一種新型SVC裝置的設計應用

張 樂

（安徽理工大學電氣與信息工程學院，安徽 淮南232001）

0 引言

雖然無功功率不直接向系統提供可以被負荷利用的能量，但在系統中卻有著至關重要的作用，如果無功分布不合理、無功補償設備不足、無功補償設備投運率較低等等，都會對系統電壓的運行造成了極大的破壞；當有功和無功在電力系統中不平衡時，系統電壓將會下降。而電壓的質量是否穩定，是判斷電力系統能否經濟安全運行的一個重要指標。

1 設計原理

1.1 傳統無功補償裝置

同步調相機[1]，等效于空載運行的同步電動機，它是通過調節勵磁來進行無功功率的補償：過勵磁運行時，它提供感性無功，欠勵磁時，它吸收感性無功；但是由于同步調相機是機械旋轉結構，存在很多機構上的缺點，如噪聲大、損耗高、維護復雜和響應慢等等，在無功補償領域已不被經常使用。并聯電容器，可以分散安裝，從而實現無功能夠就地補償，它的優點就是結構簡單、造價便宜，以及后期的運行維護非常方便，然而，其致命缺點在于其供給的無功與所在節點電壓的平方成正比，若出現電壓跌落的情況，它所輸出的無功功率反而會減少，導致惡性循環，使得電壓持續跌落，因此其無功功率調節能力是比較差的。

上述提到的無功補償裝置器都存在各自存在缺點，對整個電網的技術運行以及所帶來的經濟效益都偏低，所以最后導致了它們應用的局限性，必須被更為先進和更具實用性的補償裝置所替代。由此引出本文的研究對象：基于電力電子開關器件的新型無功補償裝置中的靜止無功補償器（SVC）。

1.2 新型無功補償器

調相機和電容器是傳統的變電站主要的無功補償裝置。隨著現代電力電子技術廣泛應用于電力系統中，將GTO、IGBT等交流無觸點開關作為投切開關，不僅能進行單相調節，并且還可以在一個周期的時間內完成無功補償。SVC就是使用GTO、IGBT等全控開關器件構成自換向變流器，它在電壓下降時接入節點端，通過控制向系統提供無功補償支撐，使得系統滿足無功需求，從而維持電壓的穩定，對于一些單相的大容量負荷投入到電網，引起電網三相電出現了各相電壓不平衡的情況，SVC可以通過分相控制策略，使得負序所引起的不平衡功率流入SVC，最后達到系統的平衡與穩定。特別對于有諧波污染的電網，可以通過加裝帶濾波器的SVC（TCR+FC、TCR+PF）等，使電網的諧波功率流入SVC中的濾波支路來完成諧波的濾除。對于存在大型電動機沖擊性負荷的電網，功率因數都比較低，SVC的投入可以使得電網的功率因數得到提高，以彌補經濟利益的損失。

SVC裝置是通過控制晶閘管的導通角來達到無功補償的目地，即控制電抗器的投入與切出時間差，來完成補償電流值的控制，采用的是快速，直接簡易的控制方式。而且與其他無功補償裝置相比較，電容器裝置具有對安裝環境要求不高，不需要除電氣專業方面以外的附加設備，易于擴建，運行、維護檢修最簡單等優點。當無功負荷變化頻率不是很大，分組投切固定電容器便可滿足要求時，SVC將是現在和今后很長時間變電站無功補償的主要裝置。

SVC裝置補償無功的原理是根據功率流動的規律，將由IGBT構成的自換相的三相橋式逆變電路（包括電壓型逆變電路和電流型逆變電路）通過電抗器或是濾波器裝置連接到電網系統中，作為SVC無功補償裝置的核心硬件部分。然后，由電流、電壓檢測電路在線檢測電網參數，并實時反饋到控制中心，控制中心根據一定的算法規律計算需要補償的無功功率，控制交流側的輸出電流或控制交流側注入電網的電壓相位和幅值，從而實現吸取或發出所需無功量，達到補償目的。整個過程響應速度快，控制準確度高，因此能夠有效維持電網的穩定性。

