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在有色金属冶炼加工企业中，供电的质量指标、电网运行的安全可靠性和经济性是最根本的问题。近年来，随着有色冶炼加工企业的发展，有色金属冶炼加工设备尤其是轧制设备趋向设备大型化、大容量、数字化、智能化，由电力电子器件构成的各种交交变频、交-直-交变频、软启动以及新型的直流传动调速等产品在有色金属轧制设备系统中普遍应用。这些技术在给有色金属加工企业带来各种益处的同时，也对有色金属加工企业的供电质量提出了更高的要求，另外，这些技术在使用的同时也会对电网产生影响。此外，有色金属轧制生产的一些特定工况，例如轧机咬坯、设备频繁启停变速等也会对供电系统带来很大影响。因此，有色金属冶炼加工系统的电能质量均必须治理。相比较传统无源滤波器或SVC作为最先进动态无功补偿装置的代表，静止无功发生器SVG有着巨大技术优势和应用市场。由此针对静止无功发生器SVG的技术进行一些探讨，以让更多的人了解这项产品及其特点。
1 控制原理说明及框图
一般电力系统用户负荷吸收有功功率 和无功功率。
图1 简单的负荷连接
电源提供有功功率PS和无功功率QS（可能为感性无功，也可能是容性无功），忽略变压器和线路损耗，则有 ， 。没有足够无功补偿的电网存在以下几个问题：电网从远端传送无功；负荷的无功冲击影响本地电网和上级电网的供电质量；负荷的不平衡与谐波也会影响电网的电能质量。
因此，电力系统一般都要求对用电负荷进行必要的无功、不平衡与谐波补偿，以提高电力系统的带载能力，净化电网，改善电网电能质量。
图2 带有SVG无功补偿装置的系统
假设负荷消耗感性无功（一般工业用户都是如此）QL，此时控制SVG使其产生容性无功功率，并取QSVG=QL，这样在负荷波动过程中，就可以保证：QS=QSVG-QL=0。
如果对电网等比较复杂的补偿对象而言，当需要向电网提供感性无功时，可以通过对SVG的控制，使其产生感性无功功率，并取QSVG=QC，这样在负荷波动过程中，仍然可以保证：QS=QSVG-QC=0。
此外，SVG在补偿系统无功功率达同时，几乎不产生谐波。更重要的是，SVG还可以对系统的谐波、不平衡等电能质量问题进行多功能综合补偿，实现有源滤波（APF）的功能。
1.3 SVG的基本原理
所谓SVG（Static Var Generator），就是专指由自换相的电力半导体桥式变流器来进行动态无功补偿的装置。
图3 SVG与系统的连接示意图
设电网电压和SVG输出的交流电压分别用相量 和 表示，则连接电抗X上的电压 即为 和 的相量差，而连接电抗的电流是可以由其电压来控制的。这个电流就是SVG从电网吸收的电流 。如果未计及连接电抗器和变流器的损耗，SVG的工作原理可以用图4a)所示的单相等效电路图来说明。在这种情况下，只需使 与 同相，仅改变 幅值大小即可以控制SVG从电网吸收的电流是超前还是滞后90°，并且能控制该电流的大小。
a 单相等效电路 b 相量图
图4 采用直接电流控制的静止无功发生器的工作原理
(1)
(2)
为使电源电流 中不含有基波正序无功和基波负序电流，则需要控制SVG输出电流 满足式(3)。这样电源电流中就只含有基波正序有功和谐波电流，如式(4)所示。
(3)
(4)
所以，要想达到补偿目的，关键是控制SVG输出电流 满足式(3)。
从SVG工作原理的描述可以看出，如果要使SVG在补偿无功的基础上还对负载谐波进行抑制，只需要使SVG输出相应的谐波电流即可。因此，从这个意义上说，SVG能够同时实现补偿无功电流和谐波电流的双重目标。
通过上一节对SVG原理的描述可以知道，SVG可以根据负载特点和工况，自动调节其输出的无功功率的大小和性质（容性或者感性）。因此，从本质上讲，SVG可以等效为大小可以连续调节的电容或电抗器。
SVG是目前最为先进的无功补偿技术，其基于电压源型变流器的补偿装置实现了无功补偿方式质的飞跃。它不再采用大容量的电容、电感器件，而是通过大功率电力电子器件的高频开关实现无功能量的变换。从技术上讲，SVG较传统的无功补偿装置有如下优势：
