SVG的特点和优势

1 SVGSVG 的原理 特点及优势的原理 特点及优势 1 1 静止无功补偿技术介绍 静止无功补偿技术介绍 静止无功补偿技术经历了 3 代 第 1 代为机械式投切的无源补偿装置 属于慢速无 功补偿装置 在电力系统中应用较早 目前仍在应用 第 2 代为晶闸管投切的静止无功 补偿器 SVC 属无源 快速动态无功补偿装置 出现于 20 世纪 70 年代 国外应用普 遍 我国目前有一定应用 主要用于配电系统中 输电网中应用很少 第 3 代为基于电 压源换流器的静止同步补偿器 Static Synchronous Compensator STATCOM 亦称 SVG 属快速的动态无功补偿装置 国外从 20 世纪 80 年代开始研究 90 年代末得到较广 泛的应用 早期的无功补偿装置主要是无源装置 方法是在系统母线上并联或者在线路中串联 一定容量的电容器或者电抗器 这些补偿措施改变了网络参数 特别是改变了波阻抗 电气距离和系统母线上的输入阻抗 无源装置使用机械开关 它不具备快速性 反复性 连续性的特点 因而不能实现短时纠正电压升高或降落的功能 20 世纪 70 年代以来 以晶闸管控制的电抗器 TCR 晶闸管投切的电容器 TSC 以及二者 的混合装置 TCR TSC 等主要形式组成的静止无功补偿器 SVC 得到快速发 展 SVC 可以看成是电纳值能调节的无功元件 它依靠电力电子器件开关来实现无功调节 SVC 作为系统补偿时可以连续调节并与系统进行无功功率交换 同时还具有较快的响应速 度 它能够维持端电压恒定 SVC 虽然能对系统无功进行有效的补偿 但是由于换流元件关断不可控 因而容易产 生较大的谐波电流 而且其对电网电压波动的调节能力不够理想 随着大功率全控型电 力电子器件 GTO IGBT 及 IGCT 的出现 特别是相控技术 脉宽调制技术 PWM 四象限 变流技术的提出使得电力电子逆变技术得到快速发展 以此为基础的无功补偿技术也得 以迅速发展 静止同步补偿器 作为 FACTS 家族最重要的成员 在美国 德国 日本 中国相继得到成功应用 电压型的 STATCOM SVG 直流侧采用直流电容为储能元件 通 过逆变器中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 当只考虑基波频率时 STATCOM 可 以看成一个与电网同频率的交流电压源通过电抗器联 到电网上 由于 STATCOM 直流侧电容仅起电压支撑作用 所以相对于 SVC 中的电容容量 要小得多 此外 STATCOM 和 SVC 相比还拥有调节速度更快 调节范围更广 欠压条件下 2 的无功调节能力更强的优点 同时谐波含量和占地面积都大大减小 2 2 SVGSVG 的原理的原理 SVG的基本原理是利用可关断大功率电力电子 器件 如 IGBT 组成自换相桥式电路 经过电抗器 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 和变频器及 UPS 是一类 的产品 特别是高压变频器 其主电路基本一样 国内做高压变频器的厂家很多 其可靠性已经得到很好的验证 SVG 可以对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿 其由两大部分组成 即指令电流运算电路和补偿电流发生电路 由电流跟踪控制电路 驱动电路和主电路三部 分构成 其中 指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流 分量 因此有时也称之为谐波和无功电流检测电路 补偿电流发生电路的作用是根据指 