phimika靜止無功發生器
svg）原理簡介
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phimika靜止無功發生器
svg）原理簡介
靜止無功發生器 (svg) 是指採用全控型電力電子器件組成的橋式變流器來進行動態無功補償的裝置。 svg 的思想早在 20 世紀 70 年代就有人提出 ,1980 年日本研製出了 20mva 的採用強迫換相閘流體橋式電路的 svg，1991 年和 1994 年日本和美國分別研製成功了80mva 和 10omva 的採用 gto 閘流體的svg 。目前國際上有關 svg 的研究和將其應用於電網或工業實際的興趣正是方興未艾 , 國內有關的研究也已見諸報道。
與傳統的以 tcr 為代表的 svc 相比 ,svg 的調節速度更快 , 執行範圍寬 , 而且在採取多重化或 pwm 技術等措施後可大大減少補償電流中諧波的含量。更重要的是 ,svg 使用的電抗器和電容元件遠比 svc 中使用的電抗器和電容要小 , 這將大大縮小裝置的體積和成本。由於 svg 具有如此優越的效能 , 是今後動態無功補償裝置的重要發展方向。
一、svg 的基本原理及特點
svg 的基本原理是將橋式變流電路通過電抗器併聯 ( 或直接併聯 ) 在電網上 , 適當調節橋式變流電路交流側輸出電壓的相位和幅值或者直接控制其交流側電流 , 使該電路吸收或者發出滿足要求的無功電流 , 從而實現動態無功補償的目的。
在單相電路中 , 與基波無功功率有關的能量是在電源和負載之間來回往返的。但是在平衡的三相電路中 , 不論負載的功率因數如何 , 三相瞬時功率之和是一定的 , 在任何時刻都等於三相總的有功功率。因此總體上看，在三相電路的電源和負載之間沒有無功能量的來回往返 ,無功能量是在三相之間來回往返的。
所以 , 如果能用某種方法將三相各部分總體上統一起來處理 , 則因為總體來看三相電路電源和負載間沒有無功能量的傳遞 , 在總的負載側就無需設定無功儲能元件。三相橋式變流電路實際上就具有這種將三相各部分總體上統一起來處理的特點。因此 , 理論上講 ,svg 的三相橋式變流電路的直流側可以不設儲能元件。
但實際上 , 考慮到交流電路吸收的電流並不僅含基波 , 其諧波的存在多少會造成總體來看有少許無功能量在電源和 svg 之間往返。所以 , 為維持橋式交流電路的正常工作 , 其直流側仍需要一定大小的電感或電容作為儲能元件 , 但所需儲能元件的容量遠比 svg 所能提供的無功容量要小 。而對傳統的 svc, 其所需儲能元件的容量至少要等於其所提供無功功率的容量。
因此 , svg 中儲能元件的體積和成本比同容量的 svc 中的大大減小。
根據直流側儲能元件的不同 ,svg 分為採用電壓型橋式電路和電流型橋式電路兩種型別 , 其電路基本結構如圖 1a 和1b 所示 , 分別採用電容和電感兩種不同的儲能元件。對電壓型橋式電路 , 還需再串聯上連線電抗器才能併入電網 ； 對電流型橋式電路 , 還需在交流側併聯上吸收換相過電壓的電容器。實際上 , 由於執行效率的原因 , 迄今投入實用的 svg 大都採用電壓型橋式電路 , 因此目前 svg 往往專指採用自換相的電壓型橋式電路作動態無功補償的裝置，飛明佳公司研發的svg也是採用的該種方式。
在以下的內容中，只介紹採用自換相電壓型橋式電路的 svg 。
由於 svg 正常工作時就是通過電力電子開關的通斷將直流側電壓轉換成交流側與電網同頻率的輸出電壓，就像乙個電壓型逆變器 , 只不過其交流側輸出接的不是無源負載，而是電網。因此，當僅考慮基波時 svg 可以等效地被視為幅值和相位均可控的與電網同頻率的交流電壓源。它通過交流電抗器連線到電網上。
