（电力电子与电力传动专业论文）静止无功发生器svg的研究及应用.pdf

s t a t i cr e a c t i v ep o w e r g e n e r a t o r ( s v g ) r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n b y y a nj i a c a i b e ( a n y a n gn o r m a lu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n p o w e re l e c t r o n i c s & p o w e rd r i v e s i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rd a n gc u n l u m a y ，2 0 1 1 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名2 簖磬缈 日期：如卯年6 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收 录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：蓟裳财 导师签名：。凳括禄 日期：砷年 e t 期：，年 莎月7日 6 月艿日 硕十学1 = 7 ：论文 目录 目录i 摘要i i i a b s t r a c t i v 插图索引v 第1 章绪论l 1 1 无功功率的基本概念、危害及治理l 1 1 1 无功功率的基本概念1 1 1 2 无功功率的危害2 1 1 3 无功的治理2 1 2 无功补偿装置的发展过程和s v c 、s v g 优劣性比较4 1 2 1f a c t s 的简介4 1 2 2 无功补偿装置的发展过程4 1 2 3s v c 、s v g 优劣性比较一7 1 3s v g 的研究现状及发展趋势9 1 3 1s v g 的国内外应用实例9 1 3 2s v g 发展趋势8 1 3 3s v g 应用范围9 1 4 本课题的主要研究内容9 1 5 本章小结l0 第2 章s y 6 的基础理论及无功电流检测1 1 2 1 功率因数理论1 1 2 1 1 正弦电路的功率因数和无功功率1l 2 1 2 非正弦电路的功率因数和无功功率1 2 2 2s v g 的基本理论16 2 2 1 静止无功发生器主电路的拓扑结构16 2 2 2 静止无功发生器的基本工作原理1 7 2 3s v 6 的无功电流检测1 6 2 3 1 常见的几种无功电流检测方法一1 6 2 3 2 基于瞬时无功功率理论的无功电流检测1 7 静l 卜无功发乍器( s v g ) 研究及应用 2 4 本章小结2 0 第3 章s v g 的控制策略的研究及仿真2 6 3 1s v g 的控制方法2 6 3 1 1 电流间接控制2 6 3 1 2 电流直接控制2 7 3 2 模糊控制理论和模糊控制器的设计一2 8 3 2 1f u z z y p i 控制器的原理和结构2 9 3 2 2f u z z y p i 控制器设计一2 9 3 3 空间矢量控制理论的分析及仿真2 7 3 3 1 空间矢量p w m 控制方法的理论2 7 3 3 2 空间矢量p w m 控制方法的仿真3 0 3 4 基于模糊p i 和空间矢量控制的单台s v g 的实现一3 8 3 4 1 电流内环设计3 8 3 4 2 电压外环设计一3 9 3 4 3 三相电压型s v g 总体控制实现3 5 3 5 仿真结果及分析3 6 3 6 本章小结3 8 第4 章基于并联方式实现s v g 大容量和补偿多样性的几种思路3 9 4 1 基于s v g 多台模块的并联控制方法3 9 4 1 1 基于无功功率分配式的并联控制方法j 3 9 4 1 2 基于限容无互联式的并联控制方法4 l 4 1 3 基于一套互感器无互联式的并联控制方法4 7 4 2 基于s v g 组成的综合并联补偿控制方法4 7 4 2 1 基于s v g 组成的综合并联补偿装置性能分析4 8 4 2 2 基于s v g 组成的综合并联补偿装置的组建思路4 7 4 2 3s v g 与其它补偿装置并联在旧设备改造中的应用一5 0 4 3 本章小结5 0 第5 章s v g 在石油钻机s c r 电驱动系统中的工程应用一5 l 5 1 工程背景5 l 5 2 s c r 系统基于s v g 无功补偿的原理5 6 5 2 1s c r 电驱动系统组成及工作原理一5 6 5 2 2s c r 系统的无功分析5 6 5 2 3 无功补偿方案的选择5 8 硕十学何论文 5 2 4 综合并联补偿方案分析与选择5 4 5 3s v g 的控制系统设计5 7 5 3 1 系统的硬件设计5 7 5 3 2 系统的软件设计5 9 5 4 结果分析6 3 5 5 本章小结6 8 结论与展望6 9 参考文献6 9 到【 射6 9 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文7 4 静止无功发生器( s v g ) 研究及应用 摘要 随着现代电力电子装置的广泛应用，高压输配电系统和低压用电系统中的非 线性负荷、冲击性负荷越来越多，致使电网电能质量变差，主要表现在电网电压 的波动和闪变，无功功率的快速变化，谐波电流、电压等。