（电力系统及其自动化专业论文）新型静止无功发生器svg控制策略仿真研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ep o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n d c o n t i n u o u si m p r o v e m e n to fp o w e rq u a l i t yf o rp o w e re q u i p m e n t s ，r e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o no fp o w e rq u a l i t y i sb e c o m i n gm o r ea n dm o r cs e r i o u s s t a t i cv a r g e n e r a t o r ( s v g ) i sa ne f f i c i e n tw a yt od e a lw i t hr e a c t i v e p o w e rd y n a m i c c o m p e n s a t i o na n di th a sb e c o m eo n e o ft h eh o tp o i n t si np o w e re l e c t r o n i c sf i e l d s 1 1 l e p u r p o s e o ft h i sp a p e ri st od e v e l o pas e to fs v g e q u i p m e n tw i t hd i 西t a lc o n t r o ls y s t e m f o ro v e r c o m i n gt h eu n f a v o r a b l ei n f l u e n c ew h i c hi sb r o u g h tb yn o n - i d e a le l e c t r i c n e t w o r kv o l t a g ew h e nd e t e c t st h er e a c t i v ec u r r e n t ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dar e a c t i v e d e t e c t i o nm e t h o dw h i c hi sb a s e do nc o o r d i n a t ec o n v e r s i o no nr e v o l v i n gc o o r d i n a t e s y s t e mf o rn e t w o r kv o l t a g ea n dc u r r e n t , t or e a l i z et h ee x t r a c t i o no fr e a c t i v ec u r r e n t , a n d t h e ni m p r o v et h ed e t e c t i o na c c u r a c y a n db a s eo nt o p o l o g i c a ls t r u c t u r eo fs v gf o r t h r e e - p h a s et h r e e - w i r es y s t e m ，i tp u t sf o r w a r dac o n t r o lm e t h o do fc o m p e n s a t i o nc u r r e n t w h i c hi sb a s e do nf o r e c a s t i n gc u r r e n ts t r a t e g yt oi m p r o v et h et r a c k i n ga c c u r a c yo f d i c t a t i o nc u r r e n t 1 1 l i sp a p e rd e s i g n sad i g i t a lc o n t r o ls y s t e mb a s e do nm a t l a b t h ec o n t r o l s o f t w a r ep r o g r a mi sc o m p i l e db yc l a n g u a g e ，a n dt h es y s t e mi se m u l a t e db ym a t l a b s o r w a r e s e tu pas e to fs v ge x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo f2 k v a r 2 2 0 v ，c o m p l e t et h e d e s i g na n dd e b u go fs y s t e mm a i nc i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i t ，a n df i n i s ht h ef o u