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SVG型静止无功补偿器提高系统电压的理论研究摘要随着电力电子设备、交直流电弧炉和电气化铁道等非线性、冲击性负荷的大量接入电网，引起了电网无功功率不足、电压波动与闪变、三相供电不平衡以及电压电流波形畸变等其它一系列电能质量问题，并严重威胁着电力系统的安全稳定运行。静止无功发生器(Static var Generation，简称SVG)适于实时补偿冲击性负荷的无功冲击电流和谐波电流。IGBT、GTO 等电力电子元件的开发，使大功率高电压的变流器的应用可靠性有了显著提高, 而且由于采用了微处理机和大规模集成电路组件，使复杂的控制电路也提高了经济性和可靠性，由于SVG具有补偿无功功率、提高功率因数、抑制电压波动和闪变、抑制三相不平衡、提高电路输电稳定性等优点，从而使矢量控制的新型SVG得到了广泛的开发应用。首先，本文介绍了无功功率的基本概念，介绍了无功功率对电力系统的影响以及无功补偿的作用。并详尽的阐述了国内外无功补偿装置的历史以及现状。其次，本文详细分析了SVG的基本结构，控制方法和工作原理，以及SVG的优特点。并且阐述了静止无功发生器的工作特性。再次，本文着重进行了对SVG型静止无功补偿器提高系统电压的理论研究。通过公式的推导运算，阐述了SVG如何稳定系统电压。最后，本文利用MATLAB/SIMULINK仿真软件对SVG工作方式及利用SVG动态提高系统电压的原理进行仿真研究。并对仿真结果进行了全面分析。关键词： 无功补偿； SVG； 稳定电压 AbstractMATLAB/SIMULINK 朗读“Key words: Reactive compensation； SVG； Stable voltage目录摘要IAbstractII1 前言51.1 课题研究的目的和意义51.1.1 无功功率的基本概念51.1.2 无功补偿的作用61.2 国内外研究状况71.2.1 国内情况71.2.2 国外情况81.2.3 常见无功补偿装置81.2.4 静止无功发生器的优点101.3 论文的主要研究内容112 SVG的基本结构及工作原理122.1 引言122.2 SVG的基本原理122.3 SVG的工作特性172.3.1 SVG的电压-电流特性172.3.2 SVG的谐波特性172.3.3 SVG的其他特性172.4 本章小结183 SVG稳定系统电压的理论研究193.1 引言193.2 SVG稳定系统电压的理论研究193.3 SVG的控制方法203.3.1 电流间接控制223.3.2 电流直接控制243.4 本章小结244 SVG工作原理的仿真研究254.1 引言254.2 SVG仿真模型的建立254.3 SVG的波形分析264.4 本章小结275 结论28参考文献29致谢 301 前言1.1 课题研究的目的和意义。改革开放30年来，我国经济飞速发展，对能源特别是电能的需求不断增加，电力系统装机容量逐年增加，据预测到2020年，我国发电装机容量将达910亿kW，今后每年投运的机组容量至少2千万kW；另一方面要节约电能，提高电能的利用效率1。在工业和生活用电负载中，阻感负载占有很大比例。异步电动机、变压器、荧光灯等都是典型的阻感负载。异步电动机和变压器所消耗的无功功率在电力系统所提供的无功功率中占有很高的比例。电力系统中的电抗器和架空线路等也消耗一些无功功率。阻感负载必须吸收无功功率才能正常工作，这是由其本身的性质所决定的。电力电子装置等非线性装置也要消耗无功功率，特别是各种相控装置。如相控整流器、相控交流功率调整电路和周波变换器，在工作时基波电流滞后于电网电压，需要消耗大量的无功功率。另外，这些装置也会产生大量的谐波电流，而谐波源都是要消耗无功功率的。二极管整流电路的基波电流相位和电网电压相位大致相同，所以基本不消耗基波无功功率。但是它也产生大量的谐波电流，因此也消耗一定的无功功率2,3。1.1.1 无功功率的基本概念无功功率在电气技术领域是个必不可少的重要物理量。变化的磁场产生变化的电场，变化的电场产生变化的磁场，这正是无功功率交换的规律。因此，有磁场空间和电场空间才能存在无功功率产生的空间。