为减轻电网的负担， 通常采用无功功率补偿的办法来补偿用电设备的无功需求。但原有的无功功率补 偿装置( s v c 等) 的调节手段和控制的适时性，难以满足现代用电设备的需求， 因此研究具有吞吐功能、调节速度快、电网电压低时能够提供较强无功支撑的新 型静止无功发生器( s v g ) ，具有重要的意义。 对单台s v g ，在主电路方面，采用基于p w m 逆变器拓扑结构的s v g 主电路， 在l c l 的作用下，其工作时可以做到减少谐波产生；在控制策略方面，提出了模 糊p i 控制和空间矢量控制相结合的控制方法；整体上采用了双闭环控制，即无功 电流内环和逆变器直流侧电压的外环，内外环均采用模糊p i 控制方式，可以进行 在线参数自整定。并通过仿真验证这种控制方法的可行性和优越性。 在实现大容量和补偿的多样性方面，采用多台s v g 并联增大容量；采用综合 并联实现补偿的多样性、降低损耗、降低成本。对于多台s v g 并联方式给出了基 于无功功率分配式的并联控制方法、基于限容无互联式的并联控制方法、基于一 套互感器无互联式的并联控制方法，很好地解决了开关损耗、开关频率与容量之 间的矛盾。对于综合并联控制方式给出了s v g 与s v c 组合方式的案例分析，提 出了组建综合并联补偿装置应该坚持的协调控制原则和无功储能思想。 采用本文所论证的方案在石油钻机( s c r ) 电驱系统中进行了应用，将发电 机的励磁调节器与s v g 组成综合并联补偿装置。针对s c r 系统无功特点，提出 了组建这种综合并联补偿装置的三种方案。并对方案一进行了硬软件设计。给出 了实测波形对比，验证了本文所述方法的优越性。 关键词：静止无功发生器( s v g ) ；模糊pi 控制；电压空间矢量控制；s v g 并联方 式；综合并联方式；石油钻机( s c r ) 系统无功补偿； w i t hm o d e r n p o w e re l e c t r o n i cd e v i c e sa r e w i d e l ya p p l i e d ，r e s u l t i n gi n d e t e r i o r a t i o no fp o w e rq u a l i t y ，m a i n l yi nt h ep o w e rg r i d v o l t a g ef l u c t u a t i o n sa n d f l i c k e r ，t h er a p i dc h a n g e si nr e a c t i v ep o w e r ，h a r m o n i cc u r r e n ta n dv o i t a g e t o a l l e v i a t et h eb u r d e no fp o w e r ，u s u a l l ym e a n sr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c et o c o m p e n s a t ef o rt h er e a c t i v ep o w e rd e m a n d ，t h em o s ta d v a n c e dr e a c t i v e p o w e r c o m p e n s a t i o ne q u i p m e n ti ss v g ，s v gt h e r e f o r eo f g r e a ts i g n i f i c a n c et os t u d v o nas i n g l es v g ，i nt h em a i nc i r c u i t ，t h ep w m r e c t i f i e rb a s e do nt h em a i nc i r c u i t t o p o l o g yo ft h es v g ，t h er o l eo ft h el c l ，i t sw o r kc a nb ed o n et or e d u c eh a n n o n i c g e n e r a t i o n ；i nt h ec o n t r o l s t r a t e g y ，t h ep r o p o s e d f u z z y p ic o n t r o l a n ds p a c e c o m b i n