令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号 产生实际的补偿电流 主电路采用多重化 的 PWM 变流器 SVG 采用基于瞬时无功功率理论的无功电流检测方式 逆变主电路采用 IGBT 组成的 H 桥功率单元级联拓扑结构 并辅助以小容量储能元件 它由几个电平台阶合成阶梯波以 逼近正弦输出电压 这种逆变器由于输出电压电平数的增加 使得输出波形具有更好的 谐波频谱 并且每个开关器件所承受的电压应力较小 不需要均压电路 可避免大 dv dt 所导致的各种问题 因此这种逆变器可称为 完美无谐波 变流器 3 3 SVGSVG 的技术特点的技术特点 3 13 1 PWM 控制策略 为了保证各逆变桥输出基波电流相位 相等并有效地消除低次谐波 采用了基于载 波移相的空间矢量调制 S V M 控制策略 S V M 的基本原理是选择与参考电压矢量 3 090180270360 a12 a13 a91 a92 a93 vo1 vo2 vo3 vo4 vo5 vo6 vo7 vo8 vo9 vo10 a21 a22 a23 a31 a32 a33 a41 a42 a43 a51 a52 a53 a61 a62 a63 a71 a72 a73 a81 a82 a83 a101 a102 a103 090180270360 10 5 0 5 10 最接近的3 个开关矢量 并控制它们的作用时间 使得一个控制周期内开关矢量输出的平 均效果与参考电压矢量相等 它具有开关模式灵活 易于数字实现和较低开关频率下也 可以实现较好输出波形的优点 数字信号处理器 D SP 根据主控制器的调制比 M 和相角差 生成参考电压矢量 按 照参考电压分解的调制方法计算各开关状态和作用时间 并通过数据总线发送给 F P G A 从而决定各桥臂开关的脉冲 脉冲经分配处理后驱动 IG B T 如果采用基于载波移相的 SV M N 个逆变桥载波相互错开 2 N 角度 总的输出电压可以有效地消除低次谐波 SVG 的输出波形 3 23 2 瞬时无功控制策略 SVG 是基于瞬时无功功率理论的方法 在只检测无功电流时 可以完全无延时地得 出 检测结果 检测谐波电流时 因被检测对象电流中谐波的构成和采用的滤波器的不同 会有不同的延时 但延时最多不超过一个电源周期 对于电网中最典型的谐波源 三相 桥整流器 其检测延时约为 1 6 周期 可见该方法具有很好的实时性 以瞬时电流控制器为基础 采用链式 SVGM 补偿不平衡负载时 需要获得逆变器三相 电压以及参考电流 对于三角接线的链式 SVG 三相电压为接入点系统线电压 而参考电 流则需进行计算 从电纳补偿原理出发 可知对不平衡负荷补偿时 三角接线环内存在 零序电流分量 考虑链式 SVG 三相电容电 压的控制 对逆变器参考电流进行了计算 结合瞬时电流控制器 可得到三角形连接 的链式 SVG 对不平衡负荷补偿的分相瞬时 电流控制 该控制方法可以适应系统电压 4 不平衡工况 3 33 3 谐波电流补偿 当需要补偿负载所产生的谐波电流时 SVG 检测出补偿对象负载电流的谐波分量 将其反极性后作为补偿电流的指令信号 由补偿电流发生电路产生的补偿电流与负载电 流中的谐波分量大小相等 方向相反 因而两者互相抵消 使得电源电流只含基波 不 含谐波 3 43 4 SVG 的链式结构 SVG 动态补偿装置采用了链式结构 将多个两电平H 桥电路串联起来 达到电压叠 加的目的 与传统的多重化变流器技术方案相比 链式结构的SVG省略了多重化连接变压 器 不但减小了占地面积 降低了装置成本 而且避免了多重化逆变变压器激磁回路中 