ＳＶＧ技術綜述

杜　晟　張鵬遠　方　剛

摘要:靜止無功發生器SVG適于實時補償沖擊性負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, 使大功率、高電壓的變流器的應用可靠性有了顯著提高, 從而SVG得到廣泛應用。本文介紹了SVG的基本原理、應用現狀及前景。

關鍵詞:SVG;無功補償;IGBT

0 前言

隨著社會的發展,公眾對電網電能質量提出了更高的要求。從目前的電能質量來看,電網頻率相對比較好,而電壓質量雖在合格范圍,但仍需提高。影響電壓質量的一個主要原因是電網無功容量不足或配備不當,造成電網電壓在峰荷時偏低,在谷荷時偏高,并導致線損增加。目前采用的無功補償絕大多數是投切固定容量的電容器組,只有少量同步調相機和靜止無功補償器,可調節的無功容量不足,能快速響應的無功調節設備就更少。而SVG技術日趨成熟,在電力系統無功補償方面正發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到電網上,適當地調節橋式電路交流側輸出電壓的幅值和相位,或者直接控制其交流側就可以使該電路吸收或者發出滿足要求的無功電流,實現動態無功補償的目的。

典型的電壓型SVG的工作原理是:以二極管構成的整流橋從交流系統中吸取少量有功功率,對直流側電容充電,保持電壓穩定。控制器根據電網無功變化情況,通過6個全控型開關器件構成的三相逆變器向系統輸入感性或容性無功。由文獻[1]公式可知,通過調節δ(δ為SVG輸出電壓與U的夾角的大小,)就可以控制SVG注入系統的無功功率。

2 SVG控制方法

SVG的電流控制包括無功補償電流和有功電流的控制。無功補償電流控制用于產生所需的無功補償電流,有功電流控制用于補償有功損耗。SVG的控制器通常由內環控制器和外環控制器兩部分組成,外環控制器主要通過一定的檢測方法產生補償電流的參考值,內環控制器的基本任務是產生一個同步的驅動信號,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系。正是在從補償電流參考值調節SVG產生所需補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行控制,來間接控制SVG的交流側電流,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的PWM策略對系統的瞬時無功電流進行處理PWM脈沖信號。然后使用該PWM脈沖信號去驅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的瞬時無功電流在允許的偏差范圍內。

近年來,由于控制理論的發展,出現了許多較新的控制方法,如:智能控制、神經網絡控制和專家控制等,相信以后這些控制方法講在SVG控制中產生巨大的作用。

3 發展歷程

日本關西電力公司與三菱電機公司共同研制并于1980年1月投運了世界上首SVG的樣機,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,開辟了我國研制補償設備的先河。2000年,清華大學和河南電力局又成功研制出一臺20Mvar的SVG并投入電網運行。

4 發展方向

目前,國內外研制的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、新材料用于SVG以改善其性能的研究一直沒有中斷過,并且已經取得初步進展,這為SVG未來的發展指明了方向。

新的電力電子器件在SVG中的應用。目前在IGBT基礎上發展而成的新一代大功率器件,即電子注入增強門極晶體管(IEGT)已進入實用階段。IEGT具有導通壓降低、工作頻率高、電壓型門極驅動、安全工作區寬、易于串聯使用等優點。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中,它會得到廣泛的應用。

新技術新材料在SVG中的應用。電流型逆變器CSI應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。隨著高溫超導技術突破性的發展并進入實用化,將解決電流型逆變器CSI中儲能電感儲能效率問題。同時,電力超導儲能系統中儲能線圈具有電流源特性,因而CSI將具有更加廣泛的應用前景。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,正在研究中的化學沉積氣石墨三極管的出現將解決這個問題。可以預見,化學沉積氣石墨三極管將在基于電流型逆變器CSI的SVG中得到廣泛應用。

5 SVG的優點

運行范圍大。當電網電壓下降,SVG可以調整其變流器交流側電壓的幅值和相位,以使其所能提供的最大無功電流和維持不變,而對SVC系統,由于其所能提供的最大電流分別受其并聯電抗器和并聯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域,而SVG的運行范圍是上下等寬的近似矩形的區域,這是SVG優越于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等也產生3、5、7、11等次的高次諧波,這給SVC系統的濾波器設計帶來許多困難,而在SVG中則完全可以采用橋式交流電路的多重化技術、多電平技術或PWM技術來進行處理,以消除次數較低的諧波,并使較高次數如7、11等次諧波減小到可以接受的程度。

結束語

SVG具有響應速度快,吸收無功連續,產生的高次諧波量小、分布少;而且可以分相調節,損耗與噪音小等。但是,由于技術上的限制,目前SVG的控制策略過于復雜,造價很高。然而,隨著新技術和新材料的廣泛應用,SVG未來的前景十分廣闊。

參考文獻

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

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

[3]李家坤.柔性交流輸電技術在電力系統中的應用[J].電力學報,2007,22(3).

[4]郭小筱,謝秉恩.現代靜止無功發生器的控制技術綜述[J].實用技術與管理.