a t i o no fc o n t r o lv e c t o rc o n t r o lm e t h o d s ；o v e r a l lad u a lc l o s e dl o o pc o n t r o l ，i e r e a c t i v ec u r r e n ti n n e rl o o pa n do u t e r v o l t a g er e c t i f i e rd cs i d e ，i n s i d ea n do u t s i d et h e r i n ga r et h cf u z z yp ic o n t r o lc a nb ec a r r i e do u to n l i n ep a r a m e t e rt u n i n g c o n t r 0 1 m e t h o di sv e r i f i e db ys i m u l a t i o nt h ef e a s i b i l i t ya n ds u p e r i o r i t v i nt h er e a l i z a t i o no fl a r g ec a p a c i t ya n d d i v e r s i t yo fc o m p e n s a t i o n ，t h i sp a p e r g i v e sam o d u l a rs t a n d a l o n es v gp a r a l l e lt oa c h i e v eb i g g e rc a p a c i t ya n dt oa c h i e v e a ni n t e g r a t e dp a r a l l e lc o m p e n s a t i o nc o m p e n s a t i o n d i v e r s i t y f o rs t a n d a l o n es v g m o d u l e si np a r a l l e lt oa c h i e v eh i g h - c a p a c i t ym e t h o dw a s g i v e nb a s e do nt h ep a r a l l e l d i s t r i b u t i o no fr e a c t i v ep o w e rc o n t r o l ；c o n t r o ls t r a t e g yb a s e do nt h el i m i t e dc a p a c i t v o fp a r a l l e lc o n t r o l ；b a s e do nas e to f p a r a l l e l c o n n e c t e dt r a n s f o r m e rw i t h o u tc o n t r 0 1 c o m p e n s a t i o nm e t h o df o rp a r a l l e ls y n t h e s i s ，g i v e ni t s c o m p e n s a t i o np e r f 0 m a n c e ， l o s so fd e t a i l e da n a l y s i sa n dc o m p r e h e n s i v ec o m p e n s a t i o nm e t h o di s g i v e nc o n t r o lo f s o m eo ft h ep r i n c i p l e ss h o u l db ea d h e r e dt o u s i n gt h ep r o p o s e ds c h e m ed e m o n s t r a t e di nt h eo i lr i g ( s c r ) p o w e rd r i v es y s t e m f o rt h ea p p l i c a t i o n ，t h eg e n e r a t o re x c i t a t i o nc o n t r o l l e ri n t e g r a t e di np a r a l l e lw i t hs v g f o r mo fc o m p e n s a t i o nd e v i c e i t sh a r d w a r ed e s i g n ，s o f t w a r e d e s i g n c o m p a r i n gt h e m e a s u r e dw a v e f o r ma r eg i v e nt ov e r i f yt h ea d v a n t a g e so ft h em e t h o dd e s c r