静止无功发生器简介

    随着电力电子技术向可控关断和快速触发方向发展，出现了动作频率很高的电力开关器件并研制出了可以在任何相位运行的逆变器。在电力电子技术和SVC快速发展的基础上，20世纪末期出现了一种更先进、更可靠、更灵活的静止无功补偿装置，这就是静止无功发生器(Static Var Generator，SVG)，也有的地方称之为静止同步补偿器(Static Synchro-nous compensator，STATCOM)或者静止调相器(Static Condenser，STATCON)。它使用大功率门极可关断晶闸管等代替普通的晶闸管，能同时进行无功补偿、消除高次谐波、缓解低频振荡趋势以及使不对称的三相对称化，可大大提高电力系统的可靠性、安全性和稳定性，是柔性交流输电系统的重要装置之一。

   SVG分为电压型桥式电路和电流型桥式电路两种类型，其电路基本结构分别如图4-2和图4-3所示。两者的主要区别在于电压型桥式电路直流侧采用电容作为储能元件，而电流型桥式电路直流侧采用的是电感；另外，电压型桥式电路通常串联上连接电抗器再接入电网，电流型桥式电路需在交流侧并联上吸收换相所产生的过电压的电容器。目前SVG大都采用电压型桥式电路，其结构简单，损耗小，效率高，成本低且易于控制。对于电压型桥式逆变电路来说，输出电压波形为矩形，含有较多的谐波，对电网和负荷都会产生不利的影响，为了减少谐波，常采用多重逆变电路，把几个矩形波组合起来，使其输出的波形非常接近正弦波。

    图4-2    电压型桥式SVG电路基本结构

    图4-3    电流型桥式SVG电路基本结构

    采用电压型桥式电路的SVG利用电压电源逆变技术提供容性或感性无功，进行无功补偿，不再用电容或电感作为无功源。它采用大功率门极可关断晶闸管( GTO)等构成自换相电压型变流电路，常用的变流电路有三个桥臂，每个桥臂由两个GTO管串联而成，每个GTO管有一个快速恢复二极管与之反并联，起续流作用，通过轮流接通和关断晶闸管，产生矩形波电压，周期性变换的波形相互叠加形成SVG输出的正弦波电压。由自换相桥式变流电路构成的SVG装置通过电抗器或者直接并联在电网上，补偿时检测出补偿对象的无功电流，通过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，使其吸收或者发出满足要求的无功电流，从而实现动态无功补偿。

    采用电压型桥式电路的SVG的等效电路如图4-4所示。从电力系统一侧来看，可以把SVG等效地看作是一个幅值和相位均可以控制的产生基波和谐波电压的静止交流电压源，其输入为直流电压（直流电压由储能电容器提供），输出为一组三相交流电压，输出端通过电感值较小的电抗（包括变压器的漏抗或电路中其他电抗）与电网相连。其补偿过程为，直流侧的储能元件中存储有一定的能量，在SVG中经变流电路逆变后将直流变为交流电压，控制器根据设定值和系统运行状态改变能够驱动变流电路中的电力电子器件的脉冲，就可以改变其交流侧输出的电压的大小与相位，则连接电抗的电压和无功电流的大小和相位也随之改变，从而控制SVG从电网吸收或发出无功功率的大小。例如当补偿器基波电压比交流系统电压高时，则电流从补偿器流向交流系统，SVG像电容器一样产生容性无功电流；反之，当补偿器基波电压比交流电源电压低时，则电流从交流系统流向补偿器，SVG像电抗器一样产生感性无功电流。若控制方法得当，SVG在补偿无功功率的同时还可以对谐波电流进行补偿。在三相平衡并且不考虑谐波的稳态情况下，SVG的直流侧和交流侧之间没有功率交换，无功功率在三相之间流动，从而使电容电压保持恒定，所以理论上讲，直流侧可不需装设储能元件，这时电容只是为逆变提供直流电压，投入电网前给电容充好电后，在SVG工作过程中不需给电容再充电。但实际上电流中有谐波分量，流入电容的有脉冲电流，引起其电压波动，在电源和SVG之间会传递有少量无功，所以其直流侧仍需要储能元件，这时电容不仅提供直流电压，还要兼顾储能的作用。要注意的是，SVG的储能元件的容量比其所提供的无功容量要小，而SVC的储能元件的容量主要取决于其所需要提供的无功容量，因此SVG所需储能元件的容量要比同容量的SVC所需要的储能元件的容量小得多。对于连接电抗器及逆变过程中产生的各种损耗，由交流电源系统提供有功功率来补充．或者在直流侧连接蓄电池等直流电源来补充。