剩磁和饱和非线性导致的装置过电压和过电流 在接入系统受到扰动时 链式电路可以 分相进行控制以便更好地提供电压支撑作用 不仅如此 采用链式结构的SVG还可以降低 功率器件的开关频率 大大降低开关损耗 选用链式结构 每相作为一个独立的链 由N 个结构完全相同的链节单元串联而成 具有以下特性 1 增加链节数即可以提高装置容量 2 链式SVG 可以独立分相控制 有利于解决系统的相间平衡问题 在系统受到扰动 时 更好的提供电压支撑 3 降低可关断器件的开通频率 降低器件损耗 4 各链节结构一致 实现模块化设计 便于扩展装置容量 5 每相设有冗余链节 在模块故障时可以自动旁路模块 装置能继续运行 提高装 置的可靠性 6 采用电抗器接入电网 避免多重化变压器的缺点 7 避免了因开关器件直接串并联使用产生的问题和限制 8 在交流系统平衡和不平衡的状态下 链式的谐波特性优于其它结构 采用 SPWM 正弦脉宽调制 或SHEPWM 特定消谐 通过高的开关频率或优化的IGBT 开关角极大降低了谐波含量 有效利用直流侧电压 减小对电网的污染和装置自身损耗 并能做到短时有功及谐波补偿 谐波完全符合国标 5 A A B B K U V Ud 控制电路 3 53 5 链节模块 1 模块控制采用大规模 FPGA 芯片载波移相多电平空间矢量 PWM 控制策略 电路简单 抗干扰能力强 可靠性高 2 采用自励起动技术 使得装置投入时冲击电流小 3 模块面板共 4 个电气端子 4 个光纤 端子 接线简单 还设有若干状态及 故障指示灯 方便维护及检修 4 由 IGBT 组成的 H 桥电路输出的交流 逆变电压相位和幅值可灵活控制 从 而实现动态提供容性或者感性无功的 功能 3 63 6 SVG 的链式模块串联的均压问题 链节模块的串联是多个逆变电源的串 联 而不是IGBT的直接串联 所以并不需要模块的一致性 而且每个模块的脉冲是错一 定的角度 即IGBT并非同时导通 所以产生过电压的机会并不多 采用脉冲循环控制机 制 直流侧电压波动在5 范围之内 链节模块运行有两种状态 启动过程及无功补偿过程 1 启动过程为静态均压 由模块所并联的电阻完成 合理配置电阻保证模块不过 压 从而保护了 IGBT 2 无功补偿过程为动态均压 通过 IGBT 的驱动脉冲的控制 维持直流电容的电 压 保证 IGBT 不承受过电压 检测直流电压超过允许值立即封锁脉冲 3 73 7 SVG 运行方式 SVG装置有四种运行方式 1 开环调试控制 2 为无功补偿控制 3 为电压稳定 控制 4 负荷补偿控制 1 开环调试 该方式用于装置未正式投运前 通过改变装置输出的调制比和 或与系统电压的相位 偏移角度 观察无功的变化 测试装置的开环无功输出性能 6 2 恒无功 该方式用于令装置输出恒定大小的无功 通过这种方式可以测量装置跟踪无功的准 确性和阶跃响应速度 3 恒电压 该方式用于将系统的电压稳定在一定水平的场合 装置以系统的电压稳定在用户设 定电压值为目标调节装置的无功输出 当系统电压低于用户设定的电压参考时 装置输 出容性无功以提升系统电压 当系统电压高于该值时 装置输出感性无功以降低系统电 压 本方式中还提供了母线电压下限和变化率上限的控制参数 当系统电压值或变化率 超限时 装置满容量输出容性无功以迅速支撑系统电压 4 负荷补偿 运行于该方式时 装置通过检测负荷侧的电流自动调节电流输出 以提高负荷电流 的电能质量 有三个配置项可任意选择 补基波无功 补负序和补谐波 补谐波可选择 3 21次相应谐波次数的补偿功能 4 4 SVG 产品技术特点 4 1 具有自主知识产权 技术领先 4 2 装置由控制系统 