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靜止無(wú)功發(fā)生器SVG技術(shù)說(shuō)明

中達(dá)電通股份有限公司

在有色金屬冶煉加工企業(yè)中，供電的質(zhì)量指標(biāo)、電網(wǎng)運(yùn)行的安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性是最根本的問(wèn)題。近年來(lái)，隨著有色冶煉加工企業(yè)的發(fā)展，有色金屬冶煉加工設(shè)備尤其是軋制設(shè)備趨向設(shè)備大型化、大容量、數(shù)字化、智能化，由電力電子器件構(gòu)成的各種交交變頻、交-直-交變頻、軟啟動(dòng)以及新型的直流傳動(dòng)調(diào)速等產(chǎn)品在有色金屬軋制設(shè)備系統(tǒng)中普遍應(yīng)用。這些技術(shù)在給有色金屬加工企業(yè)帶來(lái)各種益處的同時(shí)，也對(duì)有色金屬加工企業(yè)的供電質(zhì)量提出了更高的要求，另外，這些技術(shù)在使用的同時(shí)也會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生影響。此外，有色金屬軋制生產(chǎn)的一些特定工況，例如軋機(jī)咬坯、設(shè)備頻繁啟停變速等也會(huì)對(duì)供電系統(tǒng)帶來(lái)很大影響。因此，有色金屬冶煉加工系統(tǒng)的電能質(zhì)量均必須治理。相比較傳統(tǒng)無(wú)源濾波器或SVC作為最先進(jìn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的代表，靜止無(wú)功發(fā)生器SVG有著巨大技術(shù)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用市場(chǎng)。由此針對(duì)靜止無(wú)功發(fā)生器SVG的技術(shù)進(jìn)行一些探討，以讓更多的人了解這項(xiàng)產(chǎn)品及其特點(diǎn)。

1 控制原理說(shuō)明及框圖

1.1 供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一般電力系統(tǒng)用戶負(fù)荷吸收有功功率和無(wú)功功率。

圖1 簡(jiǎn)單的負(fù)荷連接

電源提供有功功率P_S和無(wú)功功率Q_S（可能為感性無(wú)功，也可能是容性無(wú)功），忽略變壓器和線路損耗，則有，。沒有足夠無(wú)功補(bǔ)償?shù)碾娋W(wǎng)存在以下幾個(gè)問(wèn)題：電網(wǎng)從遠(yuǎn)端傳送無(wú)功；負(fù)荷的無(wú)功沖擊影響本地電網(wǎng)和上級(jí)電網(wǎng)的供電質(zhì)量；負(fù)荷的不平衡與諧波也會(huì)影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

因此，電力系統(tǒng)一般都要求對(duì)用電負(fù)荷進(jìn)行必要的無(wú)功、不平衡與諧波補(bǔ)償，以提高電力系統(tǒng)的帶載能力，凈化電網(wǎng)，改善電網(wǎng)電能質(zhì)量。

1.2 SVG補(bǔ)償無(wú)功

圖2 帶有SVG無(wú)功補(bǔ)償裝置的系統(tǒng)

假設(shè)負(fù)荷消耗感性無(wú)功（一般工業(yè)用戶都是如此）Q_L，此時(shí)控制SVG使其產(chǎn)生容性無(wú)功功率，并取Q_SVG=Q_L，這樣在負(fù)荷波動(dòng)過(guò)程中，就可以保證：Q_S=Q_SVG-Q_L=0。

如果對(duì)電網(wǎng)等比較復(fù)雜的補(bǔ)償對(duì)象而言，當(dāng)需要向電網(wǎng)提供感性無(wú)功時(shí)，可以通過(guò)對(duì)SVG的控制，使其產(chǎn)生感性無(wú)功功率，并取Q_SVG=Q_C，這樣在負(fù)荷波動(dòng)過(guò)程中，仍然可以保證：Q_S=Q_SVG-Q_C=0。

此外，SVG在補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)功功率達(dá)同時(shí)，幾乎不產(chǎn)生諧波。更重要的是，SVG還可以對(duì)系統(tǒng)的諧波、不平衡等電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行多功能綜合補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)有源濾波（APF）的功能。

1.3 SVG的基本原理

所謂SVG（Static Var Generator），就是專指由自換相的電力半導(dǎo)體橋式變流器來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)难b置。

