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靜止無功發生器SVG技術說明

中達電通股份有限公司

在有色金屬冶煉加工企業中，供電的質量指標、電網運行的安全可靠性和經濟性是最根本的問題。近年來，隨著有色冶煉加工企業的發展，有色金屬冶煉加工設備尤其是軋制設備趨向設備大型化、大容量、數字化、智能化，由電力電子器件構成的各種交交變頻、交-直-交變頻、軟啟動以及新型的直流傳動調速等產品在有色金屬軋制設備系統中普遍應用。這些技術在給有色金屬加工企業帶來各種益處的同時，也對有色金屬加工企業的供電質量提出了更高的要求，另外，這些技術在使用的同時也會對電網產生影響。此外，有色金屬軋制生產的一些特定工況，例如軋機咬坯、設備頻繁啟停變速等也會對供電系統帶來很大影響。因此，有色金屬冶煉加工系統的電能質量均必須治理。相比較傳統無源濾波器或SVC作為最先進動態無功補償裝置的代表，靜止無功發生器SVG有著巨大技術優勢和應用市場。由此針對靜止無功發生器SVG的技術進行一些探討，以讓更多的人了解這項產品及其特點。

1 控制原理說明及框圖

1.1 供電系統結構

一般電力系統用戶負荷吸收有功功率和無功功率。

圖1 簡單的負荷連接

電源提供有功功率P_S和無功功率Q_S（可能為感性無功，也可能是容性無功），忽略變壓器和線路損耗，則有，。沒有足夠無功補償的電網存在以下幾個問題：電網從遠端傳送無功；負荷的無功沖擊影響本地電網和上級電網的供電質量；負荷的不平衡與諧波也會影響電網的電能質量。

因此，電力系統一般都要求對用電負荷進行必要的無功、不平衡與諧波補償，以提高電力系統的帶載能力，凈化電網，改善電網電能質量。

1.2 SVG補償無功

圖2 帶有SVG無功補償裝置的系統

假設負荷消耗感性無功（一般工業用戶都是如此）Q_L，此時控制SVG使其產生容性無功功率，并取Q_SVG=Q_L，這樣在負荷波動過程中，就可以保證：Q_S=Q_SVG-Q_L=0。

如果對電網等比較復雜的補償對象而言，當需要向電網提供感性無功時，可以通過對SVG的控制，使其產生感性無功功率，并取Q_SVG=Q_C，這樣在負荷波動過程中，仍然可以保證：Q_S=Q_SVG-Q_C=0。

此外，SVG在補償系統無功功率達同時，幾乎不產生諧波。更重要的是，SVG還可以對系統的諧波、不平衡等電能質量問題進行多功能綜合補償，實現有源濾波（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體橋式變流器來進行動態無功補償的裝置。

圖3 SVG與系統的連接示意圖

設電網電壓和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控制的。這個電流就是SVG從電網吸收的電流。如果未計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說明。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功發生器的工作原理

(1)

(2)

為使電源電流

中不含有基波正序無功和基波負序電流，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，要想達到補償目的，關鍵是控制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在補償無功的基礎上還對負載諧波進行抑制，只需要使SVG輸出相應的諧波電流即可。因此，從這個意義上說，SVG能夠同時實現補償無功電流和諧波電流的雙重目標。

1.4 SVG與SVC的比較

通過上一節對SVG原理的描述可以知道，SVG可以根據負載特點和工況，自動調節其輸出的無功功率的大小和性質（容性或者感性）。因此，從本質上講，SVG可以等效為大小可以連續調節的電容或電抗器。

SVG是目前最為先進的無功補償技術，其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有如下優勢：

響應時間更快。SVG響應時間小于等于1ms；傳統靜補裝置響應時間大于等于5ms；SVG可在極短的時間之內完成從額定容性無功功率到額定感性無功功率的相互轉換，這種無可比擬的響應速度完全可以勝任對沖擊性負荷的補償。

抑制電壓閃變能力更強。SVC對電壓閃變的抑制最大可達2:1，SVG對電壓閃變的抑制可以達到5:1，甚至更高。SVC受到響應速度的限制，其抑制電壓閃變的能力不會隨補償容量的增加而增加。而SVG由于響應速度極快，增大裝置容量可以繼續提高抑制電壓閃變的能力。

運行范圍更寬。SVG能夠在額定感性到額定容性的范圍內工作，所以比SVC的運行范圍寬很多。也就是說，當SVC需要在正負全范圍運行時，需要TCR和FC配合使用，整個裝置損耗較大，占地面積也較大。更重要的是，在系統電壓變低時，SVG還能夠輸出與額定工況相近的無功電流。而SVC輸出的無功電流與電網電壓成正比，電網電壓越低，其輸出的無功電流也越低，所以對電網的補償能力也相應變弱。這是SVC技術本質的缺點。

補償功能多樣化。使同一套SVG裝置，可以實現不同的多種補償功能：單獨補償負載無功；單獨補償負載諧波；單獨補償負載不平衡；同時補償負載無功、諧波和不平衡。所以，SVG具有強大的補償功能。

諧波含量極低。主流SVG采用了PWM技術、多電平技術和多重化技術，不僅自身產生的諧波含量極低，還能夠對負載的諧波和無功進行補償，實現有源濾波的功能，真正做到多功能化。而TCR和TSC自身均要產生很大的諧波電流，所以還需要安裝相應的FC濾波裝置，增加了額外的成本。

占地面積較小。由于無需大容量的電容器和電抗器做儲能元件，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具有很大的優勢。

2 SVG系統的組成及控制原理

2.1當前主流SVG系統拓撲結構（示例）

常見的SVG拓撲結構有包括兩電平方案和多電平方案。其中兩電平方案有簡單的三相橋式結構－低壓和IGBT串聯的三相橋式結構－中壓、高壓兩種結構；多電平方案有二極管嵌位變流器、飛跨電容變流器、H橋串聯結構（鏈式結構）和多重化四種方式。

兩電平方案：

圖5簡單的三相橋式結構－低壓

圖6 IGBT串聯的三相橋式結構－中壓、高壓

多電平方案：

圖7 二級管嵌位和飛跨電容多電平結構

圖7 多電平方案－H橋串聯（鏈式結構）

圖9 多電平方案－多重化

2.2 SVG控制系統的基本組成

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

圖10 恒無功功率控制方法框圖

2.3 SVG的控制方法－基于瞬時無功功率的無功電流檢測

如圖11所示。

圖11 SVG的控制方法

2.4 恒無功控制，保證功率因數及抑制電壓波動

SVG連接到系統中，通過控制SVG輸出電流的幅值與相位來決定從SVG輸出的無功的性質與大小Q_SVG，SVG輸出的無功與系統負荷無功相抵消，只要Q_s（系統）=Q_L（負載）-Q_SVG=恒定值（或0），功率因數就能保持恒定，電壓幾乎不波動。最重要的是精確計算出負載中的瞬時無功電流。采集的進線電流及母線電壓經運算后得出要補償的無功功率，計算機發出觸發脈沖，光纖傳輸至脈沖放大單元，經放大后觸發IGBT或IGCT，獲得所補償的無功電流。

3 SVG實際應用

中達在某銅礦閃速爐6KV配電系統上應用了二套高壓多電平－H橋串聯（鏈式結構）的SVG，系統功率因數始終穩定在0.97，電壓波動問題基本消除，諧波含量符合國標。配電系統電能質量顯著改善，節能效果明顯。為中高壓配電系統電能質量治理打下了堅實基礎，為新技術、新產品的應用寫下了新篇章，值得大力推廣。圖12為閃速爐6KV系統高壓SVG現場照片。