在正弦电路中，无功功率的概念有清楚的物理意义，无功功率表示有能量交换，但不消耗功率，其幅值可作为能量交换的量度。传统上无功功率一般采用平均无功功率概念，它是电路中储能元件与电源间交换功率的最大值，也是储能元件与电源间交换能量的一种量度。在非正弦电路中，无功功率的概念却很抽象，并且至今未获得公认的无功功率定义。于是，在非正弦波情况下，有关平均无功功率的有两种学派：一种学派是依据Budeanu的定义。采用频域分析法；另一种学派是Fryze的定义，采用时域分析法。近年来，国内外学者又提出了广义平均无功功率、瞬时无功功率以及广义瞬时无功功率的概念。近年来，随着我国电力工业的不断发展，大范围的高压输电网络逐渐形成，同时对电网无功功率的要求也日益严格。无功电源如同有功电源一样，是保证电力系统电能质量、降低电网损耗以及保证其安全运行所不可缺少的部分。电网无功功率不平衡将导致系统电压的巨大波动，严重时会导致用电设备的损坏，出现系统电压崩溃和稳定破坏事故。因此，无功功率对电力系统是十分重要的，研究无功功率具有重要的现实意义，归纳如下：（1）研究无功功率，可以解决现代电力系统中与无功功率相关的一系列技术问题。与无功功率问题相关的技术问题很多，主要有：无功功率静态稳定问题；电容性无功功率引起的发电机自励磁问题；冲击性无功负荷的调节问题；无功功率的高次谐波公害和闪变问题；跟随馈电系统引起的负荷功率因数的变化与改善问题。（2）研究无功功率可以促进节能。无功功率在电网中不断循环，造成很大的浪费。一个10GW的电力系统，如果无功功率问题处理得好，每年冲这个电网的发电厂、变电所、用户中节约的电能超过10亿kWh，并且可以减少系统中200300MW容量的输变电设备。（3）研究无功功率，掌握它的经济规律。通过统计、理论分析和各项技术措施来达到经济运行的目的。（4）研究无功功率，可以保证电能质量，促使电力系统安全运行。1.1.2 无功功率的影响无功功率对公用电网和负荷的影响主要体现在以下几个方面4：（1）增加设备容量。无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率增加，从而使发电机、变压器等各种电气设备的容量和导线的容量增加。同时，电力用户的起动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大。（2）设备及线路损耗增加。无功功率的增加，使得总电流增大，因而使得设备及线路的损耗增加，这是显而易见的。（3）使线路和变压器的电压降增大，如果是冲击性无功负载，还会使电压产生剧烈波动，使供电质量严重降低。在一般的电网中，有这样的结论：有功功率的波动对电网电压一般影响较小，电网电压的波动主要是由无功功率的波动引起的。电动机起动时功率因数很低，这种冲击性无功功率会使电网电压剧烈波动，甚至会使接在同一电网上的用户无法正常工作。电弧炉、轧钢机等大型设备会产生频繁的无功冲击，也会严重影响电网的供电质量。（4）对电力系统的发电设备来说，无功电流的增大，对发电机转子的去磁效应增加，电压降低，如过度增加励磁电流，则使转子绕组超过允许温升。为了保证转子绕组正常工作，发电机就不允许达到额定出力。此外，原动机的效率是按照有功功率衡量的，当发电机发出的视在功率一定时，无功功率的增加，会导致原动机效率的相对降低。可见，无功功率对供电系统和负载的运行都是十分重要的。无功补偿技术，对于提高电力系统的电能质量和挖掘电网的潜力是十分必要的。由于无功功率完全由发电机提供并经过长距离传送在经济上是不合理的，在技术上也是不可行的。因此，合理的方法应当是，在需要消耗无功功率的地方产生无功功率5,6，即进行无功补偿。 无功补偿的主要作用包括以下几个方面7：（1）稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线路中选择合适的地点设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，增加变压器带载容量，提高输电能力。（2）提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗，节约能源。