基于MATLAB的SVG型静止无功补偿器稳定系统电压的理论研究

1、基于MATLAB的SVG型静止无功补偿器稳定系统电压的理论研究（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）摘要：随着电力电子设备、交直流电弧炉和电气化铁道等非线性、冲击性负荷的大量接入电网，引起了电网无功功率不足、电压波动与闪变、三相供电不平衡以及电压电流波形畸变等其它一系列电能质量问题，并严重威胁着电力系统的安全稳定运行。静止无功发生器(Static var Generation，简称SVG)适于实时补偿冲击性负荷的无功冲击电流和谐波电流。IGBT、GTO 等电力电子元件的开发，使大功率高电压的变流器的应用可靠性有了显著提高, 而且由于采用了微处理机和大规模集成电路组件，使复杂的控制电路也

2、提高了经济性和可靠性，由于SVG具有补偿无功功率、提高功率因数、抑制电压波动和闪变、抑制三相不平衡、提高电路输电稳定性等优点，从而使矢量控制的新型SVG得到了广泛的开发应用。关键词： 无功补偿；SVG；稳定电压作为一个人口众多、资源又相对不足的国家，水、电、煤、天然气、土地等很多能源的日益减少已经成为制约我国实现可持续发展的重要因素，而且伴随人口的继续增长和资源的减少，这种矛盾还会不断加剧。随着我国经济发展方式的转变和建设“节约型”社会口号的提出，电力系统无功补偿也成为研究的热点。改革开放30年来，我国经济飞速发展，对能源特别是电能的需求不断增加，电力系统装机容量逐年增加，据预测到2020年，

3、我国发电装机容量将达910亿kW，今后每年投运的机组容量至少2千万kW；另一方面要节约电能，提高电能的利用效率。无功功率在电气技术领域是个必不可少的重要物理量。变化的磁场产生变化的电场，变化的电场产生变化的磁场，这正是无功功率交换的规律。因此，有磁场空间和电场空间才能存在无功功率产生的空间。在正弦电路中，无功功率的概念有清楚的物理意义，无功功率表示有能量交换，但不消耗功率，其幅值可作为能量交换的量度。传统上无功功率一般采用平均无功功率概念，它是电路中储能元件与电源间交换功率的最大值，也是储能元件与电源间交换能量的一种量度。在非正弦电路中，无功功率的概念却很抽象，并且至今未获得公认的无功功率定义

4、。于是，在非正弦波情况下，有关平均无功功率的有两种学派：一种学派是依据Budeanu的定义。采用频域分析法；另一种学派是Fryze的定义，采用时域分析法。近年来，国内外学者又提出了广义平均无功功率、瞬时无功功率以及广义瞬时无功功率的概念。近年来，随着我国电力工业的不断发展，大范围的高压输电网络逐渐形成，同时对电网无功功率的要求也日益严格。无功电源如同有功电源一样，是保证电力系统电能质量、降低电网损耗以及保证其安全运行所不可缺少的部分。电网无功功率不平衡将导致系统电压的巨大波动，严重时会导致用电设备的损坏，出现系统电压崩溃和稳定破坏事故。因此，无功功率对电力系统是十分重要的，研究无功功率具有重要

5、的现实意义。1 SVG的基本工作原理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。在平衡的三相电路中, 不论负荷的功率因数如何，三相瞬时功率的和是一定的，在任何时刻都是等于三相总的有功功率。因此总的来看，在三相电路的电源和负载之间没有无功能量的来回往返，各相的无功能量是在三相之间来回往返的。所以，如果能用某种方法将三相各部分无功能量统一起来处理，使三相电路电源和负载间没有无功能量的传递，在总的负载侧就无需设置无功储能元件，三相桥式变流

6、电路实际上就具有这种将三相总的统一处理的特点。实际上，考虑到变流电路吸收的电流并不只含基波，其谐波的存在也多少会造成总体来看有少许无功能量在电源与SVG 之间往返；所以，为了维持桥式变流电路的正常工作，其直流侧仍需要一定大小的电感或电容作为储能元件，但所需储能元件的容量远比SVG 所能提供的无功容量要小。而对SVC 装置，其所需储能元件的容量至少要等于其所提供的无功功率的容量，因此，SVG 中储能元件的体积和成本比同容量的SVC 大大减小，SVG 分为电压型桥式电路和电流型桥式电路两种类型，其电路基本结构如图1所示：图 1 电压型SVG电路直流侧分别采用的是电容和电感这两种不同的储能元件。电压

