浅谈SVG原理及其产品优势

浅谈SVG原理及其产品优势随着当代电力电子设备技术的飞速发展，越来越多的冲击型负荷注入到电网中，由此带来的谐波污染和无功功率的增加已经成为影响电能质量的罪魁祸首。尤其是在矿山矿井领域，电石炉等冶炼设备，绞车等带有变频驱动的运输设备，更是给供电网络带来巨大的无功冲击和谐波污染，严重影响了供电质量。下面举一个采集矿井的例子，通过测试6kV母线上的各种电气数据，发现在提升机起动和运行过程中给变电所6kV母线造成一下影响：(1)主井启动最大有功达8.4MW；匀速运行为6MW；启动时无功冲击达12Mvar；匀速运行时4.9Mvar,制动时7.2Mvar。并且一个周期内变化巨大，电网功率因素过低，在0.3~0.89范围内波动，平均在0.56，电压波动12%左右。(2)11、13、23、25次特征谐波电流较大，其含量远远超过国际规定值，其中11次谐波电流高达97.4A，由谐波产生的电气设备噪声及振动较大。(3)由于整流装置触发角的误差而产生的2、4、6等偶次谐波电流也超过规定值，6kV母线电压的总谐波畸变率最大THDu=16.34%,远远大于国标4%。无功冲击和谐波污染带来的直接后果就是严重降低了输变电设备的供电能力，降低用电设备效率，加速电力电缆绝缘老化，使机电设备产生振动噪声，降低其寿命，干扰继保通信等弱电回路。因此，无功冲击补偿和谐波滤除已经成为矿山矿井工程顺利实施的要点，也是难点。SVG（新一代静止无功发生器,StaticVarGenerator）,因其性能上的优势，已经逐渐成为矿山矿井领域无功补偿和谐波治理的首要选择。SVG通过不同的控制策略分别实现无功补偿和谐波治理。一．SVG基本原理1）动态无功补偿原理SVG动态无功补偿装置以三相大功率电压逆变器为核心，其输出电压与系统侧电压保持同频、同相，通过调节其输出电压幅值（和相位）与系统电压幅值（和相位）的关系来确定输出无功功率的性质与容量，当其幅值（和相位）大于系统侧电压幅值（和相位）时输出容性无功，小于时输出感性无功。其原理如下图所示(由于SVG针对于电力系统是一个小系统，此时把Us当做一个恒压源，而SVG电压电流可控)。SVG工作原理示意图1.感性工况：UIUs此时SVG的补偿电流I滞后系统电压，装置向系统提供感性无功，逆变器的输出线电压=Us-I*L=(1-1*0.12)Us=0.88Us2.容性工况：UIUs此时SVG的补偿电流I超前系统电压，装置向系统提供容性无功，逆变器的输出线电压=Us+I*L=(1+1*0.12)Us=1.12Us3.空载模式：UI=Us，补偿电流I=0以上分析知：逆变器的输出电压在0.88Us~1.12Us之间，对于系统母线电压为10KV的SVG，逆变器的最高输出线电压则为11.2KV,相电压为11.2/1.732=6.466KV,12个功率模块运行时每个模块分得538.8V，对应直流电压538.8*1.414=760V；10个功率模块运行时每个模块分得646.6V，对应直流电压646.6*1.414=914.2V。由上图我们可以了解到，SVG装置就是将自换相桥式电路通过电抗器（变压器）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。2）SVG有源滤波原理SVG控制器通过指令电流运算电路（也称之为谐波和无功电流检测电路）检测出补偿对象电流中的谐波电流分量，然后，补偿电流发生电路根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波电流抵消，最终得到期望的电源电流。当SVG在补偿谐波时，只需要在补偿电流的指令信号中增加与负载电流的谐波分量反极性的成分，就可以实现补偿负载谐波的目的。其工作原理如下图所示。SVG有源滤波原理二．SVG的技术创新点1）补偿技术的创新：传统的FC或SVC补偿方式归根结底还是通过该表电抗器和电容器的容量来实现无功补偿的，但SVG的工作原理是颠覆性的改变，其核心是一个基于IGBT控制的逆变器，可以实现动态快速连续的无功调节。