n d a t i o n a l f u n c t i o mo fs v g e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m 1 1 1 ee m u l a t i o na n dt e s tr e s u l t sc e r t i f yt h eg o o d r e a c t i v ec o m p e n s a t i o np e r f o r m a n c eo ft h ee q u i p m e n t ，a n di n d i c a t et h ev a l i d i t y k e y w o r d s ：s v g ：r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ； c i 。a s s n o ：t m 7 1 4 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日 签字日期：年月 日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 5 7 致谢 光阴荏苒，我的研究生生活即将结束，在此论文完成之际，特向所有关心支 持我的亲人、老师、同学们表示由衷的谢意。 首先感谢我的父母，我的每一分成功都因为他们的欣慰而更有意义。 其次对我的导师汤钰鹏副教授表示深深地感谢。汤老师从本科时候就一直是 我最尊敬的老师，很幸运有缘投其门下。学习上，老师深厚的理论知识，丰富的 实践经验使我所获颇深。时值毕业，我仍然会有些遗憾没能充分利用机会向老师 多学一些知识。在课题研究中，老师在大方向上把关，鼓励我们充分在自己的感 兴趣的领域发挥，尽所有可能让我们得到充分锻炼，同时这篇论文的完成也倾注 了老师很多心血，没有老师的悉心指导就不会有这篇论文的完成。生活中，老师 极强的责任心和豁达的人生态度一直是我学习的榜样。 同时，实验室徐建军、季晓衡、关宇三位老师在实验器材、硬件电路设计上 给予帮助和指导。郝志强老师在生活上给我很多关心与指导，使我两年的研究生 生涯能精彩度过。 我的师兄徐嘉鹏、李勇在论文结构方面给予很多建议，师姐郑丹在谐波检测 和实验平台等方面给予我很多指导。我的同学喻杰、刘洪亮、金文斌等在生活中 和学习上给我很多帮助，大家平时对学习中的探讨使我受益很多。能生活学习在 这样一个积极奋进，和谐友爱的大家庭，我感到十分的荣幸与幸运。即将完成学 业走上工作岗位，我会珍惜老师对我的教诲，同学对我的关心，踏踏实实工作， 本本分分做人，不让每一个关心我的人失望。 最后，向北京交通大学电气学院的全体老师致敬，我的人生中最宝贵的六年 在交大度过，是你们用辛勤的汗水和无价的知识把我们培养出来。铁打的营盘流 水的兵，在即将离校之际，衷心的祝愿所有老师身体健康，阖家幸福。 1 1 无功补偿的意义和作用 1 1 1 无功功率的产生和影响 1 引言 电力是现代人类社会不可或缺的一种主要能源形式，随着现代电力电子技术 的飞速发展，尤其是近年来电力电子装置在电力系统、各个工业部门和家电领域 中的广泛应用，对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在的威胁，使电能质量 受到了严重的影响，甚至危及到电力系统的安全运行。与此同时，各种精密电子 设备对电能质量的要求也越来越高，因此改善电能质量成为了摆在电力部门和用 户面前的亟待解决的问题。无功功率作为电能质量重要衡量指标，对它的补偿关 系到提高供电用电设备的安全可靠运行、提高功率因数、降低电路损耗、减少设 备容量等诸多方面。 在工业和生活用电负载中，阻感负载占很大比例。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。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流器，在工作时基波电流滞后于电网 电压，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，基本不消耗基波无功功率，但它所产生大量的谐波要消耗一定的无功功 率。工业用电弧炉在工作时电极处于短路状态，要消耗大量的无功功率，且因电 弧不稳定，其所消耗的无功功率波动也很大。 在一般公用电网中，有功功率的波动一般对电网电压的影响较小，电网电压 的波动主要是由无功功率的波动引起的。 冲击性无功功率会使电网电压剧烈波动， 电动机在起动期间功率因数很低，这种 甚至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功率冲击，严重影响电网供 电质量。 电力系统中的无功主要来自两个方面，一是输电系统本身吸收的无功：由于 电网元件的阻抗主要是感性的，在输送电能时，会吸收一定的无功，所以在高压 输电网络中，为提高线路的输送容量和系统的稳定性能，般会对这部分无功进 行补偿，比如在输电线路进行串联补偿，在重要节点进行并联补偿非线性负荷消 耗的无功，如工业生产和日常生活中经常使用的异步电机、日光灯，以及各种变 流装置、工业电弧炉等，这些负载当中有些容量非常大，在启动和正常工作时都 要吸收大量的无功功率，常常会引起电网电压的波动【2 1 。 