（3）在三相负载不平衡的情况下，通过适当的无功补偿可以平衡三相有功功率及无功负荷。（4）通过控制功率变化，阻尼系统振荡。无功补偿在电力系统中的广泛应用，将大大提高电力系统的安全稳定性，供电可靠性和运行效率，同时大大提高供电系统的电能质量。因此，无功功率补偿就成为保持电网高质量运行的主要手段之一，也是当今电力系统研究领域的一个重大课题。1.2 国内外研究状况由于电力系统中无功功率的有害性，人们很早就对各种补偿技术有所认识。在电力系统中 ，控制无功功率的方法很多，包括采用同步发电机、同步电动机、同步调相机、并联电容器和静止无功补偿装置等。由于其技术的成熟性及经济上的原因，这些装置仍在广泛的使用。考虑到无功功率是由于系统中各种电容和电感所产生，人们最初使用了无源形式的补偿方法。该方法是将一定容量的电容器或电抗器以并联或串联连接的方式安装在系统的母线中。例如，并联电容器在高峰负荷下可接入系统以防止电压降低在轻载时 ,电容器和电抗器的存在 ，对故障后系统的动态性能也有影响。通常，在干扰期间，它们都不会投入或切除。这些补偿措施对系统发生影响是由于它们改变了网络参数，特别是改变了波阻抗、电器长度和系统母线上的输入阻抗。一般来说，如果要它们纠正短时(0.5S)电压升高和电压下降，则必须把它们迅速地投入和切除，在某些场合下，这种操作要反复进行，使用传统的机械开关装置，实际上是做不到这一点的。同步调相机又称同步补偿器，是作为并联补偿设计的一种同步机，它属于有源补偿器。同步调相机同电容器相比，该装置的优点是：在系统电压下降时，靠维持或提高本身的出力，可以给系统提供紧急的电压支持。从功能上讲，同步调相机只不过是一个被拖动到某一转速并与电力系统同步运行的同步机。当电机同步运行后，根据需要，人们控制其磁场，使之产生无功功率，或从系统吸收无功功率。同步调相机具有调相的优点，但动态响应速度慢，发出单位无功功率的有功损耗大，运行维护复杂，不适应各类非线性负载的快速变化。由 晶 闸 管 控 制 电 抗 器 ( ThyristorCon rolledReactor -TCR) , 晶 闸 管 投 切 电 容 器Thyristor Switched Capacitor -TSC)和以及二者的混合装置(TCR + TSC)等主要形式组成的静止补偿器(Static Var Compensator -SVC)实际上可看作一个可调节的并联电纳，其性能比固定并联电容器要好得多。而所谓静止是指没有运动部件，这和同步调相机不一样。静止补偿器最重要的性质是它能维持其端电压实际上不发生变化，所以它要连续调节与电力系统变换功率，其第二个重要性质是响应速度。传统静止补偿器对电力系统状况的调整和暂态性能的改善起到了重要的作用，且其控制技术也比较成型，在实际电力系统中也得到了不少的有效应用。但是它们都是利用可控硅晶闸管进行换相控制，在无功变动时容易发生逆变现象，并且都需要大电感或大电容来产生感性和容性无功，因而人们期待有新的补偿方式改善上述缺陷。 1.2.1 国内情况静止无功补偿装置 (Static Compensator) 或称SVC- 静止无功系统是相对于调相机而言的一种利用电容器和各种类型的电抗器进行无功补偿(可提供可变动的容性或感性无功)的装置，简称静补装置(静补)或静止补偿器。70 年代初武汉钢铁公司 1.7cm 轧机工程进口了比利时的直流励磁饱和电抗器和日本的电容器组成的静补装置后，国内才对可变无功的补偿问题引起了注意。在国内，补偿无功用的最多的办法是并联电容器。在低压(10kv 以下)供电网络中大量地和在中压(60kv、35kv)配电网络中少量地装设并联电容器组，以满足调压要求，70 年代初有人提出用大负荷调压变压器改变并联电容器组端电压，以调节无功出力的设想，终因调压变压器的操作开关寿命不能保证而未能实现。可变无功的补偿问题越来越受到有关部门的重视，电力部有关科研、设计、试验单位对静补装置在电力系统中的作用进行了不少试验研究工作。从国外引进的静态补偿为枢纽变电站或大型企业所用的大容量静态补偿，对于中小型中低压电网或中小型企业所需的无功，多采用并联电容器组的办法。这同时也产生了许多新的问题，首先，其不能迅速连续地进行无功功率的调节，其次，许多电容器在夜间产生了过量的无功，使发电机换相运行，并影响系统经济稳定运行，因此，中小企业的功率因数调节也越来越引起重视。