无功率发生器SVG在电力系统中的应用

江文辉

（江西铜业集团有限公司 贵溪冶炼厂，江西 贵溪 335424）

1 引言

随着工业冶炼行业的不断发展，电能已成为现代行业的主要能源。电能质量的利用率、供电效率以及电流波动大等因素极大地影响了电网的安全和稳定，同时也影响了企业的供电质量和经济效益。在电力系统中，通常使用无功率因素最小化来衡量、比较电网运行效率。因此，必须使无功功率达到相对最低的平衡。合理性选择无功功率补偿器，提高电网有功功率，降低无功网损［1］，为企业及用户提供安全、可靠、稳定、高效的电能是十分重要的。

2 SVG工作原理和结构

2.1 SVG工作原理

静止无功发生器SVG（以下简称SVG），又称高压动态无功补偿装置，或静止同步补偿器，是指将自由换相电力半导体桥式电路经电抗器并联在电网中，通过检测模块检测电网中的电压、电流，加以适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或直接控制其交流侧电流，迅速吸收或者发出所需的无功功率，实现快速动态调节无功的目的，以无功补偿为主，兼顾谐波补偿功能［2］。通过检测设备中的负载电流，控制系统进行闭环运算，驱动PWM变流器，使SVG输出与用电设备中大小相等，方向相反的无功电流，从而相互抵消用电设备产生的无功［3］，以达到无功补偿的目的。如图1所示。

图1 SVG工作原理

2.2 SVG主要结构

SVG内部电路结构可分为电压型和电流型两种桥式电路，两种桥式电路主要区别在于电路直流侧的储能元件不同，电压型桥式电路采用以电容作为储能部件，而电流型桥式电路则采用电感作为其储能部件。电压型桥式电路由于电容对电流基本没有限制能力，因此必须先由电抗器相串联后才能与电网并联，而电流型桥式电路，为了完成对电网的无功补偿，还需要先与电容器并联后才能与电网并联。通过研究与实验表明：因电流型桥式电路不如电压型桥式电路运行效率高，因此SVG大都采用电压型桥式电路。在SVG装置的桥式电路中，主要由直流电压源、逆变转换器、中间变压器或电抗器三大部分组成，具体如图2所示。

图2 电压型桥式电路SVG系统结构

在直流电压保持模块中，装有多组电容蓄能元件能够为装置提供持续电能量，电压源逆变器VSC模块主要由VT1-VT6六个元器件ICBT组成，逆变转换器通过PWM技术来控制VT的通断，实现将直流电压变成具有预设频率和幅值的交流电压。SVG对电网进行无功功率补偿就必须与电网进行相连，采用耦合变压器或高压电抗器作为两者纽带，可以将桥式电路中大功率变流逆变装置与系统进行完好的系统连接，也可以通过耦合变压器或电抗器对系统无功补偿过程中产生的高层谐波进行过滤，使SVG输出电压接近于正弦波，便于对电网进行相应的参数对比，以完成系统无功功率的补偿。

3 SVG控制系统

3.1 SVG控制系统结构

SVG是一种实时、动态的电网无功功率补偿装置，它最大的优点就是具有实时动态的控制系统，能够及时准确、合理地调节系统中无功功率总量，保证系统电压的稳定、安全，提高供电系统中的稳定和可靠性。SVG控制系统主要包含信号检测、控制器、脉冲触发三部分组成，SVG逻辑控制系统如图3所示。

图3 SVG控制系统

3.2 SVG控制器设计

SVG是一种动态、实时的电网无功补偿装置，控制器大致可分为线性PID控制、线性最优控制、自适应控制与自能控制四大类型。在大型电网中，为了更好地获得补偿效果，采用元器件GTO作为系统主回路中的功率器件，GTO虽然具有明显的耐压性和功率容器大等优点，但GTO是一种电流控制元器件，系统本身损耗大，并需要专门设立对应的缓冲电路，实时动态性不能满足系统无功功率的补偿要求［4］，因此传统的SVG控制器设计大多采用电压反馈控制的简单控制策略，通过连接系统中电网电压，采用相应的反馈输出装置，以PID进行调节控制的方式，SVG装置控制器的设计，利用电压PID控制器的设计方式虽然简单易行，同时也能满足系统无功补偿的要求，但利用电压PID方式设计的控制器只能在运行工况点内小范围进行电网无功功率补偿，以保证系统的稳定，但由于电力系统无功功率补偿是个多参量且非线性，当外界负载变化较大所导致系统运行电点偏差较大时，采用此方法设计的控制器就不能满足系统电压调整的要求，因此难以保证系统供电的稳定性和可靠性。

4 SVG与电容器、SVC相比优特点

4.1 运行范围广

通过分析SVG与SVC运行时的电压、电流特性得出：（见图4）SVG可以从额定感性工况到额定容量性工况连续输出无功功率［5］，和固定电容器组合可以构成任意范围的连续补偿，而SVC随着电网电压的下降，最大无功感性电流和容性电流锐减，且电压下降到一定范围内无功甚至还会出现负补偿效应，因此SVG相比SVC无功补偿范围更广。

