SVG市场前景分析

电抗器事业部研发二部SVG技术及市场前景分析一、无功补偿的发展与背景随着现代工业和电力电子的迅速发展，大量具有运行功率因数低、非线性、非对称性和冲击性等特点的工业用电设备和民用设备接入配电网中。由此造成了电网系统电压波动，电压三相不平衡，影响了其他用电设备的正常运转和用电的经济性，使得电能质量问题日益严重。在电力系统中，由于电感和电容的存在，系统中不仅存在着有功功率，而且还存在着无功功率。无功功率是在电源和储能元件之间来回交换的变动功率，无功功率并不是无用功率，而是电能传输和转换过程中建立电磁场和提供电网稳定不可缺少的功率之一。电力系统网络元件的阻抗主要是感性的。而越来越多的大型工业设备对于电网来说也呈现出感性的负载特性。因此负载消耗的无功功率会导致送电端和受电端的电压有一定的差值。这个电压降落将会使电网的视在功率增大，对整个电网系统造成如下的负面影响：（1）电网总电流增加，从而使变压器、电器设备、导线等容量增大，因而使初期投资费用增大。在传送同样有功功率的情况下，总电流的增大，使设备和线路的损耗增加。（2）电网的无功容量不足，会造成受电端的供电电压过低，影响正常工业和生活用电；反之，如果无功容量过剩，会造成受电端供电电压过高，如果供电电压长期高于额定电压的话，会缩短用电设备的使用寿命。（3）降低了电网的功率因数，造成大量的电能损耗。理想电网的功率因数为1，所有的功率都做了有用功，当功率因数由1下降到0.7时，电能中的一半都做了无用功。（4）对于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。为了保证转子绕组的正常运行，不允许发电机达到预定的出力。此外原动机的效率是按照有功功率来衡量的，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。同一等级电压的电网中，电压高低直接反映本级电网中的无功平衡，是电能质量的重要考核指标。为使负载在额定电压下正常运转，这个差值越小越好。合理的方法就是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，这就是无功补偿。这样从整个系统外边来看它们合起来消耗的无功功率为零。无功补偿对于供电系统和负载运行都是十分重要的。无功补偿的主要作用和意义有：（1）提高供用电系统及负载的功率因数，低压就地无功补偿后，功率因数可提高到0.9以上，对负荷稳定的功率因数可接近0.95以上。从而可以降低设备容量，减少功率损耗。（2）稳定受电端及电网电压，提高供电质量，改善输电系统稳定性，提高输电能力。在电路中的电能损失与线路中传输的有功功率、无功功率以及线路本身的电阻和电抗成正比，补偿以后对于线路来说无功功率减小了，因而电压跌落就减小了，电能质量就提高了。（3）在电气化铁道等三相不平衡的场合，采用分相补偿的方法，通过适当的无功补偿可以平衡三相的有功及负载。2、无功补偿发展现状在配电网中的无功补偿设备从最早的电容器开始，历经了电容器、同步调相机、静止无功补偿器（Static Var Compensator，SVC），直到静止无功发生器（SVG）几个不同阶段，如图1.1所示：图示 无功补偿装置的发展（1）无功补偿电容器的优点是原理简单，安装、运行维护都很方便。但是，它只能补偿感性无功，且不能连续调节，无法实现无级补偿，电容只能全部投入或切除，只能补偿固定的无功功率，即使通过投切组数来改变这个固定值，这种改变也是阶梯型的，更重要的是它有负电压效应，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（Synchronous Condenser，SC）是传统的无功功率补偿装置，其无功输出可以通过调节励磁电流而连续控制。当同步调相机接入交流电网中后，在欠励磁的情况下其行为类似于电抗器，从交流电网中吸收无功功率；而在过励磁情况下，其作用类似于电容器，向交流电网注入无功功率。正常运行时，同步调相机的机端电压等于系统电压，励磁电流为基准电流，此时同步调相机处于浮空状态，与系统没有无功功率交换。自二三十年代以来的几十年来，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。然而它的损耗和噪声大，运行维护复杂以及响应速度慢，所以很多情况下已经无法适应快速无功功率补偿的要求。（3）早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器（Saturated Reactor，SR）型的。这种补偿器是由一个多相的谐波补偿自饱和电抗器与一个可投切电容器并联组成。饱和电抗器对无功功率进行控制，而电容器提供超前功率因数的偏置。简单的铁心饱和电抗器不能作为补偿器来使用，因为它会导致电压电流波形的严重畸变。饱和电抗器的谐波通过采用特殊设计的多路耦合式三三型电抗器来最小化。1967年，英国GEC公司制成了世界上第一批饱和电抗器型无功补偿装置。此后，各国厂家纷纷推出各自的产品。饱和电抗器和同步调相机相比，具有静止型的优点，响应速度快；但是由于其铁心需要磁化到饱和状态，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。