圖3 SVG與系統(tǒng)的連接示意圖

設(shè)電網(wǎng)電壓和SVG輸出的交流電壓分別用相量和表示，則連接電抗X上的電壓即為和的相量差，而連接電抗的電流是可以由其電壓來(lái)控制的。這個(gè)電流就是SVG從電網(wǎng)吸收的電流。如果未計(jì)及連接電抗器和變流器的損耗，SVG的工作原理可以用圖4a)所示的單相等效電路圖來(lái)說(shuō)明。在這種情況下，只需使與同相，僅改變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。

a 單相等效電路 b 相量圖

圖4 采用直接電流控制的靜止無(wú)功發(fā)生器的工作原理

(1)

(2)

為使電源電流

中不含有基波正序無(wú)功和基波負(fù)序電流，則需要控制SVG輸出電流滿足式(3)。這樣電源電流中就只含有基波正序有功和諧波電流，如式(4)所示。

(3)

(4)

所以，要想達(dá)到補(bǔ)償目的，關(guān)鍵是控制SVG輸出電流滿足式(3)。

從SVG工作原理的描述可以看出，如果要使SVG在補(bǔ)償無(wú)功的基礎(chǔ)上還對(duì)負(fù)載諧波進(jìn)行抑制，只需要使SVG輸出相應(yīng)的諧波電流即可。因此，從這個(gè)意義上說(shuō)，SVG能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償無(wú)功電流和諧波電流的雙重目標(biāo)。

1.4 SVG與SVC的比較

通過(guò)上一節(jié)對(duì)SVG原理的描述可以知道，SVG可以根據(jù)負(fù)載特點(diǎn)和工況，自動(dòng)調(diào)節(jié)其輸出的無(wú)功功率的大小和性質(zhì)（容性或者感性）。因此，從本質(zhì)上講，SVG可以等效為大小可以連續(xù)調(diào)節(jié)的電容或電抗器。

SVG是目前最為先進(jìn)的無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)，其基于電壓源型變流器的補(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)了無(wú)功補(bǔ)償方式質(zhì)的飛躍。它不再采用大容量的電容、電感器件，而是通過(guò)大功率電力電子器件的高頻開關(guān)實(shí)現(xiàn)無(wú)功能量的變換。從技術(shù)上講，SVG較傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置有如下優(yōu)勢(shì)：

響應(yīng)時(shí)間更快。SVG響應(yīng)時(shí)間小于等于1ms；傳統(tǒng)靜補(bǔ)裝置響應(yīng)時(shí)間大于等于5ms；SVG可在極短的時(shí)間之內(nèi)完成從額定容性無(wú)功功率到額定感性無(wú)功功率的相互轉(zhuǎn)換，這種無(wú)可比擬的響應(yīng)速度完全可以勝任對(duì)沖擊性負(fù)荷的補(bǔ)償。

抑制電壓閃變能力更強(qiáng)。SVC對(duì)電壓閃變的抑制最大可達(dá)2:1，SVG對(duì)電壓閃變的抑制可以達(dá)到5:1，甚至更高。SVC受到響應(yīng)速度的限制，其抑制電壓閃變的能力不會(huì)隨補(bǔ)償容量的增加而增加。而SVG由于響應(yīng)速度極快，增大裝置容量可以繼續(xù)提高抑制電壓閃變的能力。

運(yùn)行范圍更寬。SVG能夠在額定感性到額定容性的范圍內(nèi)工作，所以比SVC的運(yùn)行范圍寬很多。也就是說(shuō)，當(dāng)SVC需要在正負(fù)全范圍運(yùn)行時(shí)，需要TCR和FC配合使用，整個(gè)裝置損耗較大，占地面積也較大。更重要的是，在系統(tǒng)電壓變低時(shí)，SVG還能夠輸出與額定工況相近的無(wú)功電流。而SVC輸出的無(wú)功電流與電網(wǎng)電壓成正比，電網(wǎng)電壓越低，其輸出的無(wú)功電流也越低，所以對(duì)電網(wǎng)的補(bǔ)償能力也相應(yīng)變?nèi)酢＿@是SVC技術(shù)本質(zhì)的缺點(diǎn)。

補(bǔ)償功能多樣化。使同一套SVG裝置，可以實(shí)現(xiàn)不同的多種補(bǔ)償功能：?jiǎn)为?dú)補(bǔ)償負(fù)載無(wú)功；單獨(dú)補(bǔ)償負(fù)載諧波；單獨(dú)補(bǔ)償負(fù)載不平衡；同時(shí)補(bǔ)償負(fù)載無(wú)功、諧波和不平衡。所以，SVG具有強(qiáng)大的補(bǔ)償功能。

