静止无功发生器_SVG_简介_翁利民

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供　用　电

第18卷第1期2001年2月

静止无功发生器(SV G) 简介

武汉钢铁设计研究总院　翁利民　　武汉水利电力大学电力系　舒立平

BRIEF IN TRODUCTION OF STATIC VAR GENERATOR (S VG )

W eng Limin 　Shu Liping

W uhan General of Design and Research Institute o f Steel&Iro n

Wuhan Institute o f Hydraulic &Electric Po w er, Electric Po wer Depa rtm ent

摘　要　随着G T O 晶闸管、IG BT 等全控制型电力电子器件向大容量化, 高频化方向的不断发展, 各种有源补偿装置有了很快地发展。主要用于补偿无功功率的静止无功发生器比起现阶段广泛采用的SV C 具有更优越的性能; 本文简单介绍了SV G 的基本原理与控制方法, 并从性能上与SV C 系统作了比较。关键词　SV G 　　T CR 型SV C 　　谐波

Abstract 　Along with continuous dev elo pment of who lly co ntro llable pow er electro nic dev ices, such as G T O thristo r and IGBT etc , tow ar d larg e capcity a nd high fr eg uency , va rio us activ e compensa ting dev ices a re ra pidly dev elo ping to o.

The sta tic v ar ge ner ato r, used mainly fo r co mpenstating r eactiv e po w ers has a superio r

perfo rmance as comparing with the SV C, w hich is widely adoped a t curr ent stag e. This pape r briefly int roduces the basic principles and contr olling method o f SV G a nd co mpa res it with SV C as fa r as their perfo rmans a re concerned .

Key words 　SV G 　T C R ty pe o f SV C 　Ha rmo nic w av es

中图分类号:T M 714. 3　　　　　文献标识码:B 　　　　　文章编号:1006-6357(2001) 01-0016-03

1　概述

现阶段在电力网中广泛应用静止型无功补偿装置(SVC-Sta tic v ar Co mpensation) 其内部的电力电子开关元件多为晶闸管。晶闸管在导通期间处于失控状态, 这使SV C 每步补偿时间间隔至少约达工频的半个周期。若被补偿的负荷为急剧波动的干扰性负荷时, 常用的SV C 因固有的时间延迟使其响应不够快。静止无功发生器(Sta tic va r Genera tion, 简称SV G) 则适于实时补偿冲击性负荷的无功冲击电流和谐波电流。IGBT 、GTO 等电力电子元件的开发, 使大功率、高电压的变流器的应用可靠性有了显著提高, 而且由于采用了微处理机和大规模集成电路组件, 使复杂的控制电路也提高了经济性和可靠性, 从统、EM S 能量管理系统、DTS 调度员培训模拟、DM S 配电管理系统、M IS 管理信息系统等。它们为电网的生产、管理服务, 体现着电网运行管理的不同环节。就所关心的对象及功能而言, 它们各有特性, 但又有着紧密的内在联系。这种组成形式克服了以往自动化装置和系统各自为政, 有缝集成, 以至长期形成“多岛自动化”) ; “”

而使矢量控制的新型SV G 得到了开发应用。静止无功发生器(SV G) , 是用自换相的电力半导体桥式变流器来进行动态无功补偿的装置, 与以TCR 型为代表的SVC 装置相比, SV G 的调节速度更快, 运行范围宽, 而且在采取多重化、多电平或脉冲宽度调制(PWM ) 技术等措施后可大大减少补偿电流中谐波的含量。更重要的是, SVG 使用的电抗器和电容元件比SV C 中使用的要小, 这将大大缩小装置的体积和成本。

2　基本原理

SVG 的基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联在电网上, 适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位, 或者直接控的“一体化”管理, 对整个集成系统实施了信息的统一管理、分层共享和分布应用。为进一步根据IEC 国际标准实现应用软件和应用系统的“即插即用”, 乃至应用元件级的“方法共享”创造了条件。