电压源变流器等组成 通过控制逆变移相角 和调制比 M 能连 续改变逆变输出电压 补偿范围宽 既能实现感性补偿又能实现容性补偿 4 3 采用柜式结构 具有安装周期短 运输方便 调试周期短 4 4 控制系统采用全数字化设计 采用 DSP FPGA CPLD 的硬件模式 能够并行处理大量 数据 实时数字运算 运算结果精度高 DSTATCOM 响应速度快 4 5 逆变装置采用强制风冷散热方式 该种散热方式效率高 体积紧凑 可以充分利用 IGBT 等元器件的容量 4 6 控制系统和逆变器之间的采用光纤传输信号 彻底解决高低压隔离问题 避免电磁信 号的干扰 SVG 工作更加稳定可靠 4 7 保护系统则采用了分级保护策略 将数字保护 逻辑硬件保护和继电保护融为一体 为装置的安全运行提供了有力的保障 7 4 8 监控系统采用工业控制计算机 由多个处理单元组成 通过分层式的结构组成方式实 现对多个监控量的采集与监控 控制系统具有多重监控及保护功能 完成在系统各种异 常情况下的可靠保护 4 9 监控系统具有友好的人机界面 便于控制和查询故障类型和故障位置 4 10 监控及保护系统通过通讯管理单元与上级自动化系统实现通讯 通讯管理单元主要 完成规约转换的功能 这样可以实现远方监视和控制 实现无人值守 5 5 SVGSVG 的性能特点的性能特点 5 1 动态补偿 可同时对无功功率和谐波进行补偿 且补偿无功功率可做到连续平滑双向调节 5 2 节能降耗 通过无功及谐波补偿 不仅减少无功损耗 避免谐波在变压器内造成更大损耗 还可以提高电气设备利用率 提高单位时间内注入设备的有功功率 工作效率大大 提高 节能降耗的效果显著 3 15 5 3 安全稳定性好 传统的补偿系统均属于阻抗型补偿装置 对系统参数很敏感 当参数配置不合 理 或者一段时间后 系统参数发生变化 很容易引起系统谐振或谐波电流放大 这也是一些传统补偿设备经常运行不正常的重要原因之一 谐振或谐波电流放大不 仅危害补偿系统自身的设备安全 对系统其他设备的安全也是隐患 SVG 是电流可控型 对系统参数不敏感 不会与电网阻抗发生谐振 发生谐波 放大的情况 即使补偿对象电流过大 SVG 也不会发生过载 并能正常发挥补偿作 用 动态连续平滑的发 吸 无功 补偿电流完全可控 不存在过功率因数过补偿 现象 不会出现无功反送的情况 可以避免供电公司的利率电费罚款 能够跟踪电网 频率的变化 故补偿性能不受电网频率变化的影响 8 5 4 响应时间短 传统补偿设备的理论响应时间在 20 40ms 左右 而 SVG 的相应时间不大于 10ms 对于快速暂态过程 有着重要的响应速度优势 对于闪变补偿而言 在无功容量足够的 情况下 补偿装置输出无功的响应时间是闪变补偿效果的主要决定因素 在相同的补偿 容量下 响应时间越小的补偿装置对电压闪变的补偿效果越好 在同等闪变抑制要求下 响应时间越小的补偿装置所需要的补偿容量也越小 5 5 优异的谐波输出特性 SVG 既可以输出近似正弦波的无功电流 不含谐波 用于电网补偿 也可以输出设 定次数的谐波电流 用于负荷谐波滤波 即 SVG 输出电流是完全有源可控的 完全满足 用户的需要 而 SVC 产生大量不可控的谐波电流 又附带大量不可控的无源滤波支路来 实现自身产生的谐波电流的滤波 所以 SVC 的滤波压力比较大 它要滤除本身的谐波 还要滤系统的谐波电流 它产生的谐波与系统的谐波相当 而且有 3 次谐波 对系统不 利 5 6 运行损耗小 SVG 采用新型低损耗 IGBT 功率器件 直接输出电压范围 1kV 35Kv 省去了连接变压 器 装置效率可达 99 以上 而由于损耗曲线特性优于 SVC