在公共电网中的无功功率主要造成以下几点影响： ( 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的增加，从 未而使发电机、变压器及其他电气设备容量和导线容量增加，从而导致设备体积 的增大以及电力用户运行成本的增加。 ( 2 ) 设备及线路损耗增加。无功功率的增加，会使线路电流，因而使设备及线 路的损耗增加，从而降低了电气设备的运行效率。设线路总电流为i = i + l ，线o d 2 ，、2 路电阻为r ，则线路损耗a p 为a p = 1 2 r = 【，；+ 誓) 只= 二害等只，其中( q 2 v 2 ) 灭这 一部分损耗就是由无功功率引起的。 ( 3 ) 使线路、变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负荷，还会引起电 压剧烈波动，严重影响供电质量。 ( 4 ) 由谐波源造成的无功影响同样会带来一系列问题，如谐波损耗，影响设备 正常工作，造成振动、热、噪声，自动装置误动作，对通信系统产生干扰等【3 1 。 1 1 2 无功补偿的作用和意义【1 1 无功功率对供电系统和负载的运行都十分重要，电力系统中的网络元件和负 载所需要的无功功率必须从网络中某个地方获得。显然，这些无功功率如果都要 发电机提供并经过长距离传送是不合理的，通常也是不可能的。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来补偿无功功率的损耗。 无功补偿的作用主要有以下几点： ( 1 ) 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。 ( 2 ) 稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线中合适的地点 设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力。 ( 3 ) 在电气化铁道等三相负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三 相的无功负载和抑制p c c 的不平衡电压。 无功补偿应包含对基波无功功率的补偿和对谐波无功功率的补偿，后者实际 上是谐波补偿。本文只研究其中基波无功功率的补偿部分，即补偿时只检测出补 偿对象的基波无功电流，并对其进行动态补偿，使其功率因数为1 。 2 1 2无功功率补偿装置的发展 1 2 1 无功补偿装置发展史 电力系统中的无功补偿装置发展到今天，经历了从电容器、同步调相机、静 止无功补偿装置，到今天引入注目的静止无功发生器几个不同阶段【1 】f 3 1 。 1 并联电容器阶段。并联电容器在补偿无功功率中具有结构简单，安装、运 行和维护方便等优点。缺点是，它只能补偿感性无功，且由于其阻抗固定，不能 连续调节，所以不能对无功功率进行动态补偿。而且它有负电压效应，当电网电 压下降时，电容器上的补偿电流相应下降，使得补偿的无功量急剧下降，系统电 压下降更大，在系统有谐波时，还可能发生并联谐振，使谐波电流放大，甚至造 成电容器的烧毁。 2 同步调相机阶段。早期无功功率动态补偿装置的典型代表是同步调相机 ( s y n c h r o n o u sc o n d e n s e r s c ) 。它是专门用来产生无功功率的同步电机，在过 激磁或欠激磁的不同情况下，可以分别发出不同大小的容性或感性无功功率。它 不仅能够补偿固定的无功功率，对变化的无功功率也能进行动态补偿。自上个世 纪二、三十年代以来的几十年中，同步调相机在电力系统无功功率控制中一度发 挥着主要作用。然而，由于它是旋转电机，因此损耗和噪声都较大，运行维护复 杂，而且由于控制复杂造成响应速度慢，在很多情况下己经无法适应快速无功功 率控制的要求。 3 s v c 阶段。自上世纪七十年代至今，开始逐渐取代s c 的静止型无功补偿装 置( s t a t i cv a rc 伽叩e i l s a t o r s v c ) 成为无功补偿的新生代力量。早期的静止无功 补偿装置是饱和电抗器( s a t u r a t e dr e a c t o r s r ) 型的。1 9 6 7 年，英国g e c 公司 制成了世界上第一批饱和电抗器型静止无功补偿装置。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的主流。 电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，将使用晶闸管器件的静止无 功补偿装置推上了电力系统无功功率控制的舞台。1 9 7 7 年美国g e 公司首次在实 际电力系统中演示运行了其使用晶闸管的静止无功补偿装置。1 9 7 8 年，在美国国 家电力研究院( e l e c t r i cp o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t e ) 的支持下，西屋电气公司( w e s t i n g h o u s ee l e c t r i cc o r p ) 铜j 造的使用晶闸管的静止无功补偿装置投入实际运行。