对于偏离规定功率因数较大的企业，电力部门会对其征收惩罚性的累加电费，在城市夜间、节假日期间会有大量剩余无功功率，引起电网电压升高，危害用户。功率因数低，损耗大，系统不稳定，效益低等问题日益突出，所以把连续可调的无功补偿装置应用到在中小型中低压电网或中小型企业是十分必要的。1.2.2 国外情况1967 年，第一批静补装置在英国制成以后，受到世界各国的广泛重视，西德、美国、瑞士、瑞典、比利时、苏联等国竟先研制，大力推广，使得静止补偿装置比调相机具有更大的竞争力，广泛用于电力、冶金、化工、铁道、科研等部门，成为补偿无功、电压调整、提高功率因数、限制系统过电压，改善运行条件经济而有效的设备。国际上几个大的电气公司如瑞士的勃朗.鲍威利公司(BBC)，瑞典通用电气公司，美国的通用电气公司(GE)及西屋公司，日本的富士公司等均发展了不同类型的静补技术。根据提供无功的性质和方式而言，静补装置又分为六种组合方式，固定电容、固定感性、可变容性、可变感性、固定容性+可变感性、可变容性 + 可变感性，通常所指的静补装置是指后两种方式。对可变感性又可分为直流励磁饱和电抗器(DCMSR) 。相控阀调节电抗器(TCR) (或相控阀高阻抗变压器) 及自饱和电抗器。高压可控硅元件问世以来，逐步取代了有SR。触点开关为实现感性或容性无功的连续可控调节提供了简便、可靠、灵活的技术。目前国际上几个主要的产品形式有 FC2TCR (固定容性 + 可变感性) ,电感的调节也有用可控高阻抗变压器、自饱和电抗器、直流偏磁电抗器的。在国外，系统的无功补偿主要用静补装置和电容器，并积累了广泛的运行经验，取得了良好的效果。1.2.3 常见无功补偿装置无功补偿的需求是和电力系统的发展同步的。早期大量使用同步调相机作为无功补偿装置，但是调相机作为旋转机械存在很大问题，如响应速度慢、维护工作量大等。而并联电容、电感则是第一代的静止无功补偿装置，一般使用机械开关投切，但是机械开关投切的响应速度以秒计，因此无法跟踪负荷无功电流的变化；随着电力电子技术的发展，晶闸管取代了机械开关，诞生了第二代无功补偿装置。主要以晶闸管投切电容器(TSC)和晶闸管控制电抗器(TCR)为代表。这类装置大大提高了无功调解的响应速度，但仍属于阻抗型装置，其补偿功能受系统参数影响，且TCR本身就是谐波源，容易产生谐波振荡放大等严重问题。从电力系统的诞生开始，无功补偿装置就开始在电力系统中应用，同步发电机可以看作是最早的无功补偿装置。随着电力系统的发展，各种无功补偿装置不断出现，经历了并联电容器、同步调相机、静止无功补偿器、静止无功发生器811等阶段。1.2.3.1 并联电容器并联电容器具有结构简单、经济、安装维护方便、损耗小等优点。但是，它只能补偿固定的无功功率，不能跟踪负荷无功需求的变化，实现对无功功率的动态补偿。在系统中含有谐波时，还有可能发生并联谐振，使谐波放大，电容器因此而烧毁的事故也时有发生。1.2.3.2 同步调相机传统的无功功率补偿装置是同步调相机(Synchronous Condenser，简称SC)。它是专门用来产生无功功率的同步电机，在过励磁或欠励磁的情况下，可以分别发出不同大小的容性或感性无功功率。由于它是旋转电机，因此损耗和噪声都较大，运行维护复杂，而且响应速度慢，在很多情况下已无法适应快速无功控制的要求。1.2.3.3 静止无功补偿器早期的静止无功补偿器(Static Var Compensator，简称SVC)是饱和电抗器(Saturated Reactor，简称SR)型的。饱和电抗器与同步调相机相比，具有静止型的优点，响应速度快；但是由于其铁心需磁化到饱和状态，因而损耗和噪声都很大，而且存在非线性电路的一些特殊问题，又不能分相调节以补偿负荷的不平衡，所以未能占据静止无功补偿装置的主流。静止无功补偿器近年来获得了很大发展，已被广泛应用于输电系统波阻抗补偿及长距离输电的分段补偿，也大量用于负载无功补偿。其典型代表是晶闸管控制电抗器固定电容器（Thyristor Controlled Reactor + Fixed Capacitor，简称TCR+FC）。