SVC 空载时损耗达到最大 SVG 的等效运行损耗一般只有 SVC 的 1 3 1 2 等效运行耗电量大大低于 SVC SVGSVG 比比 SVCSVC 节能的原因节能的原因 串联电抗器容量不同 SVC 串联 100 电抗 而 SVG 只串联 6 的电抗 而电抗器损 耗大约为 0 8 的损耗 占主导地位 FC 部分 SVC 的电容容量是 SVG 电容容量的一倍 所以 电容损耗比 SVC 的损耗 小 电容损耗较小 SVC 的可控硅的损耗与 SVG 的 IGBT 的损耗相当 可控硅的损耗比 IGBT 损耗小 但 SVC 部分的可控硅部分的容量是 IGBT 容量的一倍 而且在 SVC 的 0 无功时损 耗最大 100 无功时损耗最小 SVG 在 50 无功时损耗最小 在 100 无功时损耗 9 最大 一般动态无功绝大部分时间工作在 50 无功状态 5 7 占地面积小 SVG 以半导体功率器件构成的逆变器为核心 使用直流电容器储能 无 SVC 中体积庞 大的滤波支路和电抗器 安装尺寸一般只有 SVC 的 1 5 1 3 特别适合于对占地面积要求 较高的场合 XDVAR 系列 SVG 可做成移动式装置 5 8 高可靠性 SVG 采用 N 1 或 N 2 冗余主电路拓扑结构 一个 或两个 链节单元损坏后仍可继续 满负荷运行 在系统短路故障条件下 SVG 可连续稳定运行 而 SVC 因可控硅触发问题可 能发生闭锁推出运行 SVC 使用了大量电容器电抗器 当外部系统容量与补偿装置的容量 可比时 SVC 会产生不稳定性而发生振荡 而 SVG 对外部系统运行条件和结构变化不敏感 SVG 还避免了功率器件的直接串联 5 9 超强补偿能力 SVG 输出电流不依赖于系统电压 表现为恒流源特性 在系统电压跌落到 20 时仍可 以输出额定无功电流 具有更宽的运行范围 而 SVC 输出电流与系统电压成正比下降 使得达到同等补偿效果 SVG 容量可以比 SVC 容量小 20 30 通过对固定电容器组的综合控制 可以更好的满足系统和负荷的补偿范围要求 5 10 多种补偿功能 抑制电力系统过电压 改善系统电压稳定性 提高系统暂态稳定水平 减少低压释放负荷数量 并防止发生暂态电压崩溃 动态地维持输电线路端电压 提高输电线路稳态传输功率极限 阻尼电力系统功率振荡 在负荷侧 能抑制电压闪变 补偿负荷不平衡 提高 负荷功率因数 滤除谐波 5 11 运行维护简单 SVG 实现了模块化设计 安装 调试工作量小 基本免维护 具有可靠的防过补技术 10 措施 避免投切震荡和无功倒送问题 无功动态补偿装置具有可靠的防谐波干扰技术措 施 确保自身不产生谐波 在跟踪负荷变化调节无功功率时 不会发生放大谐波问题 SVG 在自动投切过程不引起过电压 无涌流 无燃弧 使用寿命长 免维护 装置 大功率电力电子元器件具有完善的保护功能 包括但不限于以下类型 直流过压保护 电力电子元件损坏检测保护 丢脉冲保护 触发异常保护 过压击穿保护等 在装置故 障时应提供报警信号 严重故障时应封锁 SVG 驱动脉冲 同时将装置退出运行 6 6 与 与 SVCSVC 比比 SVGSVG 的技术优势的技术优势 6 16 1 设备的先进性设备的先进性 SVC 属于静止无功补偿的早期产品 而 SVG 是其换代产品 即 SVG 代表该领域的发展方向 SVG 是目前最为先进的无功补偿装置 基于电压源型逆变器的补偿装置实现了无功补偿方 式质质的飞跃 它不再采用大容量的电容 电感器件 而是通过电力电子器件的高频开关 实现无功能量的变换 6 26 2 设备的安全性设备的安全性 基于 IGBT 逆变器 为可控电流源型补偿装置 不会发生谐波放大及谐振 