ＳＶＧ技術(shù)綜述

杜　晟　張鵬遠(yuǎn)　方　剛

摘要:靜止無功發(fā)生器SVG適于實時補(bǔ)償沖擊性負(fù)荷的無功沖擊電流和諧波電流。IGBT、GTO等電力電子元件的開發(fā), 使大功率、高電壓的變流器的應(yīng)用可靠性有了顯著提高, 從而SVG得到廣泛應(yīng)用。本文介紹了SVG的基本原理、應(yīng)用現(xiàn)狀及前景。

關(guān)鍵詞:SVG;無功補(bǔ)償;IGBT

0 前言

隨著社會的發(fā)展,公眾對電網(wǎng)電能質(zhì)量提出了更高的要求。從目前的電能質(zhì)量來看,電網(wǎng)頻率相對比較好,而電壓質(zhì)量雖在合格范圍,但仍需提高。影響電壓質(zhì)量的一個主要原因是電網(wǎng)無功容量不足或配備不當(dāng),造成電網(wǎng)電壓在峰荷時偏低,在谷荷時偏高,并導(dǎo)致線損增加。目前采用的無功補(bǔ)償絕大多數(shù)是投切固定容量的電容器組,只有少量同步調(diào)相機(jī)和靜止無功補(bǔ)償器,可調(diào)節(jié)的無功容量不足,能快速響應(yīng)的無功調(diào)節(jié)設(shè)備就更少。而SVG技術(shù)日趨成熟,在電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償方面正發(fā)揮著越來越重要的作用。

1 SVG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)到電網(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)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(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

典型的電壓型SVG的工作原理是:以二極管構(gòu)成的整流橋從交流系統(tǒng)中吸取少量有功功率,對直流側(cè)電容充電,保持電壓穩(wěn)定?？刂破鞲鶕?jù)電網(wǎng)無功變化情況,通過6個全控型開關(guān)器件構(gòu)成的三相逆變器向系統(tǒng)輸入感性或容性無功。由文獻(xiàn)[1]公式可知,通過調(diào)節(jié)δ(δ為SVG輸出電壓與U的夾角的大小,)就可以控制SVG注入系統(tǒng)的無功功率。

2 SVG控制方法

SVG的電流控制包括無功補(bǔ)償電流和有功電流的控制。無功補(bǔ)償電流控制用于產(chǎn)生所需的無功補(bǔ)償電流,有功電流控制用于補(bǔ)償有功損耗。SVG的控制器通常由內(nèi)環(huán)控制器和外環(huán)控制器兩部分組成,外環(huán)控制器主要通過一定的檢測方法產(chǎn)生補(bǔ)償電流的參考值,內(nèi)環(huán)控制器的基本任務(wù)是產(chǎn)生一個同步的驅(qū)動信號,從而在裝置的實際輸出電流和參考電流之間建立一種線性的關(guān)系。正是在從補(bǔ)償電流參考值調(diào)節(jié)SVG產(chǎn)生所需補(bǔ)償電流的具體控制方法上,可以分為間接控制和直接控制兩大類。

電流間接控制。所謂間接控制,就是將SVG當(dāng)交流電壓源看待,通過對交流器輸出電壓基波的相位和幅值進(jìn)行控制,來間接控制SVG的交流側(cè)電流,具體實施時有兩種方案可供選擇。控制分為單δ控制和δ與配合控制。

電流直接控制。電流直接控制的基本思想是使用適當(dāng)?shù)腜WM策略對系統(tǒng)的瞬時無功電流進(jìn)行處理PWM脈沖信號。然后使用該PWM脈沖信號去驅(qū)動變流器中可控電力電子器件的門極。從而控制變流器的輸出電流瞬時值與系統(tǒng)的瞬時無功電流在允許的偏差范圍內(nèi)。

近年來,由于控制理論的發(fā)展,出現(xiàn)了許多較新的控制方法,如:智能控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和專家控制等,相信以后這些控制方法講在SVG控制中產(chǎn)生巨大的作用。

