無功率發生器SVG在電力系統中的應用

江文輝

（江西銅業集團有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

隨著工業冶煉行業的不斷發展，電能已成為現代行業的主要能源。電能質量的利用率、供電效率以及電流波動大等因素極大地影響了電網的安全和穩定，同時也影響了企業的供電質量和經濟效益。在電力系統中，通常使用無功率因素最小化來衡量、比較電網運行效率。因此，必須使無功功率達到相對最低的平衡。合理性選擇無功功率補償器，提高電網有功功率，降低無功網損［1］，為企業及用戶提供安全、可靠、穩定、高效的電能是十分重要的。

2 SVG工作原理和結構

2.1 SVG工作原理

靜止無功發生器SVG（以下簡稱SVG），又稱高壓動態無功補償裝置，或靜止同步補償器，是指將自由換相電力半導體橋式電路經電抗器并聯在電網中，通過檢測模塊檢測電網中的電壓、電流，加以適當地調節橋式電路交流側輸出電壓的幅值和相位，或直接控制其交流側電流，迅速吸收或者發出所需的無功功率，實現快速動態調節無功的目的，以無功補償為主，兼顧諧波補償功能［2］。通過檢測設備中的負載電流，控制系統進行閉環運算，驅動PWM變流器，使SVG輸出與用電設備中大小相等，方向相反的無功電流，從而相互抵消用電設備產生的無功［3］，以達到無功補償的目的。如圖1所示。

圖1 SVG工作原理

2.2 SVG主要結構

SVG內部電路結構可分為電壓型和電流型兩種橋式電路，兩種橋式電路主要區別在于電路直流側的儲能元件不同，電壓型橋式電路采用以電容作為儲能部件，而電流型橋式電路則采用電感作為其儲能部件。電壓型橋式電路由于電容對電流基本沒有限制能力，因此必須先由電抗器相串聯后才能與電網并聯，而電流型橋式電路，為了完成對電網的無功補償，還需要先與電容器并聯后才能與電網并聯。通過研究與實驗表明：因電流型橋式電路不如電壓型橋式電路運行效率高，因此SVG大都采用電壓型橋式電路。在SVG裝置的橋式電路中，主要由直流電壓源、逆變轉換器、中間變壓器或電抗器三大部分組成，具體如圖2所示。

圖2 電壓型橋式電路SVG系統結構

在直流電壓保持模塊中，裝有多組電容蓄能元件能夠為裝置提供持續電能量，電壓源逆變器VSC模塊主要由VT1-VT6六個元器件ICBT組成，逆變轉換器通過PWM技術來控制VT的通斷，實現將直流電壓變成具有預設頻率和幅值的交流電壓。SVG對電網進行無功功率補償就必須與電網進行相連，采用耦合變壓器或高壓電抗器作為兩者紐帶，可以將橋式電路中大功率變流逆變裝置與系統進行完好的系統連接，也可以通過耦合變壓器或電抗器對系統無功補償過程中產生的高層諧波進行過濾，使SVG輸出電壓接近于正弦波，便于對電網進行相應的參數對比，以完成系統無功功率的補償。

3 SVG控制系統

3.1 SVG控制系統結構

SVG是一種實時、動態的電網無功功率補償裝置，它最大的優點就是具有實時動態的控制系統，能夠及時準確、合理地調節系統中無功功率總量，保證系統電壓的穩定、安全，提高供電系統中的穩定和可靠性。SVG控制系統主要包含信號檢測、控制器、脈沖觸發三部分組成，SVG邏輯控制系統如圖3所示。

圖3 SVG控制系統

3.2 SVG控制器設計

SVG是一種動態、實時的電網無功補償裝置，控制器大致可分為線性PID控制、線性最優控制、自適應控制與自能控制四大類型。在大型電網中，為了更好地獲得補償效果，采用元器件GTO作為系統主回路中的功率器件，GTO雖然具有明顯的耐壓性和功率容器大等優點，但GTO是一種電流控制元器件，系統本身損耗大，并需要專門設立對應的緩沖電路，實時動態性不能滿足系統無功功率的補償要求［4］，因此傳統的SVG控制器設計大多采用電壓反饋控制的簡單控制策略，通過連接系統中電網電壓，采用相應的反饋輸出裝置，以PID進行調節控制的方式，SVG裝置控制器的設計，利用電壓PID控制器的設計方式雖然簡單易行，同時也能滿足系統無功補償的要求，但利用電壓PID方式設計的控制器只能在運行工況點內小范圍進行電網無功功率補償，以保證系統的穩定，但由于電力系統無功功率補償是個多參量且非線性，當外界負載變化較大所導致系統運行電點偏差較大時，采用此方法設計的控制器就不能滿足系統電壓調整的要求，因此難以保證系統供電的穩定性和可靠性。

4 SVG與電容器、SVC相比優特點

4.1 運行范圍廣

通過分析SVG與SVC運行時的電壓、電流特性得出：（見圖4）SVG可以從額定感性工況到額定容量性工況連續輸出無功功率［5］，和固定電容器組合可以構成任意范圍的連續補償，而SVC隨著電網電壓的下降，最大無功感性電流和容性電流銳減，且電壓下降到一定范圍內無功甚至還會出現負補償效應，因此SVG相比SVC無功補償范圍更廣。

