SVG技術及其應用

官正強

GUAN Zheng-qiang

（重慶科技學院 教務處，重慶 401331）

SVG技術及其應用

Static var generator technology and its applications

官正強

GUAN Zheng-qiang

（重慶科技學院 教務處，重慶 401331）

分析了SVG技術的原理、控制方法和三種運行模式下的特點，指出SVG具有一系列優點，介紹了SVG裝置的最新應用情況。由于技術上的限制，目前SVG的控制策略較復雜，在中高壓、大容量領域造價很高，隨著新技術和新材料的廣泛應用，SVG必將有十分廣闊的前景。

SVG；無功發生器；原理；特點；應用

1 問題的提出

靜止式無功補償裝置（Static Var Compensater，簡稱SVC），近10余年來在國內外配電網和輸電網領域已得到了較多的應用。它作為一種能夠快速調節無功功率的裝置，可使所需無功功率作隨機調整，從而保持在沖擊性負荷連接點的系統電壓水平的恒定，它可有效抑制沖擊性負荷引起的電壓波動和閃變、高次諧波，提高功率因數，還可實現按各相的無功功率快速補償調節實現三相無功功率平衡，使負荷處于穩定、安全、可靠的運行狀態。SVC屬于并聯無功補償裝置，其補償原理是通過控制晶閘管的觸發角，改變接入電網中的等效電納達到調節輸出無功目的。SVC設備之所以能產生感性無功功率，依靠的是其中的電容器，這就導致SVC與靜電電容器補償裝置有著同樣不可彌補的障礙，即當電壓水平過于低下，急需無功補償時，補償器的輸出反而會減少。其次，SVC裝置為補償0～100 %容量變化的無功功率，幾乎需要100 %容量的電容器與超過100 %容量的晶閘管控制電抗器，銅和鐵的消耗很大。從技術發展來說，這種類型的靜補償裝置已不能說是先進的。

2 靜止無功發生器—SVG

2.1 SVG概述

近年來的發展趨勢是采用可關斷晶閘管(GTO)或大功率IGBT構成的變流器,通常稱為靜止無功發生器(Static Var Generator，簡稱SVG) ，也有人稱為高級靜止無功補償器(ASVC) ，或靜止同步補償裝置 (國際上又稱為STATCOM)。SVG可以分為電壓型和電流型兩種類型，直流側分別采用電容和電感作為儲能元件。實際上，由于運行效率的原因，迄今投入實用的SVG大都采用電壓型橋式電路，這種基于大功率逆變器的動態無功補償裝置，它以大功率三相電壓型逆變器為核心，其輸出電壓通過連接電抗接入系統，與系統側電壓保持同頻、同相，通過調節其輸出電壓幅值與系統電壓幅值的關系來確定輸出功率的性質，當其幅值大于系統側電壓幅值時輸出容性無功，小于時輸出感性無功。

2.2 SVG的基本原理

圖1 電壓型SVG的電路結構

SVG的基本原理就是將自換相橋式電路通過電抗器或直接并聯到電網上，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[1]。典型電路結構如圖1所示。TI—T6為6只大功率的GTO或IGBT。以二極管構成的整流橋從交流系統吸取少量有功功率，對直流電容C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。工作原理如圖2所示。

SVG有如下三種種運行模式：

圖2 SVG的工作原理及波形

1）空載運行模式

空載運行模式的特點是：SVG變流器的輸出交流電壓等于電源系統的電壓，電力系統與SVG變流器之間無電流，SVG與電力系統之間無功率交換。

2）容性運行模式

容性運行模式時，SVG變流器的輸出交流電壓大于電源電壓，電力系統與SVG變流器之間有電流，且超前系統電壓，SVG將容性無功逆變回饋到電力系統。

3）感性運行模式

在感性運行模式下，SVG變流器的輸出交流電壓小于電源電壓，電力系統與SVG變流器之間有電流，且滯后系統電壓，SVG將向電力系統提取感性無功。

SVG向系統注入的無功功率可表示為：

式中：US—系統電壓；RS—逆變橋的等效電阻；α—SVG輸出電壓與US的夾角。由上式可知，通過調節α的大小，就可以控制SVG注入系統的無功功率。由于RS很小，所以調節范圍非常大。如果多臺SVG并聯移相輸出，應用多重化技術，則既可加大補償容量，又能抑制裝置本身的諧波電流。

2.3 SVG的控制方法

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。根據補償電流參考值調節SVG產生所需補償電流的不同控制方法，可以分為間接控制和直接控制兩大類。

1）間接控制

所謂間接控制，就是將SVG當交流電壓源看待，通過對變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。

2）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PWM處理，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將在SVG控制中產生巨大的作用。