图4 SVG电压-电流特性图及SVC电压-电流特性图

4.2 优异的输出特性

SVG既可以输出近似正弦波的无功电流，也可以输出设定一定次数的谐波电流，即SVG输出电流是完全有源有控的，完全满足用户的需求，而SVC补偿无功输出时会产生大量不可控的谐波电流，并附带大量不可控的无源滤波支路来实现自身产生的谐波电流的滤波。

4.3 启动快、冲击小

现阶段电容器完成一次补偿最快需要时间要200ms，SVC补偿装置响应时间也需要40~60ms,并且会产生大量不可控的谐波电流［6］。而SVG采用自励方式启动，在5~20ms的时间就可以完成一次补偿，对闪变有更好的抑制效果，启动快速且冲击电流限制在很小的幅值。

4.4 使用寿命长、占地小

传统的电容器等无功补偿装置一般采用接触器或可控硅控制，控制柜包含大量的电容器及开关、接触器，使用寿命较短且占地面积大，且自身损耗大及经常要维护等缺点，而SVG以半导体功率元器件为核心，使用直流电容器储能，使用寿命可达十年以上，且自身损耗低基本免维护等优点。

5 SVG操作系统

5.1 SVG在行车供电系统中应用情况

贵溪冶炼厂备料车间1#精矿库装有4台16T双梁行车，每台行车总装机功率为187.5kW电机均为绕线式电动机，行车运行时都是瞬间性负荷，行车运行时电流冲击大，谐波电流大，功率因素低（运行时平均功率因素约为0.6）等缺点。车间于2019年安装2台型号为SVG-2000静止无功发生器对其进行无功率补偿，补偿时功率因数由0.6提升至0.95以上，极大的降低了电网的无功损耗及提高了电网的安全性，SVG无功补偿器操作界面如图5所示。

图5 SVG无功补偿器操作界面

5.2 设备的节能效益

为了评估安装SVG前后的设备节能效益，对1#精矿库4台行车使用时间及用电量统计分析结果得出，如柱形图（见图6）所示。从2018年9月至2019年7月（安装SVG前）行车共用电约42.5678万kW·h，使用时间7326h，平均每小时用电约58.1kW·h，而从2019年8月至2020年4月（安装SVG后）行车共用电约29.5416万kW·h，使用时间5967h，平均每小时用电约49.5kW·h，同比每小时用电量减少14.8%。

图6 行车用电量统计图

5.3 SVG系统优化

无功率发生器SVG作为配电系统中的补偿设备，每天24H运行，当配电系统中负载电流偏小或无电流时，SVG依然在补偿运行，不但达不到SVG理想补偿效果，反而增加SVG设备自身的运行功耗，从而浪费电能。经过对设备运行情况进行研究，设计出一种SVG节能运行模式，该运行模式有节能运行模式和一般模式两种状态选择，在节能模式下包含允许启动补偿的电流、允许启动条件的持续时间、停止补偿的电流以及停止条件的持续时间四个参数设置。通过对设备负载电流实际运行情况进行参数设置，以达到发生器SVG因负载电流低而停止补偿从而减少设备自身能源损失的节能运行模式，该操作界面拥有简单方便，使用效果好等特点，界面如图7所示。

图7 SVG节能运行操作界面

5.4 SVG日常维护

（1） SVG设备运行时应定期检查设备运行状况，如果设备运行时内部元器件发出异常响声或过滤网出风口没风，应立即停机并通知厂家告知具体情况及询问处理方法。

（2）定期检查所有电力电缆、控制电缆有无损伤，电力电缆端子是否有松动或过热现象，绝缘热缩管是否松动。

（3）定期更换SVG功率柜门的防尘过滤棉以及定期清扫功率柜内单元件，避免SVG柜积灰，保持SVG柜及室内干净整洁。

（4）注意保持室内温度，保持室内温度在45度以下，平时加强室内、外空气流通。

（5）定期记录SVG运行时电流、电压波动等数据，并做好表格保存。

（6）每运行半年，应对风道上的粉尘进行一次全面的清扫及对变压器所有进出线电缆、功率单元进、出线电缆紧固一次。

6 结束语

电力系统无功功率优化是保证电力电网安全可靠，经济稳定运行，提供优质电能的有效措施，传统无功补偿的方法是采用以电容器或SVC补偿装置对电网进行无功率的静态补偿，但电网无功功率优化是一个多变量非线性问题，随着供电质量及电网结构的复杂化，仅靠电容器或SVC补偿装置进行无功补偿已经不能满足国家电网质量标准要求，而SVG作为电力电子技术在电力系统无功率优化应用中的优良产物，利用大功率电力电子元器件实时动态的控制装置进行电网无功率补偿，不仅拥有响应速度快，损耗小，噪音低，谐波小等优点，而且还可以连续分相调节无功，极大提高了电网供电的稳定性与安全性，并大量降低无功损耗从而节约能源，其未来发展具有十分广阔的潜力。