根據無功功率理論可知：在SVC裝置與電網之間只是交換彼此功率，不存在消耗，因此電網中的總的瞬時功率值是固定的，無論是感性還是容性的負載，均不在SVC中產生能量的消耗。SVC裝置的電路包含兩大要素，即由電力電子器件構成的逆變橋式電路以及直流側儲能元件（可以是電容元件也可以是電感元件，本文研究電容元件）[2]。SVC裝置三橋臂電壓主電路結構如圖1所示：

圖1 SVC三橋臂電壓型電路

本課題主要以電壓型逆變電路為主要研究對象，具體的電路連接包含IGBT電壓型逆變電路（六組IGBT，六組反相并聯二極管，并接電容或電抗），其中電容是儲能元件提供電壓支撐，三相橋臂中的兩個晶體管各反并一個二極管，且選擇頻率高功耗小驅動簡單的晶體管，各個橋臂的導電角為120°,兩個橋臂交替導電從而防止直流側短路（即總有三個橋臂保持導通），導通角差為120°，因此，能保證給開關管可靠的關斷信號從而保障逆變電路的穩定工作。

SVC可以采用電壓型橋式電路或電流型橋式電路，這兩者的工作原理基本相同。目前，由于電壓型逆變電路的SVC運行效率較高等原因，到現在為止投入運行的SVG大多都采用了電壓型橋式電路。下面以自換相的電壓型橋式電路SVC為例的工作原理。

設電網電壓為US，VSC輸出的交流電壓為USVC,連接電抗小上的電壓UL（即US和USVC的向量差）。電抗X上的電流I就是SVC從電網吸收的電流，它是能夠由SVC電壓來控制的。改變USVC的幅值和相位，就可以改變UL，進而調節SVC從電網吸收電流的大小和方向，也就可以控制了SVC是從電網吸收容性無功還是吸收感性無功，以及無功的大小[3]。

2 系統仿真

選用相位以此滯后120°的三相對稱的正弦波的理想電壓波形來搭建SVC的仿真模型系統。SVC裝置主電路由六個IGBT管構成。在系統平臺中接入電阻為6Ω，電感為0.02H來驗證感性無功的補償。仿真結果如下：

圖2 補償前a相電壓、電流波形

由圖2可以看出a相電流為感性電流，大約滯后電壓45°，此時負載從電網吸收的無功為感性無功。

圖3 補償前a相電壓、電流波形

由圖3可以看出當系統接入靜止無功發生器后，系統電壓相位和電流相位幾乎完全相同，由此證明此時的功率因數為1。

通過對整個SVC系統的仿真，得到了進行感性無功補償時的曲線，說明了本系統能夠很好的實現預期補償效果。為SVC裝置的可行性提供了理論支撐。

3 結論

無功補償是提高電能質量，保障電網高效運行的主要手段之一。SVC是基于IGBT的新型無功補償裝置。本文介紹了SVC的發展、原理以及已有的無功電流檢測方法和控制策略。并對感性補償進行了仿真研究，在Simulink仿真環境下對SVC的系統模型進行了仿真，得到了擬合曲線。結果表明，本論文所搭建的系統能夠滿足無功補償的目的，有很好的實時性、準確性。

［1］余貽鑫.電壓穩定研究評述[J].電力系統自動化,1999,23(21)：1,8.

［2］Chen CL,Lin CE,Huang CL.Reactive and harmonic current compensation forum balanced three-phase systems using the synchronous detection method[J].Electric Power Systems Research,2009,26：163-170.

［3］Akagi H,Satoshi Ogasawara,Hyosung Kim.The theory of instantaneous power in three.phase four.Wires stems：a comprehensive approach[J].IEEE Trans on Industry Applications,2012,1：431-439.