2.4 SVG的特點與優勢

和傳統的SVC無功補償裝置相比，SVG作為新一代補償裝置，具備如下特點和明顯的優勢。

1）運行范圍大。當電網電壓下降，SVC系統是阻抗型特性，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，輸出無功電流會隨母線電壓降低而線性降低。而對SVG系統，SVG是電流源特性，輸出無功電流不受母線電壓影響，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或維持不變，SVG的電流源特性也使SVG具備較強的短期過載能力，可用來進一步提高電力系統的穩定性，而SVC不具備過載能力。因此，SVG的運行范圍比SVC大，這是SVG優越于SVC的一大特點。

2）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3、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，可以較好的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。

3）連接電抗小。SVG接入電網的連接電抗，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這兩個交流電壓源連接起來的作用，因此所需的電感值并不大，也遠小于補償容量相同的TCR等SVC裝置所需的電感量，因此，SVG的占地面積只有同容量SVC的1/3到1/2。此外，對于那些以輸電補償為目的的SVG來講，如果直流側采用較大的儲能電容，則SVG還可以在必要時短時間內向電網提供一定數量的有功功率，這對于電力網來說是非常有益的，這是SVC裝置所不能比擬的。

4）可控性能好、調節速度更快。其電壓幅值和相位的快速調節典型值為幾個毫秒。用于配電網時，閃變抑制效果要比SVC好2-3倍；用于輸電網時，提高系統穩定性的效果也要遠優于SVC；它的端電壓對外部系統的運行條件和結構變化不敏感。因此，SVG不僅可以得到較好的靜態穩定性能，而且可得到較好的大干擾故障下的暫態穩定性能。

5）此外，SVC對系統參數敏感，易發生諧波電壓放大甚至諧振的現象；而SVG對系統參數不敏感，安全性與穩定性好；SVG能在一定范圍內提供有功功率，減少有功功率沖擊；SVC只能提供無功功率；SVG的運行損耗要比同容量SVC小2倍左右，噪聲小，運行成本低。

3 SVG技術的應用

3.1 SVG的應用場合

SVG適用于電力輸配電系統內3kV-35kV電壓等級任何需要應用動態無功補償的場合，主要包括：

1）SVG用于輸電網。電力輸電系統的負荷中心變電站、長距離輸電線中間的樞紐變電站等，可提高電力系統穩定性、增加系統阻尼、抑制系統振蕩，從而大幅度提高電壓傳輸能力。隨著我國跨區電網建設的迅速發展，電力系統的無功及動態電壓穩定問題日益凸顯，裝設高壓大容量SVG是有效手段。

2）SVG用于配電網（又稱為DSTATCOM）或用戶側，以提高改善電能質量為目標。例如用于冶金、礦山、石化、電氣化鐵路、港口、重型工業、風電等電壓波動或閃變嚴重的變電站。可針對波動負載進行快速有效的動態無功補償，對電壓波動與閃變、負荷不平衡、功率因數及諧波進行補償，在有效改善電能質量同時，可取得明顯的節能降耗效益，例如，當SVG用于電弧爐、電石爐等負載進行補償時，平均耗電往往可降低4%-15%，經濟效益非常顯著。

3.2 SVG的應用情況

日本關西電力公司與三菱電機公司共同研制于1980年1月投運了世界上首臺容量為20Mvar的SVG樣機。1995年清華大學和河南電力局共同研制出了我國第一臺容量為100kvar的SVG裝置，開辟了我國研制SVG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并在網運行。2007年，榮信公司研制出國內首臺應用于牽引變流站的SVG， 截止目前，SVG能夠實現的最大容量為50MVar。近年來榮信股份公司正在與南方電網公司合作研制±200MVar超大功率高端無功補償裝置SVG，如果能夠在今年年底獲得實質性突破，將成為超大功率SVG無功補償裝置研制的全球領先者。

4 結束語

SVG是目前最為先進的無功補償技術，基于電壓源型變流器的補償裝置實現了無功補償方式質的飛躍。它不再采用大容量的電容、電感器件，而是通過大功率電力電子器件的高頻開關實現無功能量的變換。從技術上講，SVG較傳統的無功補償裝置具有很好的優勢。但是，SVG要求的高補償靈敏度和響應速度使得其研制的難度很大，在大功率上實現的難度極高，目前SVG的控制策略過于復雜，造價較高，相信隨著新技術和新材料的廣泛應用，SVG必將有十分廣闊的發展前景。

[1] 翁利民,張莉,靳建峰.電網電壓穩定與無功功率補償的研究[J].江蘇電器,2008(4):18-21.

[2] 杜晟,張鵬遠,方剛.SVG技術綜述[J].高新技術,2009(17):5.

[3] 陳強,黎小彬.無功補償與諧波治理裝置的工程應用[J].福建電力與電工,2008,28(4):50-53.

[4] 林海雪.現代電能質量的基本問題[J].電網技術.2001,25(10):5-12.

TH166

A

1009-0134(2010)10(上)-0206-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.10(上).64

2010-03-17

官正強（1966 -），男，重慶人，高級工程師，學士，主要從事電氣工程及自動化技術與管理工作。