內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司包頭供電分公司 劉智 王娟 徐云芳 范毅 孟凡濤

1 引言

電網(wǎng)的管理運(yùn)行中，無功功率失衡將會(huì)產(chǎn)生一系列的電網(wǎng)問題。如電網(wǎng)電壓下降、電壓波動(dòng)、閃變等電能質(zhì)量問題。為了保障供電質(zhì)量，對(duì)無功功率進(jìn)行有效控制和補(bǔ)償非常重要。SVG第三代靜態(tài)補(bǔ)償裝置采用橋式變流電路多電平技術(shù)或PWM 技術(shù)，補(bǔ)償同時(shí)可以濾波，具有容性感性雙向補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)。SVG第三代靜態(tài)補(bǔ)償裝置性能較以往裝置的性能得到提升，具有體積小、能耗低，低壓性好等優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用于多種場(chǎng)合。

2 SVG工作原理

SVG以大功率電壓型逆變器為核心，將電壓源型逆變器以并聯(lián)的方式連接到電網(wǎng)當(dāng)中[1]。逆變器由直流電容和逆變橋組成，通過控制逆變橋中IGBT器件調(diào)節(jié)交流側(cè)輸出電壓的幅值與相位，起到調(diào)相電源的作用。SVG可以采集分析電網(wǎng)數(shù)據(jù)，按照無功需求迅速發(fā)出等量反相的無功電流，達(dá)到無功的就地平衡，提高功率因數(shù)。

SVG工作原理如圖1所示。

圖1 SVG工作原理圖

SVG具體運(yùn)行模式的波形與向量如圖2所示。

圖2（a）為空載運(yùn)行模式，無載荷下電流IL=0，這時(shí)SVG 既不吸收也不發(fā)出無功。圖2（b）為容性運(yùn)行模式，可以通過調(diào)節(jié)電壓UI來實(shí)現(xiàn)超前電流IL幅值的連續(xù)控制，從而實(shí)現(xiàn)SVG的實(shí)時(shí)無功輸出。圖2（c）為感性運(yùn)行模式，其中的IL為滯后電流，SVG以吸收無功為主，并且同樣具有實(shí)時(shí)可調(diào)的特性。

圖2 運(yùn)行模式波形與向量圖

3 SVG的優(yōu)勢(shì)

3.1 響應(yīng)速度更快

為了保證電網(wǎng)質(zhì)量，補(bǔ)償裝置需要根據(jù)工作環(huán)境的變化及時(shí)輸出無功補(bǔ)償，特別是閃變時(shí)間極短這一要素。晶閘管開斷時(shí)間約為10ms，IGBT 開斷時(shí)間≤10ns，兩者差距近千倍。采用晶閘管的SVC響應(yīng)時(shí)間在20～40ms，SVG≤10ms，甚至可以達(dá)到5ms。

3.2 電壓閃變抑制能力更強(qiáng)

SVG抑制能力更強(qiáng)體現(xiàn)在兩個(gè)方面。一是抑制比更大。SVC 技術(shù)對(duì)于電壓閃變的抑制效果可以達(dá)到最佳，采用SVG 抑制比可以達(dá)到5：1 以上。二是SVG技術(shù)不受響應(yīng)速度的制約。SVC響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，即使提高容量也很難再提升設(shè)備抑制電壓閃變的能力，但SVG具有極高的響應(yīng)速度，增大容量可以進(jìn)一步提升抑制能力。

3.3 補(bǔ)償能力強(qiáng)，補(bǔ)償多樣化

SVG在補(bǔ)償工作中，輸出電流的大小與系統(tǒng)電壓無關(guān)，當(dāng)系統(tǒng)電壓只有正常的1/5 時(shí)，也不影響SVG依照額定電流大小輸出補(bǔ)償電流，因此SVG具有更強(qiáng)的適應(yīng)范圍，相同容量下具有更強(qiáng)的補(bǔ)償能力。SVG工作原理的特點(diǎn)是具有無功補(bǔ)償、諧波補(bǔ)償、負(fù)序補(bǔ)償、綜合補(bǔ)償?shù)榷喾N補(bǔ)償方式，在維持系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定、減少消耗、濾除諧波等方面具有良好的作用。

3.4 諧波性能好

SVG用于電網(wǎng)補(bǔ)償時(shí)，可以按照正弦波的波形輸出類似的無功電流，同時(shí)依照需求進(jìn)行負(fù)荷諧波濾波，減輕波形的畸變。SVG本身不會(huì)形成較強(qiáng)的諧波，在輸出時(shí)不需要對(duì)輸出進(jìn)行濾波處理，相反在無功補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)還可以進(jìn)行濾波消除系統(tǒng)中的諧波。