晶闸管投切电容器（Thyristor Switching Capacitor，简称TSC）也获得了广泛的应用。静止无功补偿器的重要特性是它能连续调节补偿装置的无功功率。这种连续调节是依靠调节TCR中晶闸管的触发角得以实现的。由于具有连续调节的性能且响应迅速，因此SVC可以对无功功率进行动态补偿，使补偿点的电压接近维持不变。1.2.3.4 静止无功发生器静止无功发生器（Static Var Generator，简称SVG）也是一种电力电子装置。其最基本的电路是三相桥式电压型或电流型变流电路，目前使用的主要是电压型。SVG和SVC不同，SVC需要大容量的电抗器、电容器等储能元件，而SVG在其直流侧只需要较小容量的电容器维持其电压即可。SVG属于第三代静止无功补偿技术。基于电压源型逆变器的补偿装置实现了无功补偿功能质的飞跃。它不再采用大容量的电容、电感器件，而是通过大功率电力电子器件的高频开关实现无功能量的变换。1.2.4 静止无功发生器的优点综合起来，静止无功发生器与静态无功功率补偿器、同步调相机以及SVC装置相比，具有如下优点：（1）在提高系统的暂态稳定性、阻尼系统震荡等方面的性能大大优于传统的同步调相机。（2）采用数字控制技术，系统可靠性高，基本不需要维护，可以节省大量的维护费用；同时，可通过调度中心EMS实现无功功率潮流和电压最优控制，是建设中的数字电力系统（DFS）的组成部分。（3）控制灵活、调节速度更快、调节范围广，在感性和容性运行工况下均可连续快速调节，响应速度可达毫秒级。（4）静止运行，安全稳定，没有调相机那样的大型转动设备，无磨损，无机械噪声，将大大提高装置寿命，改善环境影响。（5）对电容器的容量要求不高，这样可以省去常规装置中的大电感和大电容及庞大的切换机构，使SVG装置的体积小、损耗低。（6）连接电抗小。SVG接入电网的连接电抗，其作用是滤除电流中存在的较高次谐波，另外起到将电流器和电网这两个交流电压源连接起来的作用，因此所需的电感量并不大，也远小于补偿容量相同的TCR等SVC装置所需的电感量。如果使用降压变压器将SVG连入电网，则还可以利用降压变压器的漏抗，所需的连接电抗器将进一步减小。（7）对系统电压进行瞬时补偿，即使系统电压降低，它仍然可以维持最大无功电流，即SVG产生无功电流基本不受系统电压的影响。（8）谐波量小。在多种形式的SVC装置中，SVC本身产生一定量的谐波。如TCR型的5、7次特征谐波量比较大，占基波值的5%10%；其他型式如SR、TCT等也产生3、5、7、11等次谐波。这给SVC系统的滤波设计带来许多困难，而在SVG中则完全可以采用桥式交流电路的多重化技术、多电平技术或PWM技术来进行处理，以消除次数较低的谐波，并使较高次数如7、11等次数谐波减小到可以接受的程度。（9）SVG不需要大容量的电容、电感等储能元件，在网络中普遍使用也不会产生谐波，而使用SVC或固定电容器补偿，如果系统安装台数较多，有可能会导致系统谐振的产生。（10）SVG的端电压对外部系统的运行条件和结构变化是不敏感的。当外部系统容量与补偿装置容量可比时，SVC将会变得不稳定，而SVG仍然可以保持稳定，即输出稳定的系统电压。（11）运行范围大。对传统的SVC装置，其所提供的最大电流分别受其并联电抗器和并联电容器的阻抗特性限制，因而随电压的降低而减少。SVG通过直接调节无功电流实现无功功率补偿，其输出电流不依赖于电压，表现为恒流源特性；SVC通过调节等值阻抗实现无功功率补偿，其输出电流和电压成线性关系。因此，SVG的电压-无功特性优于SVC，即当系统电压变低时，同容量的SVG可以比SVC提供更大的补偿容量。（12） SVG比同容量的SVC装置占地面积小、成本低（由于SVC装置为补偿0100%容量变化的无功功率，几乎需要100%容量的电抗器与超过100%容量的晶闸管控制电抗器，铜和铁的消耗很大，而SVG使用的电抗器和电容器远比SVC中使用的要小），在系统欠压条件下无功功率调节能力强。（13）SVG的直流侧如果采用较大的储能电容，或者其他直流电源（如蓄电池组）后，它不仅可以调节系统的无功功率，还可以调节系统的有功功率，这对于电网来说是非常有益的，也是SVC装置所不能比拟的。（14）响应更为迅速。