i b e di nt h i s a r t i c l e k e yw o r d s ：r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ；s t a t i cv a r g e n e r a t o r ( s v g ) ；f u z z yp i c o n t r o l ；v o l t a g es p a e ev e c t o rc o n t r o l ；s v gp a r a l l e l ；o i lw e d r i l l i n ge q u i p m e n t ( s c r ) s y s t e mr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n v 静f 卜无功发生器( s v c , ) 研究及应用 插图索引 图1 1 无功补偿装置发展概况图5 图1 2s v g 和s v c 的沪，特性比较图7 图1 3s v g 和s v c 的一0 特性比较图8 图2 1s v g 的电路基本结构图1 6 图2 2s v g 等效电路及工作原理( 不计及损耗) 图1 7 图2 3s v g 等效电路及工作原理( 计及损耗) 图1 8 图2 4 损耗能量由直流侧电源提供时s v g 的工作相量图18 图2 5 在口一坐标系中的电压电流矢量图18 图2 6p 、q 运算方式检测无功原理框图1 9 图2 7 采用f p 一基波检测无功原理框图一1 9 图3 1 、乇及u 与万角的关系图2 6 图3 2 简单的电流间接控制方法图一2 7 图3 3 进行闭坏反馈控制的电流间接控制方法图2 7 图3 4 采用p w m 技术的电流直接控制方法图2 7 图3 5s v g 的f u z z y p i 控制器原理图2 9 图3 6 隶属度函数分布图2 5 图3 7 参数自调整模糊p i 工作流程图2 5 图3 8 三相v s i 主电路图2 7 v 图3 9 空问电压矢量图一2 8 图3 1 0p w m 三相输出波形图3 0 图3 1 1 经过p a r k 变换后的空间电压矢量图3 6 图3 1 2 逆变器输出p w m 仿真波形图一3 7 图3 1 3 开关频率为1 8 0 0 h z 时逆变器输出相电压的频谱图3 7 图3 1 4 开关频率为3 0 0 h z 时逆变器输出相电压的频谱图一3 8 图3 1 5s v g 的等效电路基本结构( 采用电压型桥式电路) 3 8 帧十学何论文 图3 1 6s v g 电流内环解耦控制结构图3 9 图3 1 7 电压外环控制结构图3 9 图3 1 8 简化电压外环控制结构图3 5 图3 1 9 无功电流指令值生成图3 5 图3 2 0 基于d - q 坐标系的矢量控制框图3 5 图3 2 1 扰动大小不同情况下模糊p i 和p i 阶跃响应图3 6 图3 2 2 模糊p i 控制和p i 控制补偿效果图3 7 图3 2 3 本文所述方法补偿无功效果图3 7 图3 2 4a 相系统电压、系统电流、负载电流波形图3 7 图3 2 5 直流侧电容电压波形图：3 7 图4 1 基于无功功率分配式的控制原理图3 9 图4 2 基于限容无互联式的控制原理图4 6 图4 3 基于一套互感器无互联式并联运行图4 7 图4 4s v g 模块控制系统图4 7 图4 5s v g + t s c + t c r 的输出特性图4 9 图4 6s v g + f c 的输出特性图4 9 图4 7s v g + s r 的输出特性图4 5 图4 8 静止无功发生器不同组合的损耗输出特性概况图4 6 图4 9s v g 无功储备控制策略框图4 8 图4 1 0s v g 无功储备控制示意图4 9 图5 1a c s c r d c 电驱动控制系统框图：- 5 6 图5 2s c r 整流器的等值电路图5 7 图5 3s c r 整流器的交流电压和电流波形图5 7 图5 4s v c 和s v g 的俨，特性图5 8 图5 5s v g 系统与s c r 系统连接的示意图一5 9 图5 6s v g 控制系统的结构图5 7 图5 7s v g 控制器原理总框图一5 8 v i i 静f 卜无功发生器( s v g ) 研究及应用 图5 8 主程序流程图6 l 图5 9 定时器中断子程序流程图6 0 图5 1 0s v p w m 子函数程序流程图6 2 图5 1 1 负载变化时母线电压波形变化图6 7 图5 1 2 滤波器与无功补偿装置投入前后实测波形及频谱图6 8 附表索引 ， 表1 1 国外主要s v g 投运情况表一7 表1 2 国内s v g 投运情况表一8 表3 1 斌。的控制规则表2 6 表3 2 战的控制规则表2 6 表3 。