随后， 世界各大电气公司都竟相推出了各具特点的系列产品。我国也先后引进了数套这 类装置，并具备自行制造能力。由于使用晶闸管器件的静止无功补偿装置具有优 3 良的性能，所以，近二十多年来，在世界范围内其市场一直在迅速而稳定地增长， 己占据了静止无功补偿装置的主导地位。因此静止无功补偿装置( s v c ) 这个词往往 是专指使用晶闸管器件的静止无功补偿装置，它包括晶闸管控制电抗器( t h y r i s t o r c o n t r o l l e dr e a c t o r t c r ) 和晶闸管投切电容器( t h y r i s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o r t s c ) ，以及这两者的混合装置( t c r + t s c ) ，或者晶闸管控制电抗器与固定电 容器( f i x e dc a p a c i t o r f c ) 或机械投切电容器( m e c h a n i c a l l ys w i t c h e dc a p a c i t o r m s c ) 混合使用的装置( 如t c r + f c 、t c r + m s c 等) 。静止无功补偿装置的 重要特性是它能连续调节补偿装置的无功功率，因此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。其快速的响应，适中的价格，使其在电力系 统中得以迅速的推广。其不足之处在于谐波成分大，需要大电感、大电容等元件， 而且只有在感性工况下才连续可调。 4 s v g 阶段。随着电力电子技术的进一步发展，八十年代以来，一种更为先 进的静止型无功补偿装置出现了，这就是采用自换相变流电路的静止无功补偿装 置，即静止无功发生器( s t a t i cv a t g e n e r a t o r s v g ) ，也称为高级静止无功补偿 器( a d v a n c e d s t a t i cv a t c o m p e n s a t o r a s v c ) ，或者静止调相器( s t a t i cc o n d e n s e r s t a t c o m ) 。本文采用国内通行的名称，称之为静止无功发生器。s v g 通过 不同的控制，既可使其发出无功功率，呈电容性，也可使其吸收无功功率，呈电 感性。采用p w m 控制，即可使其输入电流接近正弦波。与s v c 相比，s v g 大大 减小了体积、节省了材料，并具有响应速度快、调节性能好、能综合补偿无功、 三相不平衡和谐波的特点，成为无功补偿的重要发展方向【4 1 。 表1 1 各种无功功率补偿装置的简要对比 t a b l e1 - 1b r i e f c o m p a r i s o no f v a r i o u sr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i n gd e v i c e s 。 晶闸管控制晶闸管混合型静止静止 装置同步调饱和电 ， 相机抗器 电抗器投切补偿器无功 ( t c r 或电容器( t c r l t s c 发生器 项目 ( s c )( s r ) t c r _ 卜f c )( t s c ) 或t c r + m s c ) ( s v g ) 响应速度慢较快较快较快较快快 吸收无功连续连续连续分级连续连续 控制 简单不控较简单较简单 较简单复杂 谐波电流 无大大无 大 小 分相调节 有限不可可以有限 可以可以 损耗大较大中 小 小小 噪声大大 小 小小小 无功补偿器发展的历程也是对补偿无功性能不断改进的过程。结合无功补偿 4 器的发展过程及各自存在的问题，得出表1 1 【5 1 。 1 2 2 国内外研究现状 5 】 随着电力半导体器件的发展，出现了大功率门极可关断晶闸管g t o ( g a t e t u r n - o f f t h y r i s t o r ) 等全控型器件，并逐渐成为s v g 的自换相桥式电路中的主力， 使得采用电子开关逆变器的s v g 得到发展并进入实用阶段。静止无功发生器在提 高系统的暂态稳定性、阻尼系统振荡等方面，性能大大优于传统的同步调相机及 s v c 的性能，且元件简单，体积小，控制灵活，调节范围广，在感性和容性运行 工况下均可连续快速调节。因此，s v g 已成为静止无功补偿技术的发展方向，是 今后柔性交流输电系统f a c t s 的一个重要装置。 静止无功发生器在日本、美国、欧洲等少数发达国家和地区已经得到了应用。 1 9 8 0 年1 月，日本关西电力公司与三菱电机公司共同研制并投入运行了世界上首 台s v g 样机，它采用了晶闸管强迫换相桥式电路的电压型逆变器，容量为2 0 m v a r 。 1 9 8 6 年1 0 月，由美国国家电力研究院和西屋公司研制成1 m v a r 的世界上首台采 用大功率g t o 作为逆变器元件的s v g 实验装置，并成功进行了现场试验。之后， 日本关西电力公司与三菱电机公司又采用g t o 晶闸管研制了8 0 m v a r 的s v g 装 置，于1 9 9 1 年在犬山变电站投运。