SVG响应时间10ms，传统静补装置响应时间:60100msSVG可在10ms之内完成从额定容性无功功率到额定感性无功功率(或相反)的转换，这种无可比拟的响应速度完全可以胜任对冲击性负荷的补偿。（15）电压闪变抑制能力倍增。SVC对电压闪变的抑制最大可以达到2:1，SVG对电压闪变的抑制很容易达到4:1甚至5:1。SVC受到响应速度的限制，即使增大装置的容量，其抑制电压闪变的能力不会增加；而SVG不受响应速度的限制，增大装置空量可以继续提高抑制电压闪变的能力。正是SVG具有上述优点，因而SVG作为一种新型的无功功率补偿调节装置，已经成为现代无功功率补偿装置的发展方向，成为国内外电力系统行业的重点研究方向之一。 1.3 论文的主要研究内容 本文研究SVG的电路结构、控制方法以及工作原理，重点介绍了SVG对系统电压稳定性的理论研究。通过SIMULINK建立了SVG仿真模型，仿真结果验证了该算法的有效性，验证了SVG在无功补偿、稳定系统电压及消除自身谐波方面所起的重要作用。论文主要研究内容如下：（1）论述了无功补偿的基本概念，研究背景及目的意义；简要介绍了几种无功补偿装置；介绍了无功补偿在国内外的研究发展现状；最后，提出了本文的研究内容及论文总体框架。（2）介绍了SVG的基本结构、工作原理；总结了SVG无功补偿的优特点、电压电流、谐波等工作特性。（3）重点介绍了SVG稳定电力系统电压的理论研究；通过公式推导，阐述了SVG是如何稳定系统电压的。并对比了两种控制方法。 （4）在MATLAB/SIMULINK环境下对SVG无功补偿进行了仿真研究。通过SIMULINK建立了SVG的仿真模型，对仿真波形图进行分析，结果表明，SVG型无功补偿在提高功率因数、稳定系统电压等方面均能满足要求。2 SVG的基本结构及工作原理2.1 引言SVG属于第三代静止无功补偿技术。基于电压源型逆变器的补偿装置实现了无功补偿功能质的飞跃。它不再采用大容量的电容、电感器件，而是通过大功率电力电子器件的高频开关实现无功能量的变换。工作特性是SVG装置参数和制定相应控制策略进行补偿的基础和重要依据。本章在分析SVG 工作原理的基础上，对SVG的电压-电流特性和谐波特性等工作特性进行了分析。 2.2 SVG的基本原理SVG 的基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。在平衡的三相电路中, 不论负荷的功率因数如何，三相瞬时功率的和是一定的，在任何时刻都是等于三相总的有功功率。因此总的来看，在三相电路的电源和负载之间没有无功能量的来回往返，各相的无功能量是在三相之间来回往返的。所以，如果能用某种方法将三相各部分无功能量统一起来处理，使三相电路电源和负载间没有无功能量的传递，在总的负载侧就无需设置无功储能元件，三相桥式变流电路实际上就具有这种将三相总的统一处理的特点。实际上，考虑到变流电路吸收的电流并不只含基波，其谐波的存在也多少会造成总体来看有少许无功能量在电源与SVG 之间往返；所以，为了维持桥式变流电路的正常工作，其直流侧仍需要一定大小的电感或电容作为储能元件，但所需储能元件的容量远比SVG 所能提供的无功容量要小。而对SVC 装置，其所需储能元件的容量至少要等于其所提供的无功功率的容量，因此，SVG 中储能元件的体积和成本比同容量的SVC 大大减小，SVG 分为电压型桥式电路和电流型桥式电路两种类型，其电路基本结构如图2-1所示。直流侧分别采用的是电容和电感两种不同的储能元件。电压型桥式电路，还需再串联上连接电抗器才能并入电网；电流型桥式电路，还需在交流侧并联上吸收换相产生的过电压的电容器；实际上，由于运行效率的原因，迄今投入实用的SVG大都采用电压型桥式电路，因此SVG 往往专指采用自换相的电压型桥式电路作为动态无功补偿的装置。SVG 正常工作时就是通过电力半导体开关的通断将直流侧电压转换成交流侧与电网同频率的输出电压，就像一个电压型逆变器，只不过其交流侧输出接的不是无源负载，而是电网。因此，当仅考虑基波频率时，SVG 可以等效地视为幅值和相位均可以控制的一个与电网同频率的交流电压源。它通过交流电抗器连接到电网上。所以，SVG 的工作原理就可以用图2-2所示的单相等效电路图来说明。