对系统参 数不敏感 安全性与稳定性好 SVG 属于阻抗型补偿装置 对系统参数很敏感 当参数配 置不合理 或者一段时间后 系统参数发生变化 很容易引起系统谐振或谐波电流放大 这也是一些传统补偿设备经常运行不正常的重要原因之一 谐振或谐波电流放大不仅危 害补偿系统自身的设备安全 对系统其他设备的安全也是隐患 近年来 SVC 频繁发生电容器烧毁 熔断器群爆等严重事故 致使无功补偿装置长期 不能投运 闲置浪费 SVG 无需大容量的电容器 SVG 相当于系统的一个电源 不改变系 统的阻抗特性 避免了类似的事故发生 保证了可靠地长期在线运行 SVC的TCR部分采用可控硅的直接串联 需要解决器件的均压问题 要求很严格 要 求可控硅必须是同型号 同批次的产品 如果某一元件损害 需要更换同一桥臂的所有 元件 使维护困难 而SVG是链节模块的串联 是多个逆变电源的串联 而不是IGBT的直 接串联 所以并不需要模块的一致性 而且每个模块的脉冲是错一定的角度 即IGBT并 非同时导通 所以产生过电压的机会并不多 采用脉冲循环控制机制 直流侧电压波动 在5 范围之内 11 采用 H 桥串联的链式结构 直接接入 6kV 10kV 35kV 系统 成本降低 而且具备 N 1 冗余结构 每相一个链节单元损坏后仍可继续满负荷运行 装置自身运行可靠性高 6 36 3 设备的快速性设备的快速性 响应速度更快 SVG 响应时间 10ms SVC 响应时间 20ms SVG 可在极短的时 间之内完成从额定容性无功功率到额定感性无功功率的相互转换 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 SVG 的硬件系统采用了 IGBT 可迅速关断的器件 软件系统采用了瞬时无功算法 响应时间被缩短在 10ms 以内 SVC 的硬件系统采用的是 电流过零才能关断的晶闸管 软件系统采用的平均值算法 因此响应时间在 40ms 以上 SVG 对电压闪变抑制能力更强 SVC 对电压闪变的抑制最大可达 2 1 SVG 对电压闪 变的抑制可以达到 5 1 甚至更高 SVC 受到响应速度的限制 其抑制电压闪变的能力 不会随补偿容量的增加而增加 而 SVG 由于响应速度极快 增大装置容量可以继续提高 抑制电压闪变的能力 而对于电炉要求响应速度更高 SVC 抑制电炉闪变的效果并不好 6 46 4 设备的谐波特性设备的谐波特性 SVG 不仅不产生谐波 而且同时具备谐波补偿功能 在动态无功补偿的同时 可对 13 次以下的谐波进行滤除 SVG 采用了载波移相 PWM 技术和功率单元串联多电平技术 自身产生的谐波含量极低 装置输出侧无需滤波器 而 SVC 中 TCR 在补偿无功功率同时 产生大量谐波 其产生的谐波甚至比系统本身的谐波还大 这就要求装设大容量的无源 滤波器 而且滤波效果受到限制 而 SVG 本身不产生谐波 只要滤除系统本身的谐波即 可 滤波容量减小一半 滤波效果更好 6 56 5 设备的节能特性设备的节能特性 SVG 采用新型低损耗 IGBT 功率器件 直接输出电压范围 1kV 35Kv 省去了连接变压 器 装置效率可达 99 以上 而由于损耗曲线特性优于 SVC SVC 空载时损耗达到最大 SVG 的等效运行损耗一般只有 SVC 的 1 3 1 2 等效运行耗电量大大低于 SVC SVGSVG 比比 SVCSVC 节能的原因节能的原因 12 串联电抗器容量不同 SVC 串联 100 电抗 而 SVG 只串联 6 的电抗 而电抗器损 耗大约为 0 8 的损耗 占主导地位 FC 部分 SVC 的电容容量是 SVG 电容容量的一倍 所