/闫微/

SVG动