3.5 高安全性、可靠性

SVG屬于可控電流源型補(bǔ)償裝置，系統(tǒng)參數(shù)的變化對(duì)于裝置本身工作的影響不大，而且沒有諧振作用，所以具有較強(qiáng)的安全穩(wěn)定性。

SVG采用N+1或N+2冗余主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即便是個(gè)別的鏈節(jié)單元發(fā)生故障也不影響裝置運(yùn)行。SVG功率器件回避了直接串聯(lián)的影響，即使在發(fā)生短路的情況下，也可以保證補(bǔ)償設(shè)備的正常運(yùn)行，提升了可靠性。

4 電網(wǎng)主要電能質(zhì)量問題

4.1 電壓偏差

電壓偏差是系統(tǒng)電壓變化時(shí)實(shí)測(cè)值與額定值的差比。按照要求，不同電壓級(jí)別的電壓偏差應(yīng)保持在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。當(dāng)電網(wǎng)無功功率不足時(shí)，電網(wǎng)運(yùn)行電壓下降，電壓低會(huì)造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)瓦解，發(fā)生大范圍的停電。電網(wǎng)電壓低，導(dǎo)線電流變大，造成較大的電能損耗。電壓偏差會(huì)影響電網(wǎng)中用電設(shè)備的功率輸出，偏差過大會(huì)降低使用壽命和性能穩(wěn)定性，造成設(shè)備的損壞，企業(yè)停產(chǎn)等較為嚴(yán)重的后果。

4.2 電壓波動(dòng)和閃變

按照要求，供電電壓的波動(dòng)應(yīng)控制在周期性變動(dòng)的1/10以內(nèi)。引起電壓波動(dòng)的主要原因有電力負(fù)荷的變化，電網(wǎng)工作方式改變或者電網(wǎng)設(shè)備故障等形成的沖擊性負(fù)荷變化。閃變會(huì)根據(jù)波動(dòng)產(chǎn)生源的性質(zhì)，具有相同的周期性或非周期性。電壓閃變問題，對(duì)用電設(shè)備造成一定的損害。

4.3 諧波含量

電網(wǎng)中非線性負(fù)荷增加，諧波的危害越來越嚴(yán)重，主要表現(xiàn)在幾方面。例如加劇電網(wǎng)中電能生產(chǎn)、輸送、使用相關(guān)的電力設(shè)備的損耗，設(shè)備的實(shí)際效率下降；諧波的增大，用電設(shè)備的發(fā)熱過大會(huì)造成設(shè)備元件的老化，使用壽命減少，嚴(yán)重時(shí)直接損壞；諧波的干擾會(huì)造成一些敏感電氣元件的誤動(dòng)作；影響精密儀表的測(cè)量結(jié)果，干擾敏感電子設(shè)備或電訊設(shè)備，影響信號(hào)的傳遞和信號(hào)質(zhì)量；提高了諧振的可能性，放大諧波電流，對(duì)相關(guān)元件造成過流損壞。

4.4 三相電壓不平衡

三相負(fù)載不平衡會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，加大電網(wǎng)線路的損耗[2]。變壓器在此狀態(tài)下運(yùn)行增加配變損耗，同時(shí)會(huì)使配變的出力變小，變小的程度與不平衡程度相關(guān)。三相供電電壓如果不平衡，影響接電用戶的使用，危害用電設(shè)備的安全運(yùn)行。負(fù)序磁場(chǎng)對(duì)電機(jī)存在制動(dòng)作用，所以三相電不平衡會(huì)降低電機(jī)的工作效率，同時(shí)加大電機(jī)的發(fā)熱和無功消耗。

5 SVG在電能質(zhì)量治理中的應(yīng)用

5.1 提高輸電穩(wěn)定性，減少線耗

在輸電線路上合適的位置安裝SVG裝置，其作用類似于無功電流源。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，利用SVG可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地進(jìn)行無功損耗的補(bǔ)償，起到維持輸電電壓的效果。保持電壓可以減小電流，提高了電網(wǎng)功率因數(shù)，減少了電能在線上的損耗，保障了有效輸電容量。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，SVG還可以適時(shí)地進(jìn)行無功調(diào)節(jié)，減輕故障造成的振蕩，從而提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。故障時(shí)有無SVG的電壓變化對(duì)比如圖3所示。

圖3 故障時(shí)有無SVG電壓曲線對(duì)比

5.2 維持供電電壓穩(wěn)定

SVG具有較好的低壓性能，能夠快速調(diào)節(jié)無功功率穩(wěn)定負(fù)荷側(cè)電壓，避免了電壓異常對(duì)于用電設(shè)備造成的影響。SVG內(nèi)部DSP分析采樣電壓值，超過上限時(shí)SVG輸出感性電流降低電壓，低于下限時(shí)SVG輸出容性電流提升電壓，實(shí)現(xiàn)電壓穩(wěn)定。