3 發(fā)展歷程

日本關(guān)西電力公司與三菱電機(jī)公司共同研制并于1980年1月投運了世界上首SVG的樣機(jī),容量為20Mvar。1986年10月,由美國國家電力研究院和西屋公司研制的1Mvar的SVG裝置投入運行,這是世界上首臺采用大功率GTO作為逆變器元件的靜止補(bǔ)償器。隨后,1991年和1994年,日本和美國又相繼研制出80Mvar和100MvarSVG。1995年,清華大學(xué)和河南電力局共同研制出了我國第一臺SVG,容量為100kvar,開辟了我國研制補(bǔ)償設(shè)備的先河。2000年,清華大學(xué)和河南電力局又成功研制出一臺20Mvar的SVG并投入電網(wǎng)運行。

4 發(fā)展方向

目前,國內(nèi)外研制的SVG裝置大都是基于GTO器件的二電平壓型逆變器。雖然GTO耐壓高、容量大,但需要專門的緩沖電路,且損耗大。鑒于上述原因,將新技術(shù)、新材料用于SVG以改善其性能的研究一直沒有中斷過,并且已經(jīng)取得初步進(jìn)展,這為SVG未來的發(fā)展指明了方向。

新的電力電子器件在SVG中的應(yīng)用。目前在IGBT基礎(chǔ)上發(fā)展而成的新一代大功率器件,即電子注入增強(qiáng)門極晶體管(IEGT)已進(jìn)入實用階段。IEGT具有導(dǎo)通壓降低、工作頻率高、電壓型門極驅(qū)動、安全工作區(qū)寬、易于串聯(lián)使用等優(yōu)點。這些良好的性能使之很適用與SVG等大容量、工作頻率高的電力電子裝置。有理由相信,在未來的柔性交流輸電系統(tǒng)中,它會得到廣泛的應(yīng)用。

新技術(shù)新材料在SVG中的應(yīng)用。電流型逆變器CSI應(yīng)用范圍相對于電壓型逆變器VSI小得多,對其研究工作也相對較少。隨著高溫超導(dǎo)技術(shù)突破性的發(fā)展并進(jìn)入實用化,將解決電流型逆變器CSI中儲能電感儲能效率問題。同時,電力超導(dǎo)儲能系統(tǒng)中儲能線圈具有電流源特性,因而CSI將具有更加廣泛的應(yīng)用前景。但基于電流型逆變器CSI的SVG在諧波電流消除方面有很大困難,然而,正在研究中的化學(xué)沉積氣石墨三極管的出現(xiàn)將解決這個問題。可以預(yù)見,化學(xué)沉積氣石墨三極管將在基于電流型逆變器CSI的SVG中得到廣泛應(yīng)用。

5 SVG的優(yōu)點

運行范圍大。當(dāng)電網(wǎng)電壓下降,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和維持不變,而對SVC系統(tǒng),由于其所能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,因而隨著電壓的降低而減小。因此,SVG的運行范圍比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SVG優(yōu)越于SVC的一大特點。

諧波量小。在多種型式的SVC裝置中,SVC本身產(chǎn)生一定量的諧波,如TCR型的5、7次特征次諧波量比較大,占基波值的5%～8%;其它型式如SR,TCT等也產(chǎn)生3、5、7、11等次的高次諧波,這給SVC系統(tǒng)的濾波器設(shè)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(shù)、多電平技術(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)如7、11等次諧波減小到可以接受的程度。

結(jié)束語

SVG具有響應(yīng)速度快,吸收無功連續(xù),產(chǎn)生的高次諧波量小、分布少;而且可以分相調(diào)節(jié),損耗與噪音小等。但是,由于技術(shù)上的限制,目前SVG的控制策略過于復(fù)雜,造價很高。然而,隨著新技術(shù)和新材料的廣泛應(yīng)用,SVG未來的前景十分廣闊。

參考文獻(xiàn)

[1]韓曉民,尹忠東等.柔性電力技術(shù)——電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].北京:中國水利水電出版社,2007.

[2]粟時平,劉桂美.靜止無功功率補(bǔ)償技術(shù)[M].北京:中國電力出版社,2004.

[3]李家坤.柔性交流輸電技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電力學(xué)報,2007,22(3).

[4]郭小筱,謝秉恩.現(xiàn)代靜止無功發(fā)生器的控制技術(shù)綜述[J].實用技術(shù)與管理.