美国国家电力研究院与田纳西电力局( t e n n e s s e e v a l l e ya u t h o r i t y ，缩写为t 、a ) 、西屋电气公司合作，在t v a 电力系统的s u l l i v a n 5 0 0 k v 变电站建造了1 0 0 m v a r 的s v g 装置，于1 9 9 6 年l o 月投运。1 9 9 3 年3 月 东京电力分别与东芝公司和日立公司开发的2 台5 0 m v a r 的s v g 装置在东京所属 新信浓变电所投入使用。1 9 9 7 年，德国西门子公司开发研制单机容量为8 m v a r 的 s v g 装置，并安装在丹麦的r e j s b yh e d e 风场。法国的a l s t o m 公司也研制了高 压大容量的s v g 装置并在电力系统中实际运行。以上是有关s v g 的实际装置用 于改善电网性能的介绍。另外用s v g 来补偿工业负荷的研究也时有报道，使用的 大都是g t o 晶闸管和i g b t 这样的全控性器件。 在我国这一领域的研究起步较晚，华北电力大学曾研制出强迫换相的可控硅 元件无功发生器实验装置，东北电力大学研制了g t o 器件的s v g 实验装置。1 9 9 4 年研制大容量s v g 被列为电力部重点科研攻关项目。同年5 月，在电力部的支持下， 河南省电力局决定和清华大学共同研制一台2 0 m v a r 的s v g ，见图1 1 。为进行基 础理论研究，清华大学先研制了一台3 0 0 k v a r 的中间工业试验装置和10 k v a r 的 动态模拟装置。3 0 0 k v a r 的工业样机于1 9 9 5 年8 月在清华大学校实验电厂挂网运 行，通过了7 2 d x 时的满负荷持续运行测试，并于1 9 9 7 年3 月，在郑州孟砦变电站并 网运行，经受了电弧炉冲击负荷和1 0 电压不对称运行工况的考验，为成功研制 5 = j 匕塞銮适太堂亟堂僮论塞互l 直 2 0 m v a rs v g 打下了良好基础。1 9 9 9 年夏，由河南省电力局和清华大学共同研制的 + 2 0 m v a rs v g 在河南洛阳的朝阳变电站并网成功，这是国内首台投入应用的大容 量柔性交流输电装置。通过以上研究获得很多实践经验，并在理论上有显著的发 展。目前，清华大学研制的5 0 m v a r 静止无功发生器，利用h 桥级联式逆变器在无功 补偿领域中的应用，使容量达到了兆乏的等级。 图1 1 清华大学与河南电力局合作的国产首台2 0 万千伏安s v 6 f i g1 1f i r s tn a t i o n a ls v gi nh e n a np r o v i n c e 鼹 。删! 圈 图1 2 上海黄渡5 0 0 k v 变电站的5 0 m - s v g 设备 f i g1 2 + _ 5 0 m s v gi ns h a n g h a i 6 甏 表l - 2 各国研制s v g 装置的情况 t a b l e1 - 2b r i e fc o m p a r i s o no fv a r i o u sp l a c et h a td e s i g ns v gd e v i c e s 研制者地点蛐吣时间 1 三菱电机、关西电力日本 2 0 1 9 8 0 年 2 三菱电机、关西电力日本 8 01 9 9 1 年 3 东芝、日立、东京电力日本 5 0 2 1 9 9 2 年 4 西屋公司、e p r i 、田纳西电力美国 1 0 01 9 9 6 年 5 西门子丹麦 8 1 9 9 7 年 6 西屋、e p r i 、美国电力美国 1 6 01 9 9 7 年 7 清华大学、河南省电力公司中国2 01 9 9 9 年 8a l s t o m 、英国国家电网( n c - c )英国7 51 9 9 9 年 9 三菱美国+ 1 3 3 - 4 12 0 0 1 年 1 0 三菱，圣迭戈天然气和电力公司美国 1 0 02 0 0 2 年 1 1 p r i 、k e p c 0 韩国8 02 0 0 3 年 1 2 a l s t o m ，美国东北电力美国 1 5 02 0 0 3 年 1 3 a b b ，奥斯汀能源美国 1 0 0 2 0 0 4 年 1 4 清华大学、许继，上海电力公司 中国5 02 0 0 6 年 2 0 0 3 年，清华大学与上海电力公司、许昌继电器公司合作，在上海西郊建立 5 0 0 k v 变电站，应用了5 0 m v a r 的新型静止无功补偿装置，2 0 0 6 年4 月投运成功， 世界首例链式+ i g c t 大容量逆变器。当系统发生故障或突增负荷时，能够动态地提 供电压支撑，以防止发生暂态电压崩溃。图1 2 所示的就是上海黄渡5 0 0 k v 变电站 的+ _ 5 0 m s v g 设备。 表1 2 是当今世界上对s v g 研制有所建树的国家和公司，从表中可以看到，我 国在这一领域已经占有了一席之地。 1 2 3s v g 发展趋势 近十多年来，世界范围内有关s v g 的研究和应用有了长足的进步和发展，纵 观近年来建设的这些项目和投运装置，具有如下的发展趋势： ( 1 ) s v g 的主电路由早期的以多重化的方波变流器为主要形式，发展为以p w m 变流器为主要形式。