5.3 補(bǔ)償無功，提高功率因數(shù)

電網(wǎng)系統(tǒng)連接的大量感性負(fù)荷，特別是一些高耗能的用電設(shè)備，在運(yùn)行中需要大量的無功，此外變壓器也需要消耗較大的無功功率。無功功率增大，勢(shì)必導(dǎo)致系統(tǒng)功率因數(shù)下降。SVG采用電源模塊進(jìn)行無功補(bǔ)償，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償、無極補(bǔ)償，具有補(bǔ)償速度快速精準(zhǔn)，補(bǔ)償后的功率因素高、補(bǔ)償效果好等優(yōu)點(diǎn)。

5.4 諧波動(dòng)態(tài)補(bǔ)償

在電網(wǎng)側(cè)投用SVG裝置，可以產(chǎn)生指定的諧波對(duì)電網(wǎng)中的電流諧波進(jìn)行補(bǔ)償[3]。SVG 檢測(cè)電網(wǎng)中電流的諧波分量，進(jìn)行反極性處理后作為補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，產(chǎn)生反向的補(bǔ)償電流與負(fù)載電流中的諧波量相互抵消，從而達(dá)到消除諧波的目的。采用SVG治理諧波可以忽略自身產(chǎn)生的諧波，不需要擔(dān)心諧振，頻譜范圍也較廣，能夠處理13次以內(nèi)的諧波，治理效果良好。

5.5 抑制電壓波動(dòng)和閃變

SVG響應(yīng)速度快，能夠在極短時(shí)間內(nèi)對(duì)負(fù)荷的變化進(jìn)行響應(yīng)，及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)無功補(bǔ)償。所以當(dāng)電網(wǎng)中的用電負(fù)荷發(fā)生劇烈變化時(shí)，SVG能夠在極短時(shí)間內(nèi)通過補(bǔ)償降低負(fù)荷變化對(duì)于電網(wǎng)的沖擊，從而達(dá)到減弱電壓波動(dòng)以及閃變的目的。

5.6 抑制三相不平衡

三相不平衡的負(fù)載或者三相阻抗不同都可能形成三相不平衡問題。SVG屬于有源補(bǔ)償裝置，將偏高相多出來的電流存儲(chǔ)在內(nèi)部母線電容中，再從母線電容中取出電流送入需要補(bǔ)償?shù)南?，從而?shí)現(xiàn)三相電流平衡。

6 SVG應(yīng)用場(chǎng)景分析

6.1 遠(yuǎn)距離電力輸送

電力電網(wǎng)經(jīng)常需要進(jìn)行長(zhǎng)距離輸電，在線路適當(dāng)位置設(shè)置SVG可以起到如下作用：維持電壓的穩(wěn)定；減少輸送過程中的線損，提升傳輸效能；減輕用電負(fù)荷劇烈變化造成的沖擊。

6.2 新能源電場(chǎng)

新能源如風(fēng)電、光伏發(fā)電輸出功率具有不規(guī)則性，新能源并網(wǎng)經(jīng)常會(huì)引發(fā)電能質(zhì)量問題。采用SVG 可以有效降低新能源發(fā)電上網(wǎng)時(shí)造成的影響，同時(shí)反向減輕電網(wǎng)波動(dòng)等情況對(duì)新能源場(chǎng)站的影響。SVG與電容器和電抗器合理搭配使用可以取得更好的效果，能夠降低成本，有助于新能源的并網(wǎng)消納。

6.3 各種工業(yè)負(fù)載

工業(yè)負(fù)載通常電耗極大，其中有許多屬于非對(duì)稱或者非線性負(fù)載。利用SVG可以補(bǔ)償無功功率維持母線電壓穩(wěn)定，具有消除諧波，降低電壓波動(dòng)和閃變的效果。在高能耗、非對(duì)稱、非線性的工業(yè)載荷用戶中，利用SVG進(jìn)行無功補(bǔ)償有利于企業(yè)自身穩(wěn)定運(yùn)行，能夠減輕其對(duì)于電網(wǎng)的不良影響。

7 結(jié)語

SVG是目前較為優(yōu)秀的靜態(tài)無功補(bǔ)償裝置，但其較高的價(jià)格限制了其發(fā)展應(yīng)用。隨著核心元器件的逐年降價(jià)，SVG的成本同步降低。SVG應(yīng)用于電網(wǎng)消除新能源發(fā)電入網(wǎng)過程中的沖擊影響，進(jìn)行電能質(zhì)量綜合治理，有助于我國能源改革工作的順利開展。