無功功率補(bǔ)償中SVG技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展

徐惠勇

(哈爾濱供排水集團(tuán)，哈爾濱 150076)

0 引言

無功功率補(bǔ)償技術(shù)正在從傳統(tǒng)的電容器并聯(lián)補(bǔ)償向SVG技術(shù)過渡。所謂SVG(Static Var Generator)即為靜止無功發(fā)生器，通常是專指由自換相的電力半導(dǎo)體橋式變流器來進(jìn)行動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)难b置。

采用電力半導(dǎo)體變流器實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償?shù)乃枷朐缭?0世紀(jì)70年代就己有人提出，1972年日本就發(fā)表了用強(qiáng)迫換相的晶閘管橋式電路作為調(diào)相裝置的研究論文;1976年，美國學(xué)著L.Gyugyi在其論文中提出了用電力半導(dǎo)體變流器進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)母鞣N方案，其中使用自換相橋式變流電路的方案最受青睬。限于當(dāng)時(shí)的器件水平，采用強(qiáng)迫換相的晶閘管器件是實(shí)現(xiàn)自換相橋式電路的唯一手段。

1980年日本研制出了20 MVA采用強(qiáng)迫換相晶閘管橋式電路的SVG，并成功地投入了電網(wǎng)運(yùn)行。隨著電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展，GTO晶閘管等全控型器件開始達(dá)到了可用于SVG中的電壓和電流等級(jí)，并逐漸成為SVG的自換相橋式電路中的主力。1987年美國西屋公司研制成lMVA采用GTO晶閘管的SVG實(shí)驗(yàn)裝置，并成功地進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。1991年和l994年日本和美國分別研制成功了一套80 MVA和一套100 MVA的采用GTO晶閘管的SVG裝置，并且最終成功地投入了商業(yè)運(yùn)行。以上是有關(guān)SVG的實(shí)際裝置用于改善電網(wǎng)性能的報(bào)道。另外，用SVG來補(bǔ)償工業(yè)負(fù)荷的研究也時(shí)有報(bào)道，使用的大都也是GTO晶閘管和IGBT這樣的全控型器件?？梢哉f，目前國際上有關(guān)SVG的研究和將其應(yīng)用于電網(wǎng)或工業(yè)實(shí)際的興趣方興未艾。國內(nèi)有關(guān)的研究也己見諸報(bào)道，并且也己有投入工程實(shí)際的裝置和建設(shè)項(xiàng)目。

與傳統(tǒng)的以TCR為代表的SVC裝置相比，SVG的調(diào)節(jié)速度更快，運(yùn)行范圍寬，而且在采取多重化、多電平或PWM技術(shù)等措施后可大大減少補(bǔ)償電流中諧波的含量。更重要的是，SVG使用的電抗器和電容元件遠(yuǎn)比SVC中使用的電抗器和電容元件要小，這將大大縮小裝置的成本。SVG具有如此優(yōu)越的性能，顯示了動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的發(fā)展方向。

1 SVG的基本原理

簡單地說，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(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，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)出滿足要求的無功電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

眾所周知，在單相電路中，與基波無功功率有關(guān)的能量是在電源和負(fù)載之間來回往返的。但是在平衡的三相電路中，不論復(fù)載的功率因數(shù)如何，三相瞬時(shí)功率的和是－定的，在任何時(shí)刻都是等于三相總的有功功率。因此總的來看，在三相電路的電源和負(fù)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總的統(tǒng)一起來處理，則因?yàn)榭偟膩砜慈嚯娐冯娫春拓?fù)載間沒有無功能量的傳遞，在總的負(fù)載側(cè)就無需設(shè)置無功儲(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)。因此，理論上講，SVG的橋式變流電路的直流側(cè)可以不設(shè)儲(chǔ)能元件。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)造成總體看來有少許無功能量在電源和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所能提供的無功容量要小。而對(duì)傳統(tǒng)的SVC裝置，其所需儲(chǔ)能元件的容量至少要等于其所提供無功功率的容量;因此，SVG中儲(chǔ)能元件的體積和成本比同容量的SVC中大大減小。

嚴(yán)格地講，SVG應(yīng)該分為來用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(jié)構(gòu)分別如圖1a和b所示，直流側(cè)分別采用的是電容和電感這兩種不同的儲(chǔ)能元件。對(duì)電壓型橋式電路，還需再串聯(lián)上連接電抗器才能并人電網(wǎng);對(duì)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往往專指采用自換相的電壓型橋式電路作動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)难b置。因此，在文中將以采用自換相電壓型橋式電路的SVG為對(duì)象做詳細(xì)介紹，并且就簡稱之為SVG。

圖1 SVG的電路基本結(jié)構(gòu)

由于SVG正常工作時(shí)就是通過電力半導(dǎo)體開關(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，只不過其交流側(cè)輸出接的不是無源負(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。它通過交流電抗器連接到電網(wǎng)上。設(shè)電網(wǎng)電壓和SVG輸出的交流電壓分別用相量表示，則連接電抗 X 上的電壓UL 即為的相量差，而連接電抗的電流是可以由其電壓來控制的。這個(gè)電流就是SVG從電網(wǎng)吸收的電流·I。因此，改變SVG交流側(cè)輸出電壓U·I的幅值及其相對(duì)于U·S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(zhì)和大小。