多重化技术大都与多电平p w m 变流器相结合，以减少耦合变 压器的使用，例如h 桥级联型多电平变流器； 采用多重化、多电平等技术提高开关器件等效开关频率，弥补大容量电力电 7 子器件开关频率和耐压水平不足的缺点【5 】【6 】【刀【8 1 。例如，采用多组s v g 并联使用， 通过载波移相等控制，使s v g 组按照一定规律开通关断，各组p w m 逆变单元产生 的补偿电流相加后注入电网，而等效开关频率却可以提高到实际开关频率的n 倍( n 为并联使用单元数) ，逆交主电路如图1 2 所示。 图1 2 并联多重化 f i g 1 2m u l t i i n v e r t e rs h u n tc o n n e c t i o n 采用h 桥级联形式的s v g 主电路结构，每一相都由n 个h 桥串联而成，而每个 桥中开关器件只承受直流侧总电压的n 分之一，因此，通过这种串联型结构能够实 现低压器件对高压系统的无功补偿，逆变主电路如图1 3 所示。 工 c a l c a s en c a 冀n c c c c 图1 3h 前级联型结构 f i g 1 3h - b r i d g ec a s c a d e dc o n f i g u r a t i o n ( 2 ) 新的电力电子器件投a , s v g 的引用 9 1 。目前，国内外研制的s v g 装置大都 是基于g t o 器件的二电平装置，虽然g t o 耐压高、容量大，但需要专门的缓冲电 路，且损耗大。随着大功率i g b t 向g t o 方面发展的技术进步，创造了新的i g c t ， 即集成门极换流晶闸管( i n t e r g r a t e dg a t ec o m m u t a t e dt h y r i s t o r s ) i g c t 采用用硬驱 动技术，它将门极驱动电路、g t o 芯片和反并联二极管集成为一体，结合了晶闸 管的低通态损耗和晶体管均匀关断能力两种优点，具有开关频率高、损耗小、无 8 需关断吸收电路、可用于串联等优点。同时，i g c t 还有成本低、复杂程度低以及 高效率的优势。基于该器件的第一台1 0 0 m v a rs t a t c o m 装置已成功投入商业运行 多年。如今，在中高压大容量电力电子应用中，i g c t 正逐步取代g t o 。尽管如此， i g b t 由于采用简单的电压驱动门极，且开关速度快，截止电压已达到3 l 【v ，因而 在中等功率变流器中仍得到广泛应用。但i g b t 也有一些问题，例如工作电压低、 容量小、导通压降和损耗高，这也限制了它的应用。目前在i g b t 基础上发展而成 的新一代大功率器件一一电子注入增强门极晶体管( i n j e c t i o ne n h a n c e dg a t e t r a n s i s t o r ) i e g t 已进入实用阶段。i e g t 是一种集g t o 和i g b t 的优点于一身的新型 器件，它具有导通压降低、工作频率高、电压型门极驱动、安全工作区宽、易于 串联使用等优点。这些良好的性能使之很适用与s v g 等大容量、工作频率高的电 力电子装置。有理由相信，在未来的柔性交流输电系统中，它会得到广泛的应用。 ( 3 ) s v g 的补偿目标已由早期的以对输电系统补偿为主，扩展到对配电系统补 偿，甚至负荷补偿的各个层次。 ( 4 ) 随着科技的进步，尤其是高温超导技术突破性的发展并进入实用化，超导 技术将解决电流型逆变器( c u r r e n ts o u r c ei n v e r t e r , c s i ) 中储能电感储能效率问题。同 时，电力超导储能系统中储能线圈具有电流源特性，因而c s i 将具有更加广泛的应 用前景。一种正在研究中新的开关技术化学沉积气石墨三极管( c h e m i c a lv a p o r d e p o s i t i o n ( c v d ) d i a m o n dt r i o d e ) 的出现将解决c s i 的低阶谐波问题。这种新的技 术将大大提高开关器件的开关频率，能使电流脉宽调制波的频率足够高，足以消 除低阶谐波电流含量，这样就使所需要的滤波器的容量减小，成本降低。可以预 见，化学沉积气石墨三极管将在基于电流型逆变器c s i 的s v g 中得到广泛应用。可 以相信，随着超导储能技术和新的开关技术的发展，基于电流型逆变器c s i 的s v g 也将得到广泛应用。 1 3 选题的意义及研究内容 近年来，低压配电网的非线性、冲击性和不平衡负荷迅速增多，致使电网的 电能质量严重恶化。另一方面，现代工业、商业和居民用户对电能质量提出了更 高的要求，不仅要求供电连续可靠，还希望供电电压频率稳定、波形良好。尤其 是1 1 r 产业的迅猛发展使得人类更加依赖数字化设备所提供的信息与服务，而数字 化的设备对供电的质量要求更高。因此， 补偿装置来抑制系统的电压波动及闪变， 有必要研究容量大、响应速度快的无功 有效地提高电力系统的安全性，改善供 电质量。而s v g 装置不仅可以用于改善电网性能，还可以用来补偿工业负荷的无 功功率，具有十分广阔的应用前景和实际价值。 