這樣 ,svg 的工作原理可用圖 2a 所示的等效電路來說明。設電網電壓和 svg 輸出交流電壓分別用相量 s 和1 表示 , 則連線電抗 x 上的電壓 l 即為 s 和1 的相量差, 而連線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 。
因此 , 改變 svg 交流側輸出電壓 1 的幅值及其相對於 s 的相位 , 就可以改變連線電抗上的電壓 , 從而控制 svg 從電網吸收電流的相位和幅值 , 也就控制了 svg 吸收無功功率的性質和大小。
在圖 2a 的等效電路中 , 將連線電抗器視為純電感 , 沒有考慮其損耗以及變流器的損耗 , 因此不必從電網吸收有功能量。在這種情況下 , 只需使 1 與 s 同相，僅改變1 的幅值大小即可以控制 svg 從電網吸收的電流是超前還是滯後 90°, 並且能控制該電流的大小。如圖 2b 所示 , 當 u1 大於 us 時 , 電流超前電壓 90°,svg 吸收容性的無功功率 ； 當 u1 小於 us 時 , 電流滯後電壓 90°,svg 吸收感性的無功功率。
圖 2 svg 等效電路及工作原理 ( 不考慮損耗) a) 單相等效電路 b) 工作相量圖
考慮到連線電抗器的損耗和變流器本身的損耗 ( 如管壓降、線路電阻等 ), 並將總的損耗集中作為連線電抗器的電阻考慮 , 則 svg 的實際等效電路如圖 3a 所示 , 其電流超前和滯後工作的相量圖如圖 3b 所示。在這種情況下,變流器電壓 1 與電流仍是相差 90°, 因為變流器無需有功能量。而電網電壓 s與電流的相差則不再是 90°, 而是比 90°小了 δ 角 ,因此電網提供了有功功率來補充電路中的損耗 , 也就是說，相對於電網電壓來講 , 電流中有一定量的有功分量。
這個 δ 角也就是變流器電壓 1 與電網電壓 s 的相位差。改變這個相位差 , 並且改變 1 的幅值 , 則產生的電流的相位和大小也就隨之改變 , svg 從電網吸收的無功功率也就因此得到調節。
根據以上對工作原理的分析 , 可得 svg 的電壓 - 電流特性如圖4 所示。同 tcr 等傳統 svc 一樣 ,改變控制系統的引數 ( 電網電壓的參考值 uref ), 可以使得到的電壓-電流特性上下移動。但是可以看出 , 與傳統 svc 電壓–電流特性不同的是 , 當電網電壓下降 , 補償器的電壓-電流特性向下調整時 ,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 ilmax 和 icmax 維持不變 , 僅受其電力電子器件的電流容量限制。
而對傳統的 svc, 由於其所能提供的最大電流分別是受其併聯電抗器和併聯電容器的阻抗特性限制的 , 因而隨著電壓的降低而減小。因此 svg 的執行範圍比傳統 svc 大 , svc 的執行範圍是向下收縮的三角形區域 , 而 svg 的執行範圍是上下等寬的近似矩形的區域。這是 svg 優越於傳統 svc 的又一特點。
圖 4 svg 的電壓 - 電流特性
此外 , 對於那些以輸電補償為目的 svg 來講 , 如果直流側採用較大的儲能電容或其他直流電源 ( 如蓄電池組、採用電流型變流器時直流側用超導儲能裝置等) , 則 svg 還可以在必要時短時間內向電網提供一定量的有功功率。這對於電力系統來說是非常有益的 , 而又是傳統的 svc 所望塵莫及的。
至於在傳統 svc 中令人頭痛的諧波問題 , 在svg 中則完全可以採用橋式變流電路的多重化技術或 pwm 技術來進行處理 , 以消除次數較低的諧波 , 並使較高次數的諧波電流減小到可以接受的程度。