收稿日期:2000年5月8日沈曙明　浙江省嘉兴电力局调度所嘉兴市中山路96号　314000

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制其交流侧电流就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流, 实现动态无功补偿的目的。在平衡的三相电路中, 不论负荷的功率因数如何, 三相瞬时功率的和是一定的, 在任何时刻都是等于三相总的有功功率。因此总的来看, 在三相电路的电源和负载之间没有无功能量的来回往返, 各相的无功能量是在三相之间来回往返的。所以, 如果能用某种方法将三相各部分无功能量统一起来处理, 使三相电路电源和负载间没有无功能量的传递, 在总的负载侧就无需设置无功储能元件, 三相桥式变流电路实际上就具有这种将三相总的统一处理的特点。实际上, 考虑到变流电路吸收的电流并不只含基波, 其谐波的存在也多少会造成总体来看有少许无功能量在电源与SV G 之间往返; 所以, 为了维持桥式变流电路的正常工作, 其直流侧仍需要一定大小的电感或电容作为储能元件, 但所需储能元件的容量远比SV G 所能提供的无功容量要小。而对SV C 装置, 其所需储能元件的容量至少要等于其所提供的无功功率的容量, 因此, SV G 中储能元件的体积和成本比同容量的SV C 大大减小。

SV G 分为电压型桥式电路和电流型桥式电路两种类型, 其电路基本结构如图1所示, 直流侧分别采用的是电容和电感这两种不同的储能元件。电压型桥式电路, 还需再串联上连接电抗器才能并入电网; 电流型桥式电路, 还需在交流侧并联上吸收换相产生的过电压的电容器; 实际上, 由于运行效率的原因, 迄今投入实用的SV G 大都采用电压型桥式电路, 因此SV G 往往专指采用自换相的电压型桥式电路作为动态无功补偿的装置

。

所以, SV G 的工作原理就可以用图2a ) 所录的单相等效电路图来说明。设电网电压和SVG 输出的交流电压分别用相量U S 和U I 表示, 则连接电抗X 上的电压U L 即为U S 和U I 的相量差, 而连接电抗的电流是可以由其电压来控制的。这个电

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流就是SV G 从电网吸收的电流I 。因此, 改变SVG 交流侧输出电压U I 的幅值及其相当于U S 的相位, 就可以改变连接电抗上的电压, 从而控制SV G 从电网吸收电流的相位和幅值, 也就控制了SV G 吸收无功功率的性质和大小。

a) 在图2a) 的等效电路中, 将连接电抗器视为纯电感, 没有考虑其损耗以及变流器的损耗, 因此不必从电网吸收有功能量。在这种情况下, 只需使U I 与U S 同相, 仅改变U I 的幅值大小即可以控制SV G 从电网吸收的电流I 是超前还是滞后90°, 并且能控制该电流的大小。如图2b) 所示, 当U I 大于U S 时, 电流超前90°, SV G 吸收容性的无功功率; 当U I 小于U S 时, 电流滞后电压90°, SV G 吸收感性的无功功率, 从而达到动态控制无功功率并进行补偿的目的。

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图2　SV G 等效电路及工作原理

3　控制方法

SVG 作为快速补偿干扰性负荷对电网产生不利影响的动态无功补偿装置, 它的控制策略、外闭环反馈控制量和调节器的选取原则上都与SVC 装置一样。如控制策略的选择应根据补偿器要实现的功能和应用的场合, 以决定采用开环控制还是闭环控制; 而外闭环反馈控制量和调节器的选取也应根据补偿器要实现的功能, 例如要实现改善电压调整的功能, 控制系统即需采用系统电压的外闭环反馈控制, 设置电压调节器。

在控制上, SV G 与SVC 的区别在于, 在SVC 装置中, 由外闭环调节器输出的控制信号用作SV C 等效电纳的参考值B ref , 以此信号来控制SVC 调节到所需的等效电纳; 而在SV G 中, 外闭环调节器输出的控制信号则被视为补偿器应产() 。图1　SV G 的电路基本结构

SV G 正常工作时就是通过电力半导体开关

的通断将直流侧电压转换成交流侧与电网同频率的输出电压, 就象一个电压型逆变器, 只不过其交流侧输出接的不是无源负载, 而是电网。因此, 当仅考虑基波频率时, SV G 可以等效地视为幅值和相位均可以控制的一个与电网同频率的