（4）电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，将使用晶闸管控制的静止无功补偿装置（SVC）推上了电力系统无功功率控制的舞台。SVC能够自动跟踪负荷的运行情况，通过控制晶闸管的导通角来快速连续调整并联电抗器的大小，从而达到对无功功率的无级补偿，对提高负荷的功率因数、稳定和平衡系统电压有着显著的效果。静止无功补偿装置（SVC）近年来获得了很大发展，已被广泛用于长距离输电的分段补偿，也大量应用于负载无功补偿。1977年美国GE公司首次在实际电力系统中运行了使用晶闸管控制的静止无功补偿装置。1978年，西屋电气公司在美国电力研究院的支持下，制造了使用晶闸管控制的SVC，并投入实际运行。随后，ABB，Siemens，Alstom和三菱公司相继推出了相关产品，而且这些厂商的技术已经很成熟了。经过对国外SVC制造技术二十多年的研究，国内已有像中国电科院电力电子、西安整流器厂、鞍山荣信等公司具备SVC的供货能力，但在技术水平上与国外大公司相比，仍有一定的差距，不过这种差距随着我国自身技术的进步而逐渐减小。认识到科学技术在产品价值中的地位，我公司与2010年组建自己的研发团队，联合西安电子科技大学共同开发自己的SVC，时至今日，我公司首套10kV、6Mvar的TCR+FC已通过出厂试验。然而SVC和SVG相比，尽管SVC日趋成熟，但是较SVG的性能并不具备优势。随着电力电子技术的进一步发展，20世纪80年代以来，静止无功发生器（SVG）在电力系统中得到了应用。SVG是一种采用自换相变流电路的静止无功补偿装置。简单的说，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相位和幅值，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。序号指标补偿电容SCSRSVCSVG1控制范围容性感性和容性感性和容性感性和容性感性和容性2控制性质级差连续连续连续连续3响应时间快慢快快快4电压控制有限好好好好5辅助稳定信号无有限无好好6分相控制有限有限有限好好7谐波产生无无很小大小8过电压限制与过负荷能力无很好很好小小9旋转惯性无有无无无10频率偏移敏感无有无无无11损耗小较小，有旋转损耗较小，随着滞相电流的增大而增大较小，随滞相电流的增大而增大小12投入系统快，有暂态过程慢快，有暂态过程快，有暂态过程快，有暂态过程13噪声小大大小小14投资低高中中高15技术成熟度好好好好一般各种类型的无功补偿装置参数比较如上表所示。由表中可以看出SVG在无功补偿的性能方面比其他无功补偿装置都要好，但SVG的控制方法和控制系统要复杂得多。二、SVG无功补偿装置的应用场合凡是安装有低压变压器地方及大型用电设备旁边都应该配备无功补偿装置（这是国家电力部门的规定），特别是那些功率因数较低的工矿、企业、居民区必须安装。大型异步电机、变压器、电焊机、冲床、车床群、空压机、压力机、吊车、冶炼、轧钢、轧铝、大型交换机、电灌设备、电气机车等尤其需要。居民区除白炽灯照明外，空调、冷冻机等也都是无功功率不可忽视的耗用对象。农村用电状况比较恶劣，多数地区供电不足，电压波动很大，功率因数尤其低，加装补偿设备是改善供电状况、提高电能利用率的有效措施。三、SVG无功发生器的优势1、补偿方式：国内的无功补偿装置基本上是采用电容器进行无功补偿，补偿后的功率因素一般在0.8-0.9左右。SVG采用的是电源模块进行无功补偿，补偿后的功率因素一般在0.98以上，这是目前国际上最先进的电力技术；2、补偿时间： 国内的无功补偿装置完成一次补偿最快也要200毫秒的时间，SVG在5-20毫秒的时间就可以完成一次补偿。无功补偿需要在瞬时完成，如果补偿的时间过长会造成该要无功的时候没有，不该要无功的时候反而来了的不良状况；3、有级无级： 国内的无功补偿装置基本上采用的是310级的有级补偿，每增减一级就是几十千法，不能实现精确的补偿。SVG可以从0.1千法开始进行无级补偿，完全实现了精确补偿；4、谐波滤除： 国内的无功补偿装置因为采用的是电容式，电容本身会放大谐波，所以根本不能滤除谐波。SVG不产生谐波更不会放大谐波，并且可以滤除50%以上的谐波；5、使用寿命： 国内的无功补偿装置一般采用接触器或可控硅控制，造成使用寿命较短，一般在三年左右，自身损耗大而且要经常进行维护。SVG使用寿命在十年以上，自身损耗极小且基本上不要维护。四、为什么要使用无功补偿装置无功补偿技术是一种很传统的电力技术，它代表了一个国家电力水平的高低。无功补偿通俗的讲就是将低压变压器传输过来的无用功转变为有用功。这样：（1）减少线路损耗50%以上。就全国讲，线路损耗约占据12%，其中主要是无功分量引起的损耗，若无功线损降低50%60%，一年便可节电500亿度左右，相当于半个三峡工程的发电量。这种不消耗一次能源，便可增大发电量的工程是绝好的绿色工程。且投资极小，见效快。（2）避免罚款。我国电力部及物价局“关于颁发功率因数调整电费办法通知”中规定，功率因数0.94时，减少电费1.1%，功率因数0.6时增加电费15%.