2）结构方案的创新：受目前电力电子器件容量的限制，交换电路必须采用复杂的主电路结构才能提高装置容量，并保障装置能够正常运行。其中方法包括器件并联，桥臂并联，增加脉波数，采用多电平变换器，桥臂/变换器组并联等。SVG的强大优势就在于能够把这些技术有机的结合起来，采用一种新型的多电平逆变器结构，实现逆变器串联，并尽可能的减少了装置的造价。3）控制策略的创新：SVG在控制策略上实现器件级控制，装置级控制和系统级控制。器件级控制指的是电路拓扑结构和脉冲控制方法；装置级控制研究从脉冲控制到系统无功电流需求之间的模型和控制问题；系统级控制是从电力系统的潮流与稳定等宏观角度来探讨SVG的运行。这种分层控制使得SVG的控制功能具有高精度，自适应能力强等特点。SVG在系统级控制策略上实现变换电路中最先进的多目标控制策略，其中过电压控制和次同步振荡阻尼控制是直接通过控制功能输入来实现，其他控制目标如暂稳控制，无功储备控制都是在AVR的基础上，进行加权求和之后作为电压调节环的参考输入来实现的。多目标控制策略使得SVG在提高系统电压调节精度，增强电压稳定性和暂态稳定性上有着无可比拟的优势。三．SVG和SVC的比较治理矿井提升机等煤矿负荷带来的无功冲击的方案除了选用SVG之外，部分用户也会尝试选用TCR型（或MCR型）的SVC,以TCR型SVC为例，就SVG和SVC作一个对比：1）无功补偿SVG既可发出无功又可吸收无功，在SVG与TCR同等容量的情况下可以少用与TCR容量相同的FC容量。只要容量设置合理两种方案均能达到满足功率因数考核的要求。下图是SVG补偿前后的功率趋势图。012345678910-500050010001500200025003000时间/（单位：s）功率/（单位：kVar/kW）功率响应图系统有功系统无功负荷无功装置无功图1SVG投入前功率趋势图012345678910-500050010001500200025003000时间/（单位：s）功率/（单位：kVar/kW）功率响应图系统有功系统无功负荷无功装置无功图2SVG投入后功率趋势图2）滤波效果SVG可以实现有源滤波，对13次以下的谐波的治理特别有效，而且本身不产生谐波电流，因此可以保证将谐波电流治理到国标限值以内。SVC中TCR在运行时会产生大量3次、5次谐波，且其滤波主要靠FC来实现，FC的滤波效果与系统阻抗和自身的容量有关，若系统阻抗太小FC滤波效果会大打折扣。若2次谐波电流电流超标，设置2次滤波器虽然可以滤除2次谐波但会对1~2次之间的间谐波造成放大，受测试方法的限制，1~2次之间的间谐波会使测试所得的2次谐波值比实际值要大，因此2次滤波器无法完美解决2次谐波的问题。3次谐波中会有一部分零序，这部分谐波电流是无法被滤波器滤除的，只能被△接线的变压器阻断。综上所述，SVG是低次谐波污染的非常理想的解决方案。下图是SVG不滤波时输出的电流与频谱图3SVG输出的电流波形及频谱下图是TCR产生的谐波电流图4TCR的基波和谐波电流3）响应速度SVG的闭环响应速度能够达到1ms，而SVC受晶闸管自身特性所限响应速度理论最快能达到10ms，一般稳定需要30ms，如下图所示。图5SVG、SVC响应时间4）电压波动与闪变改善率装置响应速度越快对电压波动与闪变的抑制越好，如下图所示为闪变改善率与响应时间的关系。生产设备产生电压波动和无功冲击，本身的电压波动与闪变较严重，因此一定要选择响应速度更快的无功补偿装置才行。图6不同响应速度下的补偿度-闪变改善率曲线图下图为某工程采用SVG治理前后的闪变对比：图7SVG投入前后闪变对比5）占地面积SVG由于使用的电抗和电容等无源器件远比其他的补偿系统少，因此大大缩小了装置的体积和占地面积。SVG的占地面积远远小于等容量的相控电抗器，占地面积相对SVC可节省1/2。6）运行损耗SVG装置不含大容量的高压电容、电感等储能元件，运行损耗小。SVG的损耗约只有磁控电抗器类动态调节装置的1/4，相控电抗器类的1/3，运行经济性更佳。下图是同样容量的SVC与SVG运行损耗。图8SVC、SVG运行损耗曲线