9 1 4静止无功发生器的基本原理 静止无功发生器( s v g ) 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，通过控制开关器件的通断，来调节桥式电路交流侧输出电压的 相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，使该电路吸收或发出所需无功电流， 实现动态无功补偿的目的【1 0 1 。 1 4 1s v g 工作原理 s v g 主电路通常分为采用电压型桥式电路和电流型桥式电路两种类型。其电 路基本结构分别如图1 4 瘌图1 4 b 所示，直流侧分别采用电容和电感这两种不同的 储能元件。v s i 中的储能元件电容器与c s i q b 的储能元件电感器相比，储能效率和 储能元件的体积、价格都具有明显的优势。 a ) 采用电压型桥式电路b ) 采用电流型桥式电路 a ) v o l t a g es o u r c em v e r t 盱一v s i b ) c u r r e n ts o u r c e1 1 1 v e r t 盱c s i 图1 a s v g 的电路基本结构 f i 9 1 4b a s i cc i r c u i ts t r u o t u r eo fs v g 基于电压型逆变器v s i 的s v g 一般是由几个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦 波，谐波少，因此不需要另加滤波电路。而基于电流型逆变器c s i 的s v g 在谐波电 流消除方面有很大困难，现有的半导体开关器件的开关频率限制了电流脉宽调制 波的频率，导致一些低阶谐波电流产生。因而，投入实用的s v g 大都采用电压型 桥式电路，本文中的s v g 专指采用自换相的电压型桥式电路作动态无功补偿的装 詈【l ，2 1 j 土 o s v g 的工作原理可以用如图1 5 所示的单相等效电路图来说明。设电网电压和 s v g 输出的交流电压分别用相量班和矽，表示，则连接电抗x 上的电压玩即为阢 和玩的相量差，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s v g 从电网吸收的电流j 。因此，改变s v g 交流侧输出电压( 7 ，的幅值及其相对于政的 相位，就可以改变连接电抗上的电压，从而控, ) j s v g 从电网吸收电流的相位和幅 1 0 值，也就控制了s v g 吸收无功功率的性质和大小。 a ) 单相等效电路 a ) c i r c u i to fs i n g l ep h a s e u lul = j x i 电流超前电流滞后 b ) 工作相量图 b ) v a c t o ro f w o r k i n g 图1 5s v g 等效电路及工作原理( 不考虑损耗) f i g 1 5b a s i ce q u i v a l e n tc i r c u i ta n dp r i n c i p l eo f s v g ( w i t h o u tl o s s ) 在图1 5 a 的等效电路中，将所连接的电抗器视为纯电感，没有考虑其损耗。 因此不必从电网吸收有功能量。在这种情况下，只需使驴，与阢同相，仅改变矽，的 幅值大d , o p 可以控* l j s v g 从电网吸收的电流j 的相位和大小，从而也就控制了从电 网吸收的无功功率的大小。如图1 5b 所示，当玩大于班时，电流超前电压9 0 0 ， s v g 吸收容性的无功功率；当玩小于玩时，电流滞后电压9 0 0 ，s v g 吸收感性的 无功功率p j 。 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s v g 的实际等效电路如图1 6 a 所示，其电流超前和滞后工作的相量图如图1 6 b 所示。在这种情况下，变流器电压 玩与电流j 相差9 0 。，因为变流器无需有功能量。而电网电压啦与电潮的相差则 不再是9 0 。，而是比9 0 。小了6 角，因此电网提供了有功功率来补充电路中的损耗， 也就是说相对于电网电压来讲，电流j 中有一定量的有功分量。这个6 角也就是变 流器电压玩与电网电压玩的相位差。改变这个相位差，并且改变d ，的幅值，则产 生的电流的相位和大小也就随之改变，s v g 从电网吸收的无功功率也就因此得到 调节。当电流超前电压，s v g 吸收容性的无功功率；当电流滞后电压，s v g 吸收 感性的无功功率。 电流超前电流滞后 a ) 单相等效电路b ) 工作相量图 a ) c i r c u i to f s i n g l ep h a s eb ) v a c t o ro f w o r k i n g 图1 6s v g 的等效电路及工作原理( 计及损耗) f i g 1 6b a s i ce q u i v a l e n tc i r c u i ta n dp r i n c i p l eo fs v g ( i n c l u d i n gl o s s ) 在图1 6 中，将变流器本身的损耗也归算到了交流侧，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，实际上变流器交流侧电压矽，与电流j 的相位差并 不是严格的9 0 。