例如一个315KVA的变压器，功率因数从0.6提高到0.94以上，年奖罚差万元。（）不额外投资，便实现扩容。进行无功补偿后，便可提高用电承载率，变压器可满负荷运行。例如一台的变压器，功率因素COS=0.6负荷的变压器只能提供优质服务189KW的有功功率，不能承受300KW左右的容量，需购买一台500KVA的变压器替换。将功率因数由0.6提高到0.98，相当于扩大了63%,既有功由189KW提高到309KW可基本满足需要的容量，便节省了一台500KVA的变压器，经费约三四十万元。（4）改善电能质量，延长了电器寿命，提高了产品质量。五、SVG简述1、SVG 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到电网上,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。典型的电压型SVG 的工作原理是：以二极管构成的整流桥从交流系统中吸取少量有功功率,对直流侧电容充电,保持电压稳定。控制器根据电网无功变化情况,通过6个全控型开关器件构成的三相逆变器向系统输入感性或容性无功。通过调节（为SVG 输出电压与U 的夹角的大小）就可以控制SVG 注入系统的无功功率。下图为上海50Mvar、35kV SVG示范工程系统图2、SVG技术先进SVG 可动态快速连续调节无功输出，最大限度满足功率因数补偿要求，任意时刻的功率因数达到0.981.0。和其他补偿设备比较起来，其具备以下优势与特点：(1) 补偿性能强：动态快速连续调节无功输出，最大限度满足功率因数补偿要求，任意时刻的功率因数接近 1.0，而且同容量的SVG 型补偿效果比TCR 型高1.2 倍左右，设备投资效益高。(2) 谐波特性好 ：和TCR 相比，SVG 不产生谐波电流，而且能有效滤除矿井提升机等产生的各次谐波电流，很好的满足了煤矿无功补偿与谐波治理的综合需求。(3) 占地面积小：由于自身没有谐波，不需要滤波器组，占地面积大大减小。只有 TCR 型补偿的一半以上。(4) 运行损耗低，效率高，噪音低。(5) 可靠性高，维护量小：满足IGBT 功率模块N+1 运行方式，一个模块故障可旁路继续运行，可靠性大大提高。模块化设计，安装、调试工作量小，基本免维护。3、SVG 控制方法SVG 的电流控制包括无功补偿电流和有功电流的控制。无功补偿电流控制用于产生所需的无功补偿电流, 有功电流控制用于补偿有功损耗。SVG的控制器通常由内环控制器和外环控制器两部分组成,外环控制器主要通过一定的检测方法产生补偿电流的参考值,内环控制器的基本任务是产生一个同步的驱动信号,从而在装置的实际输出电流和参考电流之间建立一种线性的关系。正是在从补偿电流参考值调节SVG 产生所需补偿电流的具体控制方法上,可以分为间接控制和直接控制两大类。电流间接控制。所谓间接控制,就是将SVG 当交流电压源看待,通过对交流器输出电压基波的相位和幅值进行控制, 来间接控制SVG 的交流侧电流,具体实施时有两种方案可供选择。控制分为单控制、电流直接控制。电流直接控制的基本思想是使用适当的PWM 策略对系统的瞬时无功电流进行处理，然后使用该PWM脉冲信号去驱动变流器中可控电力电子器件的门极。从而控制变流器的输出电流瞬时值与系统的瞬时无功电流在允许的偏差范围内。近年来，由于控制理论的发展，出现了许多较新的控制方法，如：智能控制、神经网络控制和专家控制等，相信以后这些控制方法将在SVG 控制中产生巨大的作用。4、发展历程日本关西电力公司与三菱电机公司共同研制并于1980 年1 月投运了世界上首SVG 的样机,容量为20Mvar。1986 年10 月,由美国国家电力研究院和西屋公司研制的1Mvar 的SVG 装置投入运行,这是世界上首台采用大功率GTO 作为逆变器元件的静止补偿器。随后,1991 年和1994 年,日本和美国又相继研制出80Mvar 和100MvarSVG。1995 年,清华大学和河南电力局共同研制出了我国第一台SVG,容量为100kvar,开辟了我国研制补偿设备的先河。2000 年,清华大学和河南电力局又成功研制出一台20Mvar 的SVG 并投入电网运行。5、发展方向目前, 国内外研制的SVG 装置大都是基于GTO 器件的二电平压型逆变器。虽然GTO 耐压高、容量大,但需要专门的缓冲电路,且损耗大。鉴于上述原因，将新技术、新材料用于SVG 以改善其性能的研究一直没有中断过，并且已经取得初步进展，这为SVG 未来的发展指明了方向。新的电力电子器件在SVG 中的应用。目前在IGBT 基础上发展而成的新一代大功率器件，即电子注入增强门极晶体管(IEGT) 已进入实用阶段。IEGT 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SVG 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。新技术新材料在SVG 中的应用。电流型逆变器CSI 应用范围相对于电压型逆变器VSI 小得多,对其研究工作也相对较少。随着高温超导技术突破性的发展