设电网电压和SVG 输出的交流电压分别用相量和表示，则连接电抗上的电压即为和的相量差，而连接电抗的电流是可以由其电压来控制的。这个电流就是SVG从电网吸收的电流。因此，改变SVG 交流侧输出电压的幅值及其相当于的相位，就可以改变连接电抗上的电压，从而控制 SVG 从电网吸收电流的相位和幅值，也就控制了SVG 吸收无功功率的性质和大小。图 2-1 电压型SVG电路（1）在图2-2的等效电路中，将连接电抗器视为纯电感，没有考虑其损耗以及变流器的损耗，因此不必从电网吸收有功能量。设电网电压和SVG输出的交流电压分别用相量和表示，则连接电抗上的电压即为和的相量差，而连接电抗的电流是可以由其电压来控制的。这个电流就是SVG从电网吸收的电流。因此，改变SVG交流侧输出电压的幅值及其相对于的相位，就可以改变连接电抗上的电压，从而控制SVG从电网吸收电流的相位和幅值，也就控制了SVG吸收无功功率的性质和大小。若忽略电抗器的有功损耗，因此不必从电网有功能量。在这种情况下，只需使与相同，仅改变的幅值大小即可以控制SVG从电网吸收的电流是超前还是滞后，并且能控制该电流的大小。如图2-3、2-4所示，当大于时，电流超前电压，SVG吸收容性的无功功率，当小于时，电流滞后电压，SVG吸收感性的无功功率，从而达到动态控制无功功率并进行补偿的目的。图 2-2 SVG等效电路图 2-3 电流超前图 2-4 电流滞后（2）计及电抗器和变流器损耗时的工作原理。由于SVG正常工作是就是通过电力电子元件开关的导通和阻断将直流侧电压转换成交流侧与电网同频率的输出电压，如同一个电压型变流器，只不过其交流侧输出接的不是无源负载，而是电网。因此，当只考虑基波频率时，SVG可以等效的被视为幅值和相位均可以控制的一个与电网同频率的交流电压源，它通过交流电抗器连接到电网上。考虑到连接电抗器的损耗和变流器本身的损耗（如管压降、线路电阻等），并将总的损耗集中作为连接电抗器的电阻考虑，则SVG的实际单相等效电路如图2-5所示。其电流超前和滞后工作的向量图如图2-6、2-7所示。图中为电网电压，为SVG输出交流的电压，连接用的电抗器上的电压即为和的相量差。在这种情况下，变流器电压与电流仍相差，因为变流器无需有功能量，而电网电压与电流的相位差则不再是，而是比小了角，因此电网就需要提供有功功率来补充电路的损耗，也就是说相对于电网电压来说，电流中有一定量的有功分量。由向量图可知，这个角也就是变流器电压与电网电压的相位差。改变这个相位差，并且同时改变的幅值，才能改变电流的相位和大小，从而SVG从电网吸收的无功功率的大小和性质也就因此得到调节。此时，将变流器本身的损耗也归算到交流侧，并归入连接电抗器电阻中统一考虑。实际上，这部分损耗发生在变流器内部，应该由变流器从交流侧吸收一定有功能量来补充。因此，实际上变流器交流测电压与电流的相位差并不是严格的，而是比略小。图 2-5 考虑损耗的SVG等效电路图 2-6 考虑损耗的SVG电流超前向量图图 2-7 考虑损耗时SVG电流滞后向量图因此，三相电压型SVG装置采用直流电容器作为电压源。其充电的能量和电路的损耗，可由直流侧设置的电源供给，也可由交流电源供给。如果单纯用于补偿无功功率，可用移相多重连结的方法来降低其补偿电流中的谐波。若控制方法得当，SVG在补偿无功功率的同时还可以对谐波电流进行补偿。在稳态情况下，SVG的直流侧和交流侧之间没有有功功率交换，无功功率在三相之间流动，因此直流侧只需要较小容量的电容即可。此外，SVG装置用铜和铁较少，具有优良的补偿特性，虽然由于控制复杂且全控器件价格昂贵还没有普及，但其优越性能必将使其成为未来谐波抑制和无功功率补偿设置的重要发展方向，是新一代无功功率补偿装置的代表。 2.3 SVG的工作特性2.3.1 SVG的电压-电流特性根据工作原理的分析，SVG 的电压-电流特性如图2-9所示，同 TCR 等型式的 SVC 装置一样，改变控制系统的参数(电网电压的参考值)可以使得到的电压-电流特性上下移动，但是可以看出，与SVC 的电压-电流特性不同的是，当电网电压下降，补偿器的电压-电流特性向下调整时，SVG 可以调整其变流器交流侧电压的幅值和相位，以使其所能提供的最大无功电流 和维持不变，仅受其电力半导体器件的电流量限制。