静止无功发生器的基本原理详解

静止无功发生器(Static Var Generator，SVG)的基本原理是将自换相逆变器通过电抗器，或者直接并联在电网上，通过控制开关器件的通断，来调节逆变器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，使该电路吸收或发出所需无功电流，实现动态无功补偿的目的。

1.工作原理

SVG主电路通常分为电压型逆变器(Voltage Source Inverter，VSI)和电流型逆变器(Current Source Inverter，CSI)两种类型，电路基本结构分别如图5-16(a)、(b)所示，直流侧分别采用电容和电感这两种不同的储能元件。VSI中的储能元件电容器与CSI中的储能元件电感器相比，其储能效率、体积和价格都具有明显的优势。

图5-16　SVG的电路基本结构

(a)直流测电容结构；(b)直流测电感结构

基于电压型逆变器VSI的SVG装置一般是由几个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦波，即谐波少，因此不需要另加滤波电路。而基于电流型逆变器CSI的SVG装置在谐波电流消除方面有很大困难，且现有的半导体开关器件的开关频率限制了电流脉宽调制波的频率，从而会导致一些低阶谐波电流产生。所以，投入使用的SVG装置大都采用电压型逆变器。

图5-17　SVG等效电路及工作原理(不考虑损耗)

(a)单相等效电路；(b)工作相量图

图5-18　SVG的等数电路及工作原理(计及损耗)

(a)SVG的实际等效电路；(b)超前工作的相量图；(c)滞后工作的相量图

在图5-18中，将变流器本身的损耗也归算到了交流侧，并归入连接电抗器电阻中统一考虑。实际上，这部分损耗发生在变流器内部，应该由变流器从交流侧吸收一定有功能量来补充。因此，实际上变流器交流侧电压与电流的相位差并不是严格的90°，而是比90°略小。

2.工作特性

图5-19　SVG的电压-电流特性曲线

根据上述对SVG工作原理的分析，可得其电压-电流特性曲线，如图5-19所示。从图5-19中可以看出，当电网电压下降、补偿器的电压-电流特性向下调整时，SVG可以调整其变流器交流侧电压的幅值和相位，以使其所能提供的最大无功电流ILmax和IImax维持不变，仅受其电力半导体器件的电流容量限制。而对于传统的SVC，由于其所能提供的最大电流分别受其并联电抗器和并联电容器的阻抗特性限制，所以会随着电压的降低而减小。因此，SVG的运行范围比传统的SVC大，SVC的运行范围是向下收缩的三角形区域，而SVG的运行范围是上下等宽的近似矩形的区域。这是SVG优越于传统SVC的一大特点。

此外，对于那些以输电补偿为目的的SVG来讲，如果直流侧采用较大的储能电容，或者其他直流电源(如蓄电池组，采用电流型变流器时，直流侧用超导储能装置等)，则SVG还可以在必要时短时间内向电网提供一定量的有功功率。这对于电力系统来说是非常有益的，也是传统的SVC装置所望尘莫及的。

对于装置中的谐波问题，SVG可以采用桥式变流电路的多重化技术或PWM技术来进行处理，以消除次数较低的谱波，并使较高次数的谐波电流减小到可以接受的程度；也可以通过控制策略的优化，在检测无功电流的同时也检测谐波电流，对两者同时进行补偿。在平衡的三相电路中，无论负载的功率因数如何，三相瞬时功率之和在任何时刻都等于总的有功功率。各相的无功功率在交流侧来回往返而三相电源和负载之间没有无功流动，所以理论上讲，SVG的桥式变流电路的直流侧可以不设储能元件。但考虑到变流电路吸收的电流的谐波成分及有功功率的损耗，其直流侧仍需要一定大小的电容作为储能元件，只是其容量远比SVG所能提供的无功容量要小得多。另外，SVG连接电抗由于是滤除电流中高频成分，所以电感值也不大，这也是SVG的一个显著特点。(www.xing528.com)

3.主要优点

SVG作为现代柔性交流输电系统的核心组成部分，与常规的无功补偿装置相比，具有以下优点。

(1)在提高系统的暂态稳定性、阻尼系统振荡等方面，SVG的性能大大优于传统装置。

(2)SVG采用数字控制技术，系统可靠性高，基本不需要维护，可以节省大量的维护费用。同时，可通过电网调度自动化系统实现无功潮流和电压的最优控制，是建设中的数字电力系统(DPS)的组成部分。

(3)控制灵活、调节范围广，在感性和容性运行工况下均可连续快速调节，响应速度可达毫秒(ms)级。

(4)静止运行，安全稳定，无大型转动设备，无磨损，无机械噪声，寿命长，环境影响小。

(5)体积小、损耗低。SVG对电容器的容量要求不高，因此可以省去常规装置中的大电感、大电容及庞大的切换结构。

(6)静止无功发生器的连接电抗小。SVG接入电网的连接电抗，其作用是滤除电流中存在的较高次谐波，另外起到将变流器和电网这两个交流电压源连接起来的作用，因此所需的电感量并不大，且远小于补偿容量相同的TCR等SVC装置所需的电感量。如果使用降压变压器将SVG连入电网，则可以利用降压变压器的漏抗，使所需的连接电抗进一步减小。

(7)对系统电压进行瞬时补偿，即使系统电压降低，仍然可以维持最大无功电流，即SVG产生无功电流基本不受系统电压的影响。

(8)谐波量小。在多种形式的SVC装置中，SVC本身产生一定量的谐波，如TCR型的5、7次特征谐波量比较大，占基波值的5%～10%；其他形式如SR、TCT等也产生3、5、7、11等次的谐波，这给SVC系统的滤波器设计带来许多困难。而SVG则可以采用桥式交流电路的多重化、多电平或PWM技术来进行处理，以消除次数较低的谐波，并使较高次数如7、11等次谐波减小到可以接受的程度。

(9)SVG中的电容器容量小，在网络中普遍使用也不会产生谐振；而使用SVC或固定电容器补偿时，如果系统安装台数较多，则有可能会导致系统谐振的产生。

(10)SVG的端电压对外部系统的运行条件和结构变化是不敏感的。当外部系统容量与补偿装置容量对比时，SVC将会变得不稳定，而SVG仍然可以保持稳定，即输出稳定的系统电压。

(11)SVG的直流侧采用较大的储能电容，或者其他直流电源(如蓄电池组)后，它不仅可以调节系统的无功功率，还可以调节系统的有功功率。这对于电力网来说是非常有益的，也是SVC装置所不能比的。

正因为上述优点，SVG作为一种新型的无功调节装置，已经成为现代无功补偿装置的发展方向，也已成为国内外电力系统行业的重点研究课题之一。