响应时间更快。SVG响应时间小于等于1ms；传统静补装置响应时间大于等于5ms；SVG可在极短的时间之内完成从额定容性无功功率到额定感性无功功率的相互转换，这种无可比拟的响应速度完全可以胜任对冲击性负荷的补偿。
抑制电压闪变能力更强。SVC对电压闪变的抑制最大可达2:1，SVG对电压闪变的抑制可以达到5:1，甚至更高。SVC受到响应速度的限制，其抑制电压闪变的能力不会随补偿容量的增加而增加。而SVG由于响应速度极快，增大装置容量可以继续提高抑制电压闪变的能力。
运行范围更宽。SVG能够在额定感性到额定容性的范围内工作，所以比SVC的运行范围宽很多。也就是说，当SVC需要在正负全范围运行时，需要TCR和FC配合使用，整个装置损耗较大，占地面积也较大。更重要的是，在系统电压变低时，SVG还能够输出与额定工况相近的无功电流。而SVC输出的无功电流与电网电压成正比，电网电压越低，其输出的无功电流也越低，所以对电网的补偿能力也相应变弱。这是SVC技术本质的缺点。
补偿功能多样化。使同一套SVG装置，可以实现不同的多种补偿功能：单独补偿负载无功；单独补偿负载谐波；单独补偿负载不平衡；同时补偿负载无功、谐波和不平衡。所以，SVG具有强大的补偿功能。
谐波含量极低。主流SVG采用了PWM技术、多电平技术和多重化技术，不仅自身产生的谐波含量极低，还能够对负载的谐波和无功进行补偿，实现有源滤波的功能，真正做到多功能化。而TCR和TSC自身均要产生很大的谐波电流，所以还需要安装相应的FC滤波装置，增加了额外的成本。
占地面积较小。由于无需大容量的电容器和电抗器做储能元件，SVG的占地面积通常只有相同容量SVC的50%，甚至更小。所以，在一些厂矿改造中SVG具有很大的优势。
2.1当前主流SVG系统拓扑结构（示例）
常见的SVG拓扑结构有包括两电平方案和多电平方案。其中两电平方案有简单的三相桥式结构－低压和IGBT串联的三相桥式结构－中压、高压两种结构；多电平方案有二极管嵌位变流器、飞跨电容变流器、H桥串联结构（链式结构）和多重化四种方式。
两电平方案：
图5简单的三相桥式结构－低压
图6 IGBT串联的三相桥式结构－中压、高压
多电平方案：
图7 二级管嵌位和飞跨电容多电平结构
图7 多电平方案－H桥串联（链式结构）
图9 多电平方案－多重化
对SVG而言，常见的是恒无功功率控制方法。对采用直接电流控制的恒无功功率控制方法框图如图10所示。
图10 恒无功功率控制方法框图
2.3 SVG的控制方法－基于瞬时无功功率的无功电流检测
如图11所示。
图11 SVG的控制方法
2.4 恒无功控制，保证功率因数及抑制电压波动
SVG连接到系统中，通过控制SVG输出电流的幅值与相位来决定从SVG输出的无功的性质与大小QSVG，SVG输出的无功与系统负荷无功相抵消，只要Qs（系统）=QL（负载）-QSVG=恒定值（或0），功率因数就能保持恒定，电压几乎不波动。最重要的是精确计算出负载中的瞬时无功电流。采集的进线电流及母线电压经运算后得出要补偿的无功功率，计算机发出触发脉冲，光纤传输至脉冲放大单元，经放大后触发IGBT或IGCT，获得所补偿的无功电流。
3 SVG实际应用
中达在某铜矿闪速炉6KV配电系统上应用了二套高压多电平－H桥串联（链式结构）的SVG，系统功率因数始终稳定在0.97，电压波动问题基本消除，谐波含量符合国标。配电系统电能质量显著改善，节能效果明显。为中高压配电系统电能质量治理打下了坚实基础，为新技术、新产品的应用写下了新篇章，值得大力推广。图12为闪速炉6KV系统高压SVG现场照片。
图12 闪速炉6KV系统高压SVG现场
作者简介：
周巍,男，生于1972年10月，毕业于中国国防科技大学，计算机信息管理专业。现任中达电通股份有限公司节能应用产品处经理，从事电能质量产品开发、规划和营销，具有8年从事电能质量产品的行业经验。
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