而对SVC 系统，由于其所能提供的最大电流分别受其并联电抗器和并联电容器的阻抗特性限制，因而随着电压的降低而减小。因此，SVG的运行范围比SVC 大，SVC 的运行范围是向下收缩的三角形区域，而SVG 的运行范围是上下等宽的近似矩形的区域，这是SVG 优越于 SVC的一大特点。图 2-8 SVG的电压-电流特性2.3.2 SVG的谐波特性在SVG 中完全可以采用桥式交流电路的多重化技术、多电平技术或 PWM 技术来进行处理，以消除次数较低的谐波，并使较高次数如 7、11等次谐波减小到可以接受的程度。相比而言，在多种型式的 SVC 装置中，SVC 本身产生一定量的谐波，如 TCR 型的 5、7 次特征次谐波量比较大，占基波值的 5% 8%；其它型式如SR，TCT 等也产生 3、5、7、11 等次的高次谐波，这给 SVC 系统的滤波器设计带来许多困难。2.3.3 SVG的其他特性SVG接入电网的连接电抗，其作用是滤除电流中可能存在的较高次谐波，另外起到将变流器和电网这两个交流电压源连接起来的作用，因此所需的电感值并不大。相比而言，远小于补偿容量相同的TCR等SVC装置所需的电感量。如果使用降压变压器将SVG连入电网，则还可以利用降压变压器的漏抗，所需的连接电抗器进一步减小。此外，对于那些以输电补偿为目的的SVG来讲，如果直流侧采用较大的储能电容，或者其他直流电源（如蓄电池组），则SVG还可以在必要时短时间内向电网提供一定数量的有功功率，这对于电力网来说是非常有益的，相比而言，SVC装置则没有这个特性。若对SVG补偿的无功电流或无功功率进行反馈控制，则响应速度快。特别是若将电流型PWM技术应用于SVG中，则可以实现SVG电流的瞬时控制，其动态性能将更加优越，这对SVG的工作原理用受控的无功电流源来描述可能比用交流电压源来描述更为确切；吸收无功功率连续，产生的高次谐波量小、分布少；而且可以分项调节，损耗与噪声小。但是，SVG的控制方法和控制系统显然要比SVC复杂。SVG要使用数量较多的较大容量全控型元件，其价格目前仍比SVC使用的普通晶闸管高得多。因此，SVG由于用小容量的储能元件而具有的总体成本低的潜在优势，还有待于随着器件水平的提高和成本的降低来得以发挥。2.4 本章小结本章详细介绍了SVG型静止无功补偿器的工作原理，分别就其不考虑损耗以及考虑损耗进行分析，并给出了电路图及向量图；本章还介绍了SVG的电压-电流、谐波等工作特性。由此可知，SVG具有总体成本低的潜在优势。3 SVG稳定系统电压的理论研究3.1 引言电压是衡量电能质量的一个重要指标，保证用户的电压接近额定值是电力系统运行调整的基本任务之一。而电力系统的运行电压水平取决于电力系统的无功功率平衡，有充足的无功电源是保证电力系统有较好运行电压水平的必要条件。静止无功发生器(SVG)是近年来发展起来的新型无功功率快速调节装置，它能够提供连续变化的感性或容性无功功率，从而在给定范围内实现平稳的电压控制。3.2 SVG稳定系统电压的理论研究SVG型静止无功补偿器将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。根据负荷无功功率的变化情况，来实施改变电抗器的无功功率（感性无功功率），当负荷无功功率增大时，SVG型静止无功补偿器产生的无功功率减少；当负荷无功功率减少时，SVG产生的无功增加。即不管负载的无功功率如何变化，总要使二者之和为常数，即常数，则能实现电网功率因数=常数，电压几乎不波动，从而达到无功补偿的目的，以抑制负载波动所造成的系统电压波动和闪变。系统、负载和补偿器的单相等效电路图如图3-1所示：图 3-1 系统、负载和补偿器的单相等效电路图其中为系统电压，和分别为系统电阻和电抗。设负荷变化很小，故有远小于，则假定远小于时，由图3-2可以看出，该特性曲线是向下倾斜的，即随着系统供给的无功功率的增加，供电电压下降。由电力系统中的分析可知，系统的特性曲线可近似用下式表示: (3-1)或者写为： (3-2)式中一一无功功率为零时的系统电压;一一系统短路容量。由式(3-1)和式(3-2)可知，无功功率的变化将引起系统电压成比例地变化。投入补偿器之后，系统供给的无功功率为负荷和补偿