ＳＶＧ技术综述

杜　晟　张鹏远　方　刚

摘要:静止无功发生器SVG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, 从而SVG得到广泛应用。本文介绍了SVG的基本原理、应用现状及前景。

关键词:SVG;无功补偿;IGBT

0 前言

随着社会的发展,公众对电网电能质量提出了更高的要求。从目前的电能质量来看,电网频率相对比较好,而电压质量虽在合格范围,但仍需提高。影响电压质量的一个主要原因是电网无功容量不足或配备不当,造成电网电压在峰荷时偏低,在谷荷时偏高,并导致线损增加。目前采用的无功补偿绝大多数是投切固定容量的电容器组,只有少量同步调相机和静止无功补偿器,可调节的无功容量不足,能快速响应的无功调节设备就更少。而SVG技术日趋成熟,在电力系统无功补偿方面正发挥着越来越重要的作用。

1 SVG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到电网上,适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位,或者直接控制其交流侧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。

典型的电压型SVG的工作原理是:以二极管构成的整流桥从交流系统中吸取少量有功功率,对直流侧电容充电,保持电压稳定。控制器根据电网无功变化情况,通过6个全控型开关器件构成的三相逆变器向系统输入感性或容性无功。由文献[1]公式可知,通过调节δ(δ为SVG输出电压与U的夹角的大小,)就可以控制SVG注入系统的无功功率。

2 SVG控制方法

SVG的电流控制包括无功补偿电流和有功电流的控制。无功补偿电流控制用于产生所需的无功补偿电流,有功电流控制用于补偿有功损耗。SVG的控制器通常由内环控制器和外环控制器两部分组成,外环控制器主要通过一定的检测方法产生补偿电流的参考值,内环控制器的基本任务是产生一个同步的驱动信号,从而在装置的实际输出电流和参考电流之间建立一种线性的关系。正是在从补偿电流参考值调节SVG产生所需补偿电流的具体控制方法上,可以分为间接控制和直接控制两大类。

电流间接控制。所谓间接控制,就是将SVG当交流电压源看待,通过对交流器输出电压基波的相位和幅值进行控制,来间接控制SVG的交流侧电流,具体实施时有两种方案可供选择。控制分为单δ控制和δ与配合控制。

电流直接控制。电流直接控制的基本思想是使用适当的PWM策略对系统的瞬时无功电流进行处理PWM脉冲信号。然后使用该PWM脉冲信号去驱动变流器中可控电力电子器件的门极。从而控制变流器的输出电流瞬时值与系统的瞬时无功电流在允许的偏差范围内。

近年来,由于控制理论的发展,出现了许多较新的控制方法,如:智能控制、神经网络控制和专家控制等,相信以后这些控制方法讲在SVG控制中产生巨大的作用。

3 发展历程

日本关西电力公司与三菱电机公司共同研制并于1980年1月投运了世界上首SVG的样机,容量为20Mvar。1986年10月,由美国国家电力研究院和西屋公司研制的1Mvar的SVG装置投入运行,这是世界上首台采用大功率GTO作为逆变器元件的静止补偿器。随后,1991年和1994年,日本和美国又相继研制出80Mvar和100MvarSVG。1995年,清华大学和河南电力局共同研制出了我国第一台SVG,容量为100kvar,开辟了我国研制补偿设备的先河。2000年,清华大学和河南电力局又成功研制出一台20Mvar的SVG并投入电网运行。

4 发展方向

目前,国内外研制的SVG装置大都是基于GTO器件的二电平压型逆变器。虽然GTO耐压高、容量大,但需要专门的缓冲电路,且损耗大。鉴于上述原因,将新技术、新材料用于SVG以改善其性能的研究一直没有中断过,并且已经取得初步进展,这为SVG未来的发展指明了方向。

新的电力电子器件在SVG中的应用。目前在IGBT基础上发展而成的新一代大功率器件,即电子注入增强门极晶体管(IEGT)已进入实用阶段。IEGT具有导通压降低、工作频率高、电压型门极驱动、安全工作区宽、易于串联使用等优点。这些良好的性能使之很适用与SVG等大容量、工作频率高的电力电子装置。有理由相信,在未来的柔性交流输电系统中,它会得到广泛的应用。

新技术新材料在SVG中的应用。电流型逆变器CSI应用范围相对于电压型逆变器VSI小得多,对其研究工作也相对较少。随着高温超导技术突破性的发展并进入实用化,将解决电流型逆变器CSI中储能电感储能效率问题。同时,电力超导储能系统中储能线圈具有电流源特性,因而CSI将具有更加广泛的应用前景。但基于电流型逆变器CSI的SVG在谐波电流消除方面有很大困难,然而,正在研究中的化学沉积气石墨三极管的出现将解决这个问题。可以预见,化学沉积气石墨三极管将在基于电流型逆变器CSI的SVG中得到广泛应用。

5 SVG的优点

运行范围大。当电网电压下降,SVG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和维持不变,而对SVC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,SVG的运行范围比SVC大,SVC的运行范围是向下收缩的三角形区域,而SVG的运行范围是上下等宽的近似矩形的区域,这是SVG优越于SVC的一大特点。

谐波量小。在多种型式的SVC装置中,SVC本身产生一定量的谐波,如TCR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SR,TCT等也产生3、5、7、11等次的高次谐波,这给SVC系统的滤波器设计带来许多困难,而在SVG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PWM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。

结束语

SVG具有响应速度快,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,损耗与噪音小等。但是,由于技术上的限制,目前SVG的控制策略过于复杂,造价很高。然而,随着新技术和新材料的广泛应用,SVG未来的前景十分广阔。

参考文献

[1]韩晓民,尹忠东等.柔性电力技术——电力电子在电力系统中的应用[J].北京:中国水利水电出版社,2007.

[2]粟时平,刘桂美.静止无功功率补偿技术[M].北京:中国电力出版社,2004.

[3]李家坤.柔性交流输电技术在电力系统中的应用[J].电力学报,2007,22(3).

[4]郭小筱,谢秉恩.现代静止无功发生器的控制技术综述[J].实用技术与管理.