3v s i 各种不同的开关状态分配表2 9 表5 1s v g 动态无功功率补偿器的设备构成表5 9 表5 2 滤波器和无功补偿装置投运前后实录数据表6 6 硕士学位论文 第1 章绪论 电能是现代人类社会不可缺少的一种主要能源形式，随着电力电子技术的广 泛应用，尤其是在治金、能源、化工和家电等行业中的广泛应用，致使电力系统 中无功需求增多，给电网带来了额外的负担，甚至影响供电质量，对电力系统安 全、稳定、经济运行构成潜在的威胁n 5 1 。与此同时，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。因此无功功率问题对电力系统和电力用户都十分重要，无功功 率补偿问题己经成为电力电子技术和电力系统等领域所面临的一个重大课题，引 起人们越来越多的关注 8 1 。 近年来，低压配电网和高压输电电网的非线性、冲击性和不平衡负荷越来越 多，致使电网的电能质量恶化进一步严重。因此，研究更有效的、响应速度快的 无功补偿装置来抑制系统的电压波动及闪变，从而提高电力系统的安全性和改善 供电质量成为电力系统行业迫切需要解决的问题阳 1 。 1 1 无功功率的基本概念、危害及治理 电力系统由发电、输电、配电和供电系统构成，是一个多种能量交换的系统。 有功功率和无功功率是维持电力系统运行的两种能量重要的表达形式n 引。 1 1 1 无功功率的基本概念 在电路中由于感性或容性负载的存在，使电压与电流在相位上存在一个角度 差，这样就引起了无功功率。无功功率是一个反映电源与负荷间的能量交换的物 理量，它的大小表明了电源与负荷间能量交换的幅度，本身并不消耗能量。具体 来说就是在前半个周期内，把电源能量变成磁场( 或电场) 能量贮存起来，然后， 在后半个周期释放，又把贮存的磁场( 或电场) 能量再返回给电源，只是进行这 种能量的交换，并没有真正消耗能量，我们把这个交换过程中瞬时功率的最大值 称为无功功率。无功功率在系统中的流动对电力系统本身也产生了很大的影响 【1 2 】 1 1 2 无功功率的危害 无功功率本身不消耗能量，但无功功率的交换将引起发电和输电设备上的电 压降落和电能损失，影响系统电能质量，从而对发电、供电、配电3 个方面都会 产生不良影响。具体来说主要有以下几个方面乜1 2 15 1 ： ( 1 ) 影响有功功率的传输。供电线路为了传输有功功率，同时为了维持系统 静i ：无功发生器( s v g ) 研究及席用 电压水平，在传输有功功率的同时需要传输一定量的无功功率。当电力线路的传 输能力一定时，传输无功功率越大，则可以传输的有功功率就越小。因此，供电 线路中无功功率传输不仅会导致变送电设备、供电线路、用电设备发热程度加重： 而且还会使电流增大和视在功率增加，从而导致发电机、变压器及其他电气设备 容量和导线容量增加。 ( 2 ) 对电压的影响。对电压的影响主要指电力系统电压的稳定性可直接反映 电网无功功率的平衡状况。若系统的无功电源比较充足，系统就有较高质量的电 压水平。反之如果无功功率不足，系统只能在较低质量的电压水平下运行。当无 功功率损耗较大时，容易造成负荷中心缺乏快速的无功支撑，以致电压偏低甚至 电压崩溃，影响系统运行的稳定性。 ( 3 ) 对工农业生产的经济性影响。无功功率的存在降低了功率因数，增加了 电网损耗，加大了生产成本，降低了生产率。 ( 4 ) 产生谐波问题。电网中的电流与电压的相位不同相，会产生谐波分量， 导致供电网络电压不稳定和谐波干扰增大。 1 1 3 无功的治理 对无功的治理主要有两个方面，一是采用无功补偿装置进行无功补偿n 们，这 是补偿无功功率的最彻底的方法；二是采取适当措施，设法提高系统自然功率因 数n 引，这种方法往往与无功补偿装置配用。 从无功需求的特点来说，不仅整个电力系统安全、稳定运行需要无功功率而 且网络组件和负载也需要无功功率。显然，这些无功功率由发电机提供并经过长 距离传送是不合理的，通常也是不现实的。合理的补偿方法是在需要消耗无功功 率的地方产生无功功率，即按照“分级补偿，就地平衡的原则合理布局无功补 偿装置。本着安全、经济、稳定的原则从控制范围上将无功补偿装置的布局分为 低压个别补偿、低压集中补偿、高压集中补偿。下面简单介绍这3 种补偿方式的 适用范围及使用方式进行比较。 ( 1 ) 低压个别补偿 根据个别用电设备对无功需要量的大小将单台或多台无功补偿装置就地与用 电设备并接，通过控制装置与用电设备同时投切。随机补偿适用于补偿个别大容 量且连续运行的无功消耗。优点：就地平衡无功，电能质量得以保证；配置方便 灵活、维护简单、事故率低。缺点：无功补偿设备利用率低。 ( 2 ) 低压集中补偿 将无功补偿装置并联在低压母线侧( 配电变压器) ，根据母线上无功负荷的 多少自动补偿。优点：运行维护工作量小，就地平衡无功，配变利用率高，网损 低，经济性高。目前比较常用。 2 硕十学位论文 ( 3 ) 高压集中补偿 将无功补偿装置安装在变电所一次或二次侧的母线进行补偿，适用于高压输 电等场合。无功补偿装置自动检测无功的大小自动补偿，提高了功率因数( 用户) ， 补偿效益高。 