還應指出 ,svg 中連線電抗器的作用一是濾除電流中的高次諧波 , 二是起到將變流器和電網連線起來的作用 , 所需的電感值不大 , 遠小於補償容量相同的 tcr 所需的電感量。如果使用降壓變壓器將 svg 連入電網 , 則還可利用變壓器漏抗 , 所需的連線電抗器進一步減小。
至此 ,svg 基本工作原理已結合其相對於傳統 svc 的優點進行了詳細介紹。與 svc 相比 ,svg 也存在一定不足 , 包括 : 控制方法和控制系統比傳統 svc複雜 ；要使用數量較多的大容量自關斷器件 , 其**比 svc 使用的普通閘流體高得多 ；因此，svg 只需用小的儲能元件而具有的總體成本的潛在優勢 , 還有待於隨著器件水平的提高和成本的降低來得以發揮。
二、svg 的控制方法
作為動態無功補償裝置的型別之一 ,svg 的控制不論是從大的控制策略的選擇來講 , 還是從其外閉環反饋控制量和調節器的選取來說 , 其原則都與傳統的 svc 是完全一樣的。
在控制上 ,svg 與 svc 的區別在於 , 在 svc 中 , 由外閉環調節器輸出的控制訊號是作為 svc 等效電納的參考值 bref， 以此訊號來控制 svc 調節到所需的等效電納；而在 svg 中 , 外閉環調節器輸出的控制訊號 , 則被視為補償器應產生的無功電流 ( 或無功功率 ) 的參考值。正是在如何由無功電流 ( 或無功功率 ) 參考值調節 svg 真正產生所需的無功電流 ( 或無功功率 ) 這個環節上 , 形成了 svg 多種多樣的具體控制方法。 而這與傳統 svc 所採用的觸發延遲角移相控制原理是完全不同的。
由無功電流 ( 或無功功率 ) 參考值調節 svg 產生所需無功電流 ( 或無功功率 ) 的具體控制方法 , 可以分為間接控制和直接控制兩大類。因為在系統電壓值基本維持恆定時 , 對無功電流的控制也就是對無功功率的控制 , 因此以下均以無功電流的控制來說明。實際上 ,svg 的電流控制任務中還應該包括對有功電流的控制 , 以補償電路中的有功損耗。
1. 間接電流控制
所謂間接電流控制 , 就是按照前述 svg 的工作原理 , 將 svg 當作交流電壓源看待 , 通過對 svg 變流器所產生交流電壓基波的相位和幅值的控制 , 來間接控制 svg 的交流側電流。
2. 直接電流控制
所謂電流的直接控制就是採用跟蹤型 pwm 控制技術對電流波形的瞬時值進行反饋控制。其中的跟蹤型 pwm 控制技術 , 可以採用滯環比較方式 , 也可以採用三角波比較方式 , 其簡單原理分別如圖 5a 和 b 所示。
其瞬時電流的參考值iref ,可以由瞬時電流無功分量的參考值與瞬時電流有功分量的參考值相加而得；也可以瞬時電流無功分量的參考值 iqref 為主 ,而根據 svg 對有功能量的需求對 iqref 的相位進行修正來得到總的瞬時電流參考值 iref 。其中, 瞬時電流無功分量的參考值可以由滯後於電源電壓 90°的正弦波訊號與無功電流參考值 iqref 相乘得到 , 而 svg 對有功功率的需求可以由直流側電壓的反饋控制來體現。
svg 採用的是直接電流控制方法後其響應速度和控制精度將比間接控制法有很大提高。但是直接控制法由於是對電流瞬時值的跟蹤控制 , 因而要求主電路電力電子器件有較高的開關頻率 , 這對於較大容量的 svg 目前還難以做到。
下表列出了svg和其他各種動態補償方法的簡要對比 , 大家可以一目了然的看出各種補償方式的優缺點。
各種無功功率動態補償裝置的簡要對比
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