，而是比9 0 。略b 5 , 6 】。 1 4 2s v g 工作特性 根据上一节对s v g 工作原理的分析，可得其电压一电流特性，如图1 7 所示。 可以看出，当电网电压下降，补偿器的电压电流特性向下调整时，s v g 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，和一 维持不变，仅受其电力半导体器件的电流容量限制。而对传统的s v c ，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s v g 的运行范围比传统的s v c 大，s v c 的运行范围是向下 收缩的三角形区域，而s v g 的运行范围是上下等宽的近似矩形的区域。这是s v g 优越于传统s v c 的一大特点 5 , n l 。 艺 v 彭勿 !k 图1 7s v g 的电压电流特性 f i g 1 7v o l t a g e - c x a r e n tc h a r a c t e r i s t i co fs v g 此外，对于那些以输电补偿为目的的s v g 来讲，如果直流侧采用较大的储能 电容，或者其它直流电源( 如蓄电池组，采用电流型变流器时直流侧用超导储能 装置等) ，则s v g 还可以在必要时短时间内向电网提供一定量的有功功率。这对 于电力系统来说是非常有益的，也是传统的s v c 装置所望尘莫及的。 对于装置中的谐波问题，s v g 可以采用桥式变流电路的多重化技术或p w m 技 1 2 术来进行处理，以消除次数较低的谐波， 受的程度，也可以通过控制策略的优化， 对两者同时进行补偿。 并使较高次数的谐波电流减d , n 可以接 在检测无功电流的同时也检测谐波电流， 在平衡的三相电路中，不论负载的功率因数如何，三相瞬时功率之和在任何 时刻都等于三相总的有功功率。各相的无功能量在交流侧来回往返而三相电源和 负载之间没有无功流动，所以理论上讲s v g 的桥式变流电路的直流侧可以不设储 能元件。考虑到变流电路吸收的电流的谐波成分以及有功能量的损耗，其直流侧 仍需要一定大小的电容作为储能元件，但其容量远l t , s v g 所能提供的无功容量要 小得多。另外，s v g 连接电抗由于是滤除电流中高频成分，所以电感值也不大。 这也是s v g 的一个显著特点。 1 5s v g 主要优点 静止无功发生器( s v g ) 作为现代柔性交流输电系统( f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o n s y s t i 锄f a c t s ) 的核心组成部分，它与常规的无功补偿装置相比，具有以下几 大优点【l , s l ： ( 1 ) 在提高系统的暂态稳定性、阻尼系统振荡等方面，s v g 的性能大大优于传 统装置； ( 2 ) 采用数字控制技术，系统可靠性高，基本不需要维护，可以节省大量维护 费用。同时，可通过电网调度自动化系统( s c a d a e m s ) 实现无功潮流和电压最优 控制，是建设中的数字电力系统( d p s ) 的组成部分； ( 3 ) 控制灵活、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s v g 装置的体积小、损耗低； ( 6 ) 连接电抗小。s v g 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 的电感量并不大，也远小于补偿容量相同的t c r 等s v c 装置所需的电感量，如果使 用降压变压器将s v g 连入电网，则还可以利用降压变压器的漏抗，使所需的连接 电抗器进一步减小； ( 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s v g 产生无功电流基本不受系统电压的影响； 1 3 ( 8 ) 谐波量小。在多种型式的s v c 装置中，s v c 本身产生一定量的谐波，如t c r 型的5 、7 次特征谐波量比较大，占基波值的5 - 1 0 ；其它型式如s r 、t c t 等也产 生3 、5 、7 、1 1 等次的谐波，这给s v c 系统的滤波器设计带来许多困难，而s v g 则 可以采用桥式交流电路的多重化技术、多电平技术或p w m 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； ( 9 ) s v g 中的电容器容量小，在网络中普遍使用也不会产生谐振，而使用s v c 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； ( 1 0 ) s v g 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，s v c 将会变得不稳定，而s v g 仍然可以保持稳定， 即输出稳定的系统电压； ( 1 1 ) s v g 的直流侧采用较大的储能电容，或者其它直流电源( 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。这对于电力网来 说是非