜止無功補償技術?；陔妷涸葱湍孀兤鞯难a償裝置實現(xiàn)了無功補償功能質的飛躍。它不再采用大容量的電容、電感器件，而是通過大功率電力電子器件的高頻開關實現(xiàn)無功能量的變換。工作特性是SVG裝置參數(shù)和制定相應控制策略進行補償?shù)幕A和重要依據(jù)。本章在分析SVG 工作原理的基礎上，對SVG的電壓電流特性和諧波特性等工作特性進行了分析。 SVG的基本原理SVG 的基本原理就是將自換相橋式電路通過電抗器或者直接并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當?shù)卣{節(jié)橋式電路交流側輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側電流就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實現(xiàn)動態(tài)無功補償?shù)哪康?。在平衡的三相電路? 不論負荷的功率因數(shù)如何，三相瞬時功率的和是一定的，在任何時刻都是等于三相總的有功功率。因此總的來看，在三相電路的電源和負載之間沒有無功能量的來回往返，各相的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無功能量統(tǒng)一起來處理，使三相電路電源和負載間沒有無功能量的傳遞，在總的負載側就無需設置無功儲能元件，三相橋式變流電路實際上就具有這種將三相總的統(tǒng)一處理的特點。實際上，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造成總體來看有少許無功能量在電源與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比SVG 所能提供的無功容量要小。而對SVC 裝置，其所需儲能元件的容量至少要等于其所提供的無功功率的容量，因此，SVG 中儲能元件的體積和成本比同容量的SVC 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型，其電路基本結構如圖21所示。直流側分別采用的是電容和電感兩種不同的儲能元件。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，還需在交流側并聯(lián)上吸收換相產(chǎn)生的過電壓的電容器；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SVG 往往專指采用自換相的電壓型橋式電路作為動態(tài)無功補償?shù)难b置。SVG 正常工作時就是通過電力半導體開關的通斷將直流側電壓轉換成交流側與電網(wǎng)同頻率的輸出電壓，就像一個電壓型逆變器，只不過其交流側輸出接的不是無源負載，而是電網(wǎng)。因此，當僅考慮基波頻率時，SVG 可以等效地視為幅值和相位均可以控制的一個與電網(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。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說明。設電網(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 交流側輸出電壓的幅值及其相當于的相位，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 吸收無功功率的性質和大小。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交流側輸出電壓的幅值及其相對于的相位，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吸收無功功率的性質和大小。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，當大于時，電流超前電壓，SVG吸收容性的無功功率，當小于時，電流滯后電壓，SVG吸收感性的無功功率，從而達到動態(tài)控制無功功率并進行補償?shù)哪康?。圖 22 SVG等效電路圖 23 電流超前圖 24 電流滯后（2）計及電抗器和變流器損耗時的工作原理。由于SVG正常工作是就是通過電力電子元件開關的導通和阻斷將直流側電壓轉換成交流側與電網(wǎng)同頻率的輸出電壓，如同一個電壓型變流器，只不過其交流側輸出接的不是無源負載，而是電網(wǎng)。因此，當只考慮基波頻率時，SVG可以等效的被視為幅值和相位均可以控制的一個與電網(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。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，因為變流器無需有功能量，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補充電路的損耗，也就是說相對于電網(wǎng)電壓來說，電流中有一定量的有功分量。由向量圖可知，這個角也就是變流器電壓與電網(wǎng)電壓的相位差。改變這個相位差，并且同時改變的幅值，才能改變電流的相位和大小，從而SVG從電網(wǎng)吸收的無功功率的大小和性質也就因此得到調節(jié)。此時，將變流器本身的損耗也歸算到交流側，并歸入連接電抗器電阻中統(tǒng)一考慮。實際上，這部分損耗發(fā)生在變流器內部，應該由變流器從交流側吸收一定有功能量來補充。因此，實際上變流器交流測電壓與電流的相位差并不是嚴格的，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，可由直流側設置的電源供給，也可由交流電源供給。如果單純用于補償無功功率，可用移相多重連結的方法來降低其補償電流中的諧波。若控制方法得當，SVG在補償無功功率的同時還可以對諧波電流進行補償。在穩(wěn)態(tài)情況下，SVG的直流側和交流側之間沒有有功功率交換，無功功率在三相之間流動，因此直流側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)良的補償特性，雖然由于控制復雜且全控器件價格昂貴還沒有普及，但其優(yōu)越性能必將使其成為未來諧波抑制和無功功率補償設置的重要發(fā)展方向，是新一代無功功率補償裝置的代表。