諧波含量極低。主流SVG采用了PWM技術(shù)、多電平技術(shù)和多重化技術(shù)，不僅自身產(chǎn)生的諧波含量極低，還能夠?qū)ω?fù)載的諧波和無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)有源濾波的功能，真正做到多功能化。而TCR和TSC自身均要產(chǎn)生很大的諧波電流，所以還需要安裝相應(yīng)的FC濾波裝置，增加了額外的成本。

占地面積較小。由于無(wú)需大容量的電容器和電抗器做儲(chǔ)能元件，SVG的占地面積通常只有相同容量SVC的50%，甚至更小。所以，在一些廠礦改造中SVG具有很大的優(yōu)勢(shì)。

2 SVG系統(tǒng)的組成及控制原理

2.1當(dāng)前主流SVG系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（示例）

常見的SVG拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有包括兩電平方案和多電平方案。其中兩電平方案有簡(jiǎn)單的三相橋式結(jié)構(gòu)－低壓和IGBT串聯(lián)的三相橋式結(jié)構(gòu)－中壓、高壓兩種結(jié)構(gòu)；多電平方案有二極管嵌位變流器、飛跨電容變流器、H橋串聯(lián)結(jié)構(gòu)（鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)）和多重化四種方式。

兩電平方案：

圖5簡(jiǎn)單的三相橋式結(jié)構(gòu)－低壓

圖6 IGBT串聯(lián)的三相橋式結(jié)構(gòu)－中壓、高壓

多電平方案：

圖7 二級(jí)管嵌位和飛跨電容多電平結(jié)構(gòu)

圖7 多電平方案－H橋串聯(lián)（鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)）

圖9 多電平方案－多重化

2.2 SVG控制系統(tǒng)的基本組成

對(duì)SVG而言，常見的是恒無(wú)功功率控制方法。對(duì)采用直接電流控制的恒無(wú)功功率控制方法框圖如圖10所示。

圖10 恒無(wú)功功率控制方法框圖

2.3 SVG的控制方法－基于瞬時(shí)無(wú)功功率的無(wú)功電流檢測(cè)

如圖11所示。

圖11 SVG的控制方法

2.4 恒無(wú)功控制，保證功率因數(shù)及抑制電壓波動(dòng)

SVG連接到系統(tǒng)中，通過(guò)控制SVG輸出電流的幅值與相位來(lái)決定從SVG輸出的無(wú)功的性質(zhì)與大小Q_SVG，SVG輸出的無(wú)功與系統(tǒng)負(fù)荷無(wú)功相抵消，只要Q_s（系統(tǒng)）=Q_L（負(fù)載）-Q_SVG=恒定值（或0），功率因數(shù)就能保持恒定，電壓幾乎不波動(dòng)。最重要的是精確計(jì)算出負(fù)載中的瞬時(shí)無(wú)功電流。采集的進(jìn)線電流及母線電壓經(jīng)運(yùn)算后得出要補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率，計(jì)算機(jī)發(fā)出觸發(fā)脈沖，光纖傳輸至脈沖放大單元，經(jīng)放大后觸發(fā)IGBT或IGCT，獲得所補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功電流。

3 SVG實(shí)際應(yīng)用

中達(dá)在某銅礦閃速爐6KV配電系統(tǒng)上應(yīng)用了二套高壓多電平－H橋串聯(lián)（鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)）的SVG，系統(tǒng)功率因數(shù)始終穩(wěn)定在0.97，電壓波動(dòng)問(wèn)題基本消除，諧波含量符合國(guó)標(biāo)。配電系統(tǒng)電能質(zhì)量顯著改善，節(jié)能效果明顯。為中高壓配電系統(tǒng)電能質(zhì)量治理打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，為新技術(shù)、新產(chǎn)品的應(yīng)用寫下了新篇章，值得大力推廣。圖12為閃速爐6KV系統(tǒng)高壓SVG現(xiàn)場(chǎng)照片。

圖12 閃速爐6KV系統(tǒng)高壓SVG現(xiàn)場(chǎng)

作者簡(jiǎn)介：

周巍,男，生于1972年10月，畢業(yè)于中國(guó)國(guó)防科技大學(xué)，計(jì)算機(jī)信息管理專業(yè)。現(xiàn)任中達(dá)電通股份有限公司節(jié)能應(yīng)用產(chǎn)品處經(jīng)理，從事電能質(zhì)量產(chǎn)品開發(fā)、規(guī)劃和營(yíng)銷，具有8年從事電能質(zhì)量產(chǎn)品的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)。

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