提高自然功率因数：不增添任何补偿设备，仅采取技术上、管理上的措施来 减少用电设备消耗的无功，具体说来主要有以下几种方法。 ( 1 ) 将有感性无功需求和容性无功需求的设备合理搭配使用；! ( 2 ) 合理使用电动机。对于恒速长期运行的大型设备应采用同步电动机作为 动力； 。 ( 3 ) 合理选择配变容量，改善配变的运行方式，改善电网的自然功率因数。 总之，采用无功补偿装置在治理无功中占主导地位，提高系统自然功率因数的 方法往往只是伴随无功补偿装置一起使用。因此对于无功补偿装置进行研究具有 相当重要的实际意义。 1 2 无功补偿装置的发展过程和s v c 、s v g 优劣性比较。 一 1 2 1 f a c t s 的简介 柔性交流输电系统( 以下简称f a c t s ) 是美国电力研究所( e l e c t r i cp o w e r r e s e a r c hi n s t i t u l e ，e p r i ) n g h n i g o r n a i 博士于1 9 8 6 年首先提出。它具有控制速 度快、控制灵活、可靠性高、可连续调节、可迅速改变潮流分布等优点。近年来 成为电力系统稳定控制的一个重要研究方向n4 1 。 目前，主要的f a c t s 装置包括三大类。第一类为并联装置，如静止无功补 偿器( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ，s v c ) ，它能够根据无功功率的需求自动补偿；静止 无功发生器( s t a t i cv a rg e n e r a t o r ，s v g ) ，它是最新出现的一种并联补偿装置，这 是本文研究的主要对象。第二类为串联装置，如静止同步串联补偿器( s t a t i c s y n c h r o n o u ss e r i e sc o m p e n s a t o r ，s s s c ) 、晶闸管控制串联电容器( t h y r i s t o r c o n t r o l l e ds e r i e s c a p a c i t o r ，t c s c ) 等。第三类为混合装置，如统一潮流控制器 ( u n i t e dp o w e rf l o wc o n r t o l l o r ，u p f c ) 、相间潮流控制器( i n t e r p h a s ep o w e r c o n t r o l l e r ，i p c ) 等。h 钔 1 2 2 无功补偿装置的发展过程 在初期的小规模交流电网中，通过调节发电机的励磁电流来实现无功调节。 随着电网规模的扩大，逐步发展到无功补偿装置。电力系统中的无功补偿装置从 最早的电容器开始发展到今天的s v c 、s v g ，历经了电容器、同步调相机、现代 静止无功补偿装置等几个不同的阶段乜1 2 1 引。具体情况如图1 1 所示。 3 静l 卜无功发生器( s v g ) 研究及应用 无 补 偿 装 置 早期 无功 补偿 装置 现代 无功 补偿 装置 电容器补偿 同步调相机 饱和电抗器 静止无功补 偿器s v c 静止无功发 生器s v g 晶闸管投切电抗器 t c r 晶闸管投切电容器 t s c 晶闸管控制电抗器+ 固定电容f c 机械投切电容m s c 各种装置的混合 t c r + f c ，t c r + m s c 图1 1 无功补偿装置发展概况图 由于早期的补偿器都存在着各自的缺点，现在都基本上都退出了历史舞台， 现代的无功补偿装置主要是s v c 和s v g 。但是s v c 由于其呈恒阻抗特性，调节 范围窄，在低电压状态下无法提供电网所需的无功，因此应对电力突发事件的能 力较弱。 2 0 世纪8 0 年代以来，一种更为先进静止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，称之为静止无功发生器。静止无功发生器 ( s v g ) 在美国被称为s t a t c o n ，即静止调相机( s t a t i cc o n d e n s e r ) ；在欧洲多称 为先进静止无功补偿器( s t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ) 简称s t a t c o m ；在日本 过去则称为静止同步补偿器( a d v a n e e ds t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ) ，简称a s v g ；国 内现有文献中大部分称为静止无功发生器( s t a t i cv a rg e n e r a t o r ) 简称s v g n 引。 本文采用国内通称的静止无功发生器( s v g ) 。 s v g 集中了微电子技术、智能控制技术和电力电子技术的优点，克服了传统 无源补偿装置响应速度慢、体积大、谐波和损耗大、用材多、易振荡等缺点。