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何由无功电流参考值调节SV C 真正产生所需的无功电流这个环节上, 形成了SV G 多种多样的具体控制方法, 而这与SV C 所采用的触发角移相控制原理是完全不同的。

由无功电流(无功功率) 参考值调节SVG 产生所需无功电流的具体控制方法, 可以分为间接控制和直接控制两大类, 简单地说, 间接控制就是按第2节SV G 的工作原理, 将SV G 当作交流电压源来看待, 通过对SVG 变流器所产生交流电压基波的相位和幅值的控制, 来间接控制SV G 的交流侧电流。而直接控制就是采用跟踪型PWM 控制技术对电流波形的瞬时值进行反馈控制, SV G 采用电流直接控制方法后, 其响应速度和控制精度将比间接控制法有很大的提高, 在这种控制方法下, SV G 实际上已经相当于一个受控的电流源, 但直接控制法由于是对电流瞬时值的跟踪控制因而要求主电路电力半导体器件有较高的开关频率, 这对于大容量的SV G 目前是难以做到的。

收缩的三角形区域, 而SV G 的运行范围是上下等宽的近似矩形的区域, 这是SV G 优越于SV C 的一大特点。

(2) 谐波量小

在多种型式的SV C 装置中, SV C 本身产生一定量的谐波, 如TC R 型的5、7次特征次谐波量比较大, 占基波值的5%～8%; 其它型式如

、5、7、11等次的高次谐波, SR , TCT 等也产生3

这给SV C 系统的滤波器设计带来许多困难, 而在SV G 中则完全可以采用桥式交流电路的多重

化技术、多电平技术或PW M 技术来进行处理, 以消除次数较低的谐波, 并使较高次数如7、11等次谐波减小到可以接受的程度。

(3) 连接电抗小

SVG 接入电网的连接电抗, 其作用是滤除电流中可能存在的较高次谐波, 另外起到将变流器和电网这两个交流电压源连接起来的作用, 因此所需的电感值并不大, 也远小于补偿容量相同的TCR 等SV C 装置所需的电感量, 如果使用降压变压器将SV G 连入电网, 则还可以利用降压变压器的漏抗, 所需的连接电抗器将进一步减小。

此外, 对于那些以输电补偿为目的的SVG 来讲, 如果直流侧采用较大的储能电容, 或者其他直流电源(如蓄电池组) , 则SV G 还可以在必要时短时间内向电网提供一定数量的有功功率, 这对于电力网来说是非常有益的, 这是SV C 装置所不能比拟的。

4　SVG 的优特点

(1) 运行范围大

根据工作原理的分析, SV G 的电压-电流特性如图3所示, 同TCR 等型式的SV C 装置一样, 改变控制系统的参数(电网电压的参考值

电流特性上下移动, 但是U ref ) 可以使得到的电压-可以看出, 与SV C 的电压-电流特性不同的是, 当电网电压下降, 补偿器的电压-电流特性向下调整

时, SV G 可以调整其变流器交流侧电压的幅值和相位, 以使其所能提供的最大无功电流I Lmax 和I cmax 维持不变, 仅受其电力半导体器件的电流量限制。而对SV C 系统, 由于其所能提供的最大电流分别受其并联电抗器和并联电容器的阻抗特性限制, 因而随着电压的降低而减小。因此, SV G 的运行范围比SV C 大, SVC 的运行范围是向下

5　结束语

SVG 相对于多型式的SV C 来讲, 其优势是十分明显的, 响应速度快, 吸收无功连续, 产生的高次谐波量小、分布少; 而且可以分相调节, 损耗与噪音小。当然, SV G 的控制方法和控制系统显然要比SVC 复杂; SV G 要使用数量较多的较大容量全控型元件, 其价格目前仍比SVC 使用的普通晶闸管高得多, 因此, SV G 由于用小容量的储能元件而具有的总体成本的潜在优势, 还有待于随着器件水平的提高和成本的降低来得以发挥, 但我们相信, SV G 的发展与应用前景将是十分广阔的。

收稿日期:2000年3月23日翁利民　武汉钢铁设计研究总院武汉市青山区冶金大道12号　430080

图3　SVG 的电压-电流特性