在該電路中，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。在這種情況下，只需使同相，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90°，并且能控制該電流的大小。如圖 2－2b 所示，當(dāng)大于時(shí)，電流超前電壓90°，SVG吸收容性的無功功率;當(dāng)小于時(shí)，電流滯后電壓 90°，SVG 吸收感性的無功功率。

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，在這種情況下，變流器電壓與電流仍相差90°，因?yàn)樽兞髌鳠o需有功能量。而電網(wǎng)電壓與電流的相差則不再是90°，而是比如90°小了δ角，因此電網(wǎng)提供了有功功率來補(bǔ)充電路中的損耗，也就是說相對(duì)于電網(wǎng)電壓來講，電流中有一定量的有功分量。這個(gè)δ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，并且改變的幅值，則產(chǎn)生的電流的相位和大小也就隨之改變，SVG從電網(wǎng)吸收的無功功率也就因此得到調(diào)節(jié)。

將變流器本身的損耗也歸算到了交流側(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補(bǔ)充。因此，實(shí)際上變流器交流側(cè)電壓與電流的相位差并不是嚴(yán)格的90°，而是比 90°略小。

另外，工程實(shí)際中還有一種由直流側(cè)提供損耗能量的方案。與以上所述由交流電網(wǎng)側(cè)提供有功能量的方案不同，在這種方案中，直流側(cè)有并聯(lián)的直流電壓源(如蓄電池等)。其工作相量圖也與圖2－3b不一樣，其電流與交流電網(wǎng)電壓的相位差是90°，而與變流器交流側(cè)電壓的相位差為90°+δ。而在本文中，主要討論損耗能量由交流電網(wǎng)側(cè)提供的情況。

根據(jù)以上對(duì)工作原理的分析;SVG的電壓－電流特性與TCR等傳統(tǒng)SVC裝置一樣，改變控制系統(tǒng)的參數(shù)(電網(wǎng)電壓的參考值)可以使得到的電壓一電流特性上下移動(dòng)。但是可以看出，傳統(tǒng)的SVC電壓一電流特性不同的是，當(dāng)電網(wǎng)電壓下降，補(bǔ)償器的電壓一電流特性向下調(diào)整時(shí)。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ILmax和ICmax維持不變，僅受其電力半導(dǎo)體器件的電流容量限制。而對(duì)傳統(tǒng)的SVC，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(yùn)行范圍比傳統(tǒng)SVC大，SVC的運(yùn)行范圍是向下收縮時(shí)三角形區(qū)域，而SVG的運(yùn)行范圍是上下等寬的近似矩形的區(qū)域。這是SVG優(yōu)越于傳統(tǒng)SVC的又一特點(diǎn)。

此外，對(duì)于那些以輸電系統(tǒng)補(bǔ)償為目的SVG來講，如果直流側(cè)采用較大的儲(chǔ)能電容，或者其他直流電源(如蓄電池組，采用電流型變流器時(shí)直流側(cè)用超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置等)，則SVG還可以在必要時(shí)短時(shí)間內(nèi)向電網(wǎng)提供一定量的有功功率。這對(duì)于電力系統(tǒng)來說是非常有益的，而又是傳統(tǒng)的SVC裝置所望塵莫及的。

至于在傳統(tǒng)SVC裝置中令人頭痛的諧波問題，在SVG中則完全可以采用橋式變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)的諧波電流減小到可以接受的程度。

應(yīng)該指出的是，SVG接入電網(wǎng)的連接電抗，其作用是濾除電流中可能存在的較高次諧波，另外起到將變流器和電網(wǎng)這兩個(gè)交流電壓源連接起來的作用，因此所需的電感值也并不大，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。

2 結(jié)語

以上對(duì)有關(guān)SVG基本工作原理的內(nèi)容已經(jīng)結(jié)合其相對(duì)于傳統(tǒng)SVC裝置的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了分析。當(dāng)然，SVG的控制方法和控制系統(tǒng)顯然要比傳統(tǒng)SVC復(fù)雜。另外，SVG要使用數(shù)量較多的較大容量全控型器件，其價(jià)格目前仍比SVC使用的普通晶閘管高得多，因此，SVG由于用小的儲(chǔ)能元件而具有的總體成本的潛在優(yōu)勢，還有待于隨著器件水平的提高和成本的降低來得以發(fā)揮。這些都是SVG目前的困難所在。還應(yīng)該說明的是，如果對(duì)SVG補(bǔ)償?shù)臒o功電流或無功功率進(jìn)行反饋控制，則其響應(yīng)速度也將超過傳統(tǒng)SVC，顯示了SVG的又一優(yōu)勢，特別是，如果將電流跟蹤型PWM技術(shù)應(yīng)用于SVG中，則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)SVG電流的瞬時(shí)控制，其動(dòng)態(tài)性能將更加優(yōu)越，這時(shí)SVG的工作原理用受控的無功電流源來描述可能比用交流電壓源來描述更為確切。

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