7、型桥式电路，还需再串联上连接电抗器才能并入电网；电流型桥式电路，还需在交流侧并联上吸收换相产生的过电压的电容器；实际上，由于运行效率的原因，迄今投入实用的SVG大都采用电压型桥式电路，因此SVG 往往专指采用自换相的电压型桥式电路作为动态无功补偿的装置。2 SVG稳定系统电压SVG型静止无功补偿器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。根据负荷无功功率的变化情况，来实施改变电抗器的无功功率（感性无功功率），当负荷无功功率增大时，SVG型静止无功补偿

8、器产生的无功功率减少；当负荷无功功率减少时，SVG产生的无功增加。即不管负载的无功功率如何变化，总要使二者之和为常数，即常数，则能实现电网功率因数=常数，电压几乎不波动，从而达到无功补偿的目的，以抑制负载波动所造成的系统电压波动和闪变。关键是准确控制晶闸管的触发角，得到所需的流过补偿电抗器的电流，晶闸管变流装置和控制系统可以实现这个功能，通过采集母线的无功电流值和电压值，合成无功值，和所设定的恒无功值进行比较，计算得到触发角大小，通过晶闸管触发装置，使晶闸管流过所需电流。下面以改善电压调整的基本功能为例：设为系统电压，和分别为系统电阻和电抗。设负荷变化很小，故有，则假定时，随着系统供给的无功功

9、率的增加，系统电压下降。由电力系统中的分析可知，系统的特性曲线可近似用下式表示: （4-1）或者写为 （4-2）式中一一无功功率为零时的系统电压;一一系统短路容量。由式(4-1)和式(4-2)可知，无功功率的变化将引起系统电压成比例地变化。投入补偿器之后，系统供给的无功功率为负荷和补偿器无功功率之和，即 （4-3）因此，当负荷无功功率变化时，如果补偿器的无功功率随反方向变化，以使得保持不变，即，则也将为零，从而供电电压保持不变。补偿器电压随无功电流的变化而有一定的变化，因此其等效电路可以看成在恒定电压源的基础上串联了个等效电抗。由该等效电路可得，当未接补偿器时，由于负荷无功的变化所引起连接点电

10、压的变化为，也即等效电路中若系统电源电压变化为 时，则投入补偿器后补器吸收的无功功率为： （4-4）连接点的电压为： （4-5）系统无功负荷正常时的特性补偿器系统无功负荷正常时，无需补偿器提供无功功率。综上，可以看出SVG型静止无功补偿器具有稳定电压，减少电压波动的功能。3 SVG工作原理的仿真研究例：现模拟如图4-1所示的SVG型静止无功补偿器。设备及线路参数经计算建立的仿真模型如图所示。该仿真图为一个 100Mvar的SVG型静止无功补偿器控制一个6000MVA 735kV的系统。图 2 SVG仿真原理图图3所示为SVG与SVC模块图：图4为SVG与SVC波形对比仿真原理图：4结论分析仿真

11、结果表明：无功功率补偿器能够很好地补偿无功功率，使补偿后的功率因数接近1，达到了补偿的目的。电压和电流都能够稳定。我们还能够看到补偿器能够很好的跟踪无功功率的变化，并且进行实时补偿，补偿后的电流与电压相位相差不大，补偿后的电流在很大程度上降低了线路损耗。参考文献1 陈建业. 电力系统并联补偿结构、原理、控制与应用M. 机械工业出版社，2004.2 王兆安. 谐波抑制和无功功率补偿M.北京：机械工业出版社，2006.3 Xiao Zhang. A Comprehensive Power Quality Controller for Substations in Power SystemJ. Ap

12、plied Power Electronics Conference and Exposition Twenty-First Annual IEEE,2006（15781582）.4 Belkacem Mahdad. Optimal Location and Control of FACTS Device in Unbalanced Power Systems Using Sequence CompnentJ. International Conference on Industrial Technology，2006（29662971）.5 郭剑波. 提高电网输送能力的技术措施J.电力设备，2005（6(10): 47）.6 Jin Zhong. K. Localized Reactive Power Markets Using the Concept of Voltage Control Areas. IEEE Trans. on Power Systems，2004（19(3): 15551