圖4 SVG電壓-電流特性圖及SVC電壓-電流特性圖

4.2 優異的輸出特性

SVG既可以輸出近似正弦波的無功電流，也可以輸出設定一定次數的諧波電流，即SVG輸出電流是完全有源有控的，完全滿足用戶的需求，而SVC補償無功輸出時會產生大量不可控的諧波電流，并附帶大量不可控的無源濾波支路來實現自身產生的諧波電流的濾波。

4.3 啟動快、沖擊小

現階段電容器完成一次補償最快需要時間要200ms，SVC補償裝置響應時間也需要40~60ms,并且會產生大量不可控的諧波電流［6］。而SVG采用自勵方式啟動，在5~20ms的時間就可以完成一次補償，對閃變有更好的抑制效果，啟動快速且沖擊電流限制在很小的幅值。

4.4 使用壽命長、占地小

傳統的電容器等無功補償裝置一般采用接觸器或可控硅控制，控制柜包含大量的電容器及開關、接觸器，使用壽命較短且占地面積大，且自身損耗大及經常要維護等缺點，而SVG以半導體功率元器件為核心，使用直流電容器儲能，使用壽命可達十年以上，且自身損耗低基本免維護等優點。

5 SVG操作系統

5.1 SVG在行車供電系統中應用情況

貴溪冶煉廠備料車間1#精礦庫裝有4臺16T雙梁行車，每臺行車總裝機功率為187.5kW電機均為繞線式電動機，行車運行時都是瞬間性負荷，行車運行時電流沖擊大，諧波電流大，功率因素低（運行時平均功率因素約為0.6）等缺點。車間于2019年安裝2臺型號為SVG-2000靜止無功發生器對其進行無功率補償，補償時功率因數由0.6提升至0.95以上，極大的降低了電網的無功損耗及提高了電網的安全性，SVG無功補償器操作界面如圖5所示。

圖5 SVG無功補償器操作界面

5.2 設備的節能效益

為了評估安裝SVG前后的設備節能效益，對1#精礦庫4臺行車使用時間及用電量統計分析結果得出，如柱形圖（見圖6）所示。從2018年9月至2019年7月（安裝SVG前）行車共用電約42.5678萬kW·h，使用時間7326h，平均每小時用電約58.1kW·h，而從2019年8月至2020年4月（安裝SVG后）行車共用電約29.5416萬kW·h，使用時間5967h，平均每小時用電約49.5kW·h，同比每小時用電量減少14.8%。

圖6 行車用電量統計圖

5.3 SVG系統優化

無功率發生器SVG作為配電系統中的補償設備，每天24H運行，當配電系統中負載電流偏小或無電流時，SVG依然在補償運行，不但達不到SVG理想補償效果，反而增加SVG設備自身的運行功耗，從而浪費電能。經過對設備運行情況進行研究，設計出一種SVG節能運行模式，該運行模式有節能運行模式和一般模式兩種狀態選擇，在節能模式下包含允許啟動補償的電流、允許啟動條件的持續時間、停止補償的電流以及停止條件的持續時間四個參數設置。通過對設備負載電流實際運行情況進行參數設置，以達到發生器SVG因負載電流低而停止補償從而減少設備自身能源損失的節能運行模式，該操作界面擁有簡單方便，使用效果好等特點，界面如圖7所示。

圖7 SVG節能運行操作界面

5.4 SVG日常維護

（1） SVG設備運行時應定期檢查設備運行狀況，如果設備運行時內部元器件發出異常響聲或過濾網出風口沒風，應立即停機并通知廠家告知具體情況及詢問處理方法。

（2）定期檢查所有電力電纜、控制電纜有無損傷，電力電纜端子是否有松動或過熱現象，絕緣熱縮管是否松動。

（3）定期更換SVG功率柜門的防塵過濾棉以及定期清掃功率柜內單元件，避免SVG柜積灰，保持SVG柜及室內干凈整潔。

（4）注意保持室內溫度，保持室內溫度在45度以下，平時加強室內、外空氣流通。

（5）定期記錄SVG運行時電流、電壓波動等數據，并做好表格保存。

（6）每運行半年，應對風道上的粉塵進行一次全面的清掃及對變壓器所有進出線電纜、功率單元進、出線電纜緊固一次。

6 結束語

電力系統無功功率優化是保證電力電網安全可靠，經濟穩定運行，提供優質電能的有效措施，傳統無功補償的方法是采用以電容器或SVC補償裝置對電網進行無功率的靜態補償，但電網無功功率優化是一個多變量非線性問題，隨著供電質量及電網結構的復雜化，僅靠電容器或SVC補償裝置進行無功補償已經不能滿足國家電網質量標準要求，而SVG作為電力電子技術在電力系統無功率優化應用中的優良產物，利用大功率電力電子元器件實時動態的控制裝置進行電網無功率補償，不僅擁有響應速度快，損耗小，噪音低，諧波小等優點，而且還可以連續分相調節無功，極大提高了電網供電的穩定性與安全性，并大量降低無功損耗從而節約能源，其未來發展具有十分廣闊的潛力。