SVG技术展望

内容摘要    详细介绍了SVG的基本原理与控制方法，并从性能上与SVC系统作了比较，指出SVG是动态无功补偿的发展方向。另外介绍了三电平逆变器的PWM控制方法，指出SVP-WM是三电平逆变器PWM控制方法的发展方向。还介绍了新的电力电子器件和新技术在SVG中的应用，指出随着超导储能技术和新的开关技术的发展，基于电流型逆变器的SVG也将得到广泛应用。    引  言    现阶段在电力网中广泛应用静止型无功补偿装置（Static Var Compensation，SVC），其内部的电力电子开关元件多为晶闸管。使用晶闸管对电抗器进行实时控制和投切，构成晶闸管控制电抗器（TCR）和晶闸管投切电容器（TSC），可以根据电网中无功功率的状况进行补偿。但在实际应用中，SVC离不开具有时滞特性的大容量器件，不能做到瞬时无功控制。随着大功率全控型晶闸管GTO和IGBT的出现，特别是相控技术、脉宽调制技术（PWM）、四象限变流技术的提出使得电力电子逆变技术得到快速发展，一种以此为基础的更为先进的无功补偿装置——静止无功发生器（Static Var Generation，SVG）出现了。SVG适于实时补偿冲击性负荷的无功冲击电流和谐波电流。IGBT、GTO等电力电子元件的开发，使大功率、高电压变流器的应用性能有了显著提高，而且由于采用了微处理机和大规模集成电路组件，使复杂的控制电路得以简化，从而使矢量控制的新型SVG得到了开发与应用。    SVG基本原理    SVG基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态补偿的目的。SVG根据直流侧采用电容和电感两种不同的储能元件，可以分为电压型和电流型两种。下面以电压型静止无功补偿器为例，说明其原理，其等效电路及工作原理如图1所示。

   以二极管构成的整流桥从交流系统中吸取少量有功功率，对直流侧电容C充电，保持电压稳定。控制器根据电网无功变化情况，通过6个全控型开关器件构成的三相逆变器向系统输入感性或容性无功。由文献［1］可知，SVG向系统注入的无功Q=Us2sin2 ／2Rs（式中，Us为系统电压；Rs为逆变器等效电阻； 为SVG输出电压与Us的夹角），由公式知，通过调节 的大小，就可以控制SVG注入系统的无功功率。    根据这一原理，日本关西电力公司与三菱电机公司共同研制并于1980年1月投运了世界上首台SVG的样机，它采用了晶闸管强制换相的电压型逆变器，容量为20Mvar。1986年10月，由美国国家电力研究院（EPRI）和西屋公司研制的�1Mvar的SVG装置投入运行，这是世界上首台采用大功率GTO作为逆变器元件的静止补偿器。随后，1991年和1994年，日本和美国又相继研制出80Mvar和100Mvar的SVG。1995年，清华大学和河南电力局共同研制出了我国第一台SVG，容量为300kvar，开辟了我国研制补偿设备的先河。2000年，清华大学和河南电力局又成功研制出一台�20Mvar的SVG，并投入电网运行。    与传统的以TCR为代表的SVC装置相比，SVG装置不需要大容量的电容器等储能元件，只需要维持直流侧电压的较小容量的电容器，大大减小了装置的体积；而且调节速度更快，运行范围更宽；在采用桥式多重化整流技术和PWM控制技术后，则可以大大减少补偿电流中的谐波含量。所以，SVG具有优越的性能，是新世纪的环保节能型产品，它代表动态无功补偿装置的发展方向。    SVG几个基本技术    1  SVG的控制方法    SVG的电流控制包括无功补偿电流和有功电流的控制。无功补偿电流控制用于产生所需的无功补偿电流，有功电流控制用于补偿有功损耗。SVG的控制器通常由内环控制器和外环控制器两部分组成，外环控制器主要通过一定的检测方法产生补偿电流的参考值，内环控制器的基本任务是产生一个同步的驱动信号，从而在装置的实际输出电流和参考电流之间建立一种线性的关系。正是在从补偿电流参考值调节SVG产生所需补偿电流的具体控制方法上，可以分为间接控制和直接控制两大类。