    图4-4    SVG的等效电路

   SVG相对于SVC具有比较突出的优点：

   (1)运行范围广，控制灵活，调节速度更快，有效地提高电力系统的稳定性。SVC由晶闸管控制的电抗器和电容器等元件构成，当电网电压下降时，其所能提供的最大无功电流由于受电抗器和电容器的特性限制将有所下降；当SVC达到最大容量时，无法继续增大无功电流的输出，过载能力较差。SVG由换流器构成，其所能提供的最大无功电流仅受电力电子器件所允许的电流等条件的限制，当由于发生故障使电网电压下降时，仍然可以输出满足要求的无功功率，运行范围广，并且在不超过电力电子器件的电流和热稳定限制时还可短时过载运行，从而可以更好地提高暂态电压稳定性；SVG电压幅值和相位的调节迅速，一般为几个毫秒，其端电压对外部系统的运行条件和结构变化是不敏感的。此外，对于那些以输电补偿为目的的SVG来说，如果直流侧采用蓄电池等直流电源，则SVG还可以在必要时短时间内向电网提供一定数量的有功功率，这更是SVC无法比拟的。因此，SVG能够比SVC提供更好的电压支持，采用SVG不仅可以得到较好的静态稳定性能，而且可得到较好的暂态稳定性能，在系统出现严重故障的情况下对暂态稳定有很大的帮助。

   (2)所用的电抗和电容等元件容量小。SVG接人电网的连接电抗的主要作用是限制高频开关可能产生的高次谐波电流，并将逆变器和电网这两个交流电压源连接起来，因此所需的电感值并不大，远小于补偿容量相同的TCR等SVC所需的电感值，而且由于SVG使用的储能元件容量比SVC的要小，可相应减小装置的体积和在这方面的成本。

   (3)谐波含量少。SVC常会产生一定量的谐波，有时还给SVC的滤波器设计带来很多困难。而SVG在采用桥式电路多重化、多电平或脉冲宽度调制技术等措施后，可大大减少补偿电流中谐波的含量。

    总之，SVG相对于各种SVC，响应速度快，运行范围广，产生的谐波较少，控制性能及稳定性好，占地面积小。虽然目前SVG的控制方法和控制系统比较复杂，SVG的价格也比相同容量的SVC昂贵，但随着电力电子技术、智能控制技术等的快速发展，SVG的性能在不断提高，价格也在不断降低，其应用日益广泛，是国内外电力系统领域的热点研究课题之一。现在的SVG不断采用新器件，如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、注入增强栅晶体管(IEGT)等，与原来使用的大功率门极可关断晶闸管(GTO)相比，这些新型功率元件具有饱和电压低、安全工作区宽、驱动功率低、工作频率高及易于串联等优点，非常适用于SVG这些大容量、工作频率高的电力电子装置。SVG除了向高压大容量方向发展，也将向中低压配电网的应用发展，从而提高用户侧的电能质量。

    静止无功补偿器、静止无功发生器以及电力有源滤波器、统一潮流控制器、晶闸管控制的串联补偿装置等都属于柔性交流输电系统的范畴。柔性交流输电系统是利用高压大功率的电力电子器件来改造交流输电的一系列技术，可以对交流电的无功、电压、电抗和相角进行控制，从而增强对交流输电系统的控制能力，有效地提高交流输电系统的安全性和稳定性，使传统的交流输电系统具有更好的柔性和灵活性。