静止无功发生器的设计与运行问题

戴宪滨

（沈阳工程学院电气工程系，沈阳 110136）

随着电力电子技术的发展，特别是相控技术、脉宽调制技术（PWM）、四象限变流技术的提出，以及大功率全控型晶闸管 GTO、IGBT及 IEGT新一代大功率器件的研制成功，使得柔性交流输电技术应用于电力系统。在提高电力系统运行的稳定性、加大输电能力、降低网损及改善电能质量等方面发挥越来越重要的作用。作为柔性交流输电设备之一的静止无功发生器（SVG）一直是国内外研究的热点[1]。它能实现无功功率动态调节，同时稳定电网电压。与同步调相机、投切电容器等其他无功补偿设备相比，SVG具有补偿性能好、响应速度快、调节连续及装置体积小等优点。

图1 SVG三相主电路

1 SVG基本组成原理

SVG由主电路和控制系统两大部分组成。主电路如图1所示，它主要包括自换相桥式电路（全控型开关器件T1－T6）、二极管V1－V6桥式整流器、直流侧电容C及电抗器L等器件。自换相桥式电路相当于一个逆变器，经电抗器与电网连接。二极管桥式整流器从交流系统吸取少量有功功率，对电容充电，并保持电容电压稳定。电抗器用来抑制SVG产生的谐波分量，使SVG装置满足与电网并联的电压要求。

自换相桥式电路把电容电压逆变成交流电压，SVG的控制系统通过控制此交流电压的幅值或相角（交流电压与电网电压的夹角）的大小，使主电路吸收或输出无功电流，实现SVG对电力系统无功补偿的功能。

2 SVG的设计与运行问题

2.1 SVG装置的控制方案选择不当的问题

按SVG的控制器设计时对电力系统信息提取和综合方法不同，其控制方案一般分为：基于系统外部特征的控制、基于系统内部结构的控制和综合智能控制方案。上述控制方案（常规控制方案）均难以满足提高电力系统功角稳定和电压稳定的要求[2]。因为电力系统是一个运行方式变化、系统参数变化的高电压系统。有时为了达到某个目标，对电力系统进行单一的控制调整，往往不能实现。因此，对电力系统的控制是多目标的，有时这些目标相互冲突。例如：要想提高电力系统暂态稳定性能，与维持发电机处电压不变相矛盾。若采用基于系统内部结构的控制方案，同时维持发电机处电压不变，势必增大SVG控制器的放大倍数，会使电力系统阻尼性能下降，将导致电力系统振荡。

因此，SVG装置必须采用多目标的控制方案。多目标（提高暂态稳性能、稳定电压、防止阻尼振荡等）的控制是指为了适应不同电力系统运行状态对控制器的要求，对上述几种相互矛盾的多目标分别设计控制方案。在电力系统不同的运行状态下，采用目标辨识器识别当前系统对控制的目标要求，再根据该目标去选择对应的控制方案（如大增益开关控制、迭代学习控制等）。以电力系统短路故障状态下，多目标控制为例进行说明。当电力系统故障切除瞬间，控制目标是保证电力系统稳定而不失步，此时只要控制系统电压不超过1.2p·u即可；而当电力系统短路故障切除以后的暂态过渡过程中，却要求系统具有良好的暂态稳定性能，采取降低振荡幅度等措施，快速恢复新的稳定运行状态，此时严格控制系统电压在1.0p·u。

采用多目标控制方案与常规控制方案的 SVG控制器进行了系统对比验证。表明采用多目标控制方案的SVG控制器在电力系统的不同运行状态下，有更好的电压输出质量和更快的电压响应速度。

图2 采用常规控制方案的SVG输出电压波形

图3 采用多目标控制方案的SVG输出电压波形

2.2 逆变器的直流侧电容选择不当的问题

电容选择不当，直接造成电容电压的不稳定性，使得控制和补偿效果达不到要求，甚至会影响电力系统稳定运行。

逆变器直流电容的选择，与逆变器结构、控制策略、线路参数等有很大的联系。对于特定电路结构下的直流电容，在稳态情况下，根据负序电流为零或保证线路瞬态波动电流幅值最小原则选取电容。另外，电容参数的选择应充分考虑SVG装置每个周期的控制频率。为了保证电容上直流电压的稳定性，对于控制频率较低的SVG进行电路拓扑增加稳压电路方法，稳定直流电容电压，保证SVG控制功能的实现。而对于控制频率较高的SVG，电容相对选得小一些。

2.3 直流侧电容电压不平衡的问题

H桥级联型SVG装置每相H桥逆变器导通宽度不一致，使直流侧电容充放电速度不一致，必然导致三相H桥型逆变器各个电容电压不均衡。电压不均衡，会在SVG交流侧产生高次谐波，同时也会增加系统损耗[3]，导致SVG过流而无法正常工作。影响电容电压的主要因素是其功耗。电容吸收或释放的有功功率为

式中，I为桥输出电流；Uc为直流侧电容电压；θ为桥的导通角；Φ为Uc与I的相角差。

由式（1）可知，导通角越大，电容吸收或释放的功率越多。在吸收有功功率时，将电压最低桥的导通角开到最大；释放有功功率时，则相反。经过一定时间，电容电压必然会相等。此种方法利用了串联电路的特点，无须改变SVG装置的控制策略，也不影响其控制性能。

2.4 SVG装置启动与并网存在的问题

一般 SVG装置起动与并网前要检查其交流侧输出的电压幅值、相位及频率是否与电网相同，即同步问题。若有一项不满足要求，SVG装置直接并网，会产生很大冲击电流，引起系统振荡，影响电网的稳定运行，或导致SVG装置引过流而烧毁。

因此，在SVG装置启动与并网前，采用他励起动方式，对SVG装置的直流电容进行充电，空载调整SVG的交流侧输出电压大小、相角和频率，使其与待并系统电网的电压参数相一致。在满足同步条件后，再将SVG装置投入到电力系统中，防止产生上述问题。

3 结论

虽然SVG装置具有调节速度快，调节范围广，欠电压条件下的无功调节能力强等特点，但也存在一些影响SVG装置工作性能的问题。只有在SVG的设计和运行方面找出问题产生的原因，才能充分发挥 SVG装置的无功功率补偿、稳定电力系统电压的作用。

[1]段大鹏,孙玉坤,潘春伟. 基于三相 VSI的 SVG动态建模与仿真研究[J]. 高电压技术,2006(6):84-85.

[2]孙晓娟,靳红梅,基于 Matlab的静止无功发生器系统仿真[J],设备制造,2005(4):61-62.

[3]李旷,刘进军,王兆安,魏标. 静止无功发生器在电压不平衡下的工作特性及其对不平衡电压的补偿[J].电工技术学报, 2006(8):69-70.