   （1）电流间接控制  所谓间接控制，就是将ASVG当交流电压源看待，通过对交流器输出电压基波的相位和幅值进行控制，来间接控制ASVG的交流侧电流，具体实施时有两种方案可供选择。控制分为单 控制和 与θ配合控制。     与θ配合控制方法，即控制б角的同时，配合控制开关器件的导通角，从而调节ASVG交流侧输出电压的幅值。这种控制方法的优点是直流侧电容电压稳定，对装置的运行有利，而且动态性能更好；但它存在控制复杂的缺点，因为 角和θ角需要密切配合，而且这种配合关系还随着主电路的参数而改变。    单 控制主要有传统PI控制和逆系统PI控制。逆系统PI控制是传统n控制的改进，其基本原理如图2所示： 1由式（1）实时计算获得， 为STATCOM交流侧输出电压与系统电压的相角差，U为电压瞬时有效值，X为装置短路容量，Uref为电压参考值，Ki和Kp是U调节的系数。由于 2对 1的动态调节作用，逆系统PI控制有比传统PI控制更快的响应速度田。因此，对间接控制的研究将主要针对此种控制方法。        （1）    （2）电流直接控制  电流直接控制是采用跟踪型PWM控制技术对电流波形的瞬时值进行反馈控制。但是直接控制法由于是对电流瞬时值的跟踪控制，因而要求主电路电力半导体器件有较高的开关频率，这对于较大容量的SVG目前是难以做到的，所以这种方法多用于较小容量的SVG场合。电流直接控制有两种基本结构：采用dq变换的直接电流控制方法和采用abc轴下的瞬时电流控制方法。图3是采用如变换的直接电流控制方法原理图。具体实现是将SVG发出的电流瞬时值经dq变换为Id和Iq与有功电流和无功电流参考值作比较，经PI调节后，再经过dq反变换，得到三相电流信号，进行三角波比较电流跟踪型PWM控制。    采用abc轴下的瞬时电流控制方法是将三相电流参考值与瞬时电流比较，经PI调节后再与恒频三角电流比较生成逆变器的开关信号来实现直流 稳定和无功电流的跟随。    以上介绍了ASVG的两类控制方法：电流的间接控制和电流的直接控制。通过对比可以得到如下结论：    （1）电流的间接控制方法相对简单，技术相对成熟，但间接控制与直接控制相比，控制精度较低，电流响应速度较慢。    （2）电流直接控制法对电力半导体器件开关频率要求高，因此适用于较小容量ASVG控制；间接控制法适用于较大容量ASVG控制。    （3）采用电流间接控制的大容量ASVG可采用多个变流器多重化连接、多电平技术或PWM控制技术来减小谐波。而采用电流PWM跟踪控制的直接控制方法电流谐波少。

   2  三电平逆变器的PWM控制方法    由于ASVG的工作原理是建立在电压型变流器基础之上的，其基本构成单元——变流器模块通常采用单相桥二电平变流器、三相桥二电平变流器和三相桥三电平变流器三种形式。    采用单相桥变流器模块的明显优点是便于进行分相控制，这对于ASVG在系统电压不对称运行时，特别是不对称故障时的控制是一个重要的优点。但若ASVG的设置是为解决三相对称条件下的电压稳定问题，则采用三相系统较之单相系统更为经济。 三相桥三电平逆变器作为一种特殊的串联形式，由于其输出端口电压可在（–Uc,0,Uc）三个电平中间变化，从而在方波工况下其脉宽可以如单相桥一样调节，并且作为中点钳位式的逆变器，其串联的每个开关器件始终工作在1／2的直流中间电压，从而既利用串联方式提高了装置容量又避免了常规器件串联时所遇到的器件选配和动静态均压问题。较之三相桥二电平，它还具有更低的谐波含量。三电平逆变器这些优点使得它在柔性交流输电系统（FACTS）的各个领域得到越来越广泛的应用，在500kvar的SVG中亦有应用。从理论上看，可以通过不断增加电平次数来使输出电压阶梯增多，从而达到增加装置容量和抑制谐波的双重目的。但在实际应用中每增加一个电平即意味着每臂要增加一对钳位二极管从而使电路变的复杂，且多电平逆变器的正常工作需维持各部分直流电容上电压相等，这导致控制上的困难，因此虽然近年来对其讨论的文章很多，但真正达到实用水平的多电平逆变器仅是三电平逆变器。    三电平逆变器的PWM控制方法主要有：正弦载波PWM（SPWM）选择性消谐波PWM（SHEPWM），空间矢量PWM（SVPWM）。    （1）正弦载波PWM（SPWM）利用期望得到的三相正弦波作为调制波，与一公用的三角载波相交，会得到三组矩形脉冲，用这三组矩形脉冲分别触发三相逆变器的六个桥臂的功率开关器件，则会得到等效于调制波的PWM波形。利用此方法，可以实现补偿电流的正弦化，有效降低谐波成分。通过改变PWM波形的相位和占空比，可以实现对补偿电流基波分量的相位和大小的控制，从而实现对系统无功的动态补偿。    （2）选择性消谐波PWM（SHEPWM）选择性消谐波PWM（SHEPWM）的思路，最早是针对传统的两电平变换器提出的。其思路是在预先确定的角度处实现特定开关的切换，从而产生预期的最优控制，以消除选定的低频次谐波。选择性消谐波PWM（SHEPWM），通过开关时刻的优化选择，消除选定的低频次谐波，具有波形质量高、直流电压利用率高、开关频率低、开关损耗小、功率变换效率高等一系列显著优点。    （3）空间矢量PWM（SVPWM）空间矢量PWM（SVPWM）的英文全称为  Space Vector  Pulse  Width Modulation，实际上对应于交流感应电机或永磁同步电机中的三相电压源的功率器件的一种特殊的开关触发顺序和脉宽大小的结合，这种开关触发顺序和组合将在定子线圈中产生三相互差电角度的波形失真较小的正弦波电流。与其他控制方法相比，空间矢量PWM在输出电压或电机线圈中的电流中都将产生更少的谐波，提高了对电压源逆变器直流