s v g 具有反应快速、无功调节平滑等优点，对欠压条件下的无功、冲击性无功仍具有 较强地调节能力，同时还具有谐波抑制、电压调整等功能，是电力系统中新型节 能电器。s v g 是提高电力系统静、动态功率因数和提高电压稳定性的理想装置， 具有极其重要的工程应用价值。因此，s v g 是真正意义上的无功补偿装置，代表 了电力系统动态无功补偿的发展，具有十分广阔的市场潜力。 1 2 3s v c 和s v g 优劣性比较 在线性运行范围内，s v g 和s v c 的u 川寺性及在补偿功能方面的特性相似； 但另一方面，由逆变器构成的无功发生器s v g 的运行功能相当于并联在线路上的 硕十学位论文 同步电压源，而由晶闸管控制电抗器( t c r ) 和晶闸管投切电容器( t s c ) 组成 的s v c 与电网并联时，它相当于可控的无功电抗。从基本运行差异来看，s v g 具有电压源特性，s v c 具有无功电抗特性，因而s v g 的整体性能比s v c 优越， 其应用的灵活性也比s v c 好n 屯19 2 0 1 。 ( 1 ) s v g 、s v c 的u 门阳叽q 特性比较 s v g 具有图1 2 ( a ) 所示的玑川寺性和图1 3 ( a ) 所示的u q 特性，它一般 安装在耦合变压器后面，作为一种电压源。由图可见，s v g 的运行可以超出它的 全额电流输出范围，甚至在非常低的系统电压作用下，也能够维持它的输出电流 不变。理论上可以是零电压，但一般指系统电压为0 2 p u 。也就是说，s v g 的最 大容量性或感性输出电流可以不依赖交流系统电压，它输出或吸收的最大无功容 量会随着交流系统电压的改变而线性变化。 与s v g 相比、s v c 由晶闸管投切电容和电感所组成，在完全输出时就变成了 固定的容性导纳。因此，s v c 可达到的最大补偿电流随交流电压的降低而线性减 少，而它的最大无功输出则与该电压的二次方成正比，图1 2 ( b ) 和图1 3 ( b ) 即为s v c 的输出电流、输出无功与端电压的关系。s v g 之所以优于s v c ，主要表 现在当系统出现大的扰动时，s v g 能够支撑电压，而这种大的扰动有可能使电压 的偏移远远超出补偿器线性的运行范围。在电压严重下降的情况下仍能提供最大 的补偿电流性能，使s v g 在各种应用中与较高额定值的s v c 所表现出的暂态补偿 能力差不多相等。因此，为了保证相应的暂态性能，s v c 的容量一般应选得大一 些。， 图1 2 ( a ) 和图1 3 ( a ) 表明，s v g 可以增加感性或容性暂态运行的额定容量， 至于增加多少，则取决于所使用的功率半导体器件的额定值。s v c 则无法增加它 的暂态无功输出，这是因为它能提供的最大容性补偿电流受到它的容量大小和系 统电压幅值的严格限制。而s v g 在容性运行范围可达到的最大瞬时过电流，完全 取决于所使用的功率半导体器件的最大关断电流。： s 1 j 1 ，。 f 十一：， 瞬时颧壅彳 - - - q - 杉少一1 影乒 一 - 1 0 1 6 l i - - 4 - - 4 , 吾 一 一 二孑詈二斗 一： 乏影十 一1 ! ! ；， 一 瞬时额定( t l ；) ， ，? 一_ p 1 雾0 7 荔7 i g， 励。 a )b ) 图1 2s v g 和s v c 的w 特性比较 a ) s v g 的w 特性图b ) s v c 的w 特性图 5 馨 毪 ；| 雩 静i 卜无功发生器( s v g ) 研究及虑用 j| u ， 彩 瞬日t 额窟 1 0 彳0 9 v 彳 悟 悟 k ：厂 f 慕 o l 瞬时额定( t i s ) 图1 3s v g 和s v c 的u - q 特性比较 a ) s v g 的u - q 特性图b ) s v c 的u - q 特性图 ( 2 ) s v g 、s v c 暂态稳定性比较 s v g 在系统电压很低时能够保持输出全部容性电流的能力，使得它在改善 系统的暂态稳定性方面比s v c 更加有效，特别是对第一振荡周期所发挥的稳定作 用。 ( 3 ) s v g 、s v c 响应时间比较 s v g 的典型响应时间为2 0 0 3 5 0 p s 、而s v c 响应时间在2 5 5 0 m s 。 ( 4 ) s v g 、s v c 交换有功功率的能力比较 s v g 可以通过适当的储能接口与交流系统交换有功功率，s v c 无法实现这一 功能。 ( 5 ) s v g 、s v c 在不平衡交流系统运行下的性能比较 对于s v c ，在不平衡交流系统情况下，每相都必须建立一个相同并联导纳的 控制，因此每相的补偿电流就可能不同。这样会产生三次谐波，需要安装滤波器。 而s v g 的直流侧和交流侧的瞬时功率任何时候都相等，则不会出现这样情况。 ( 6 ) s v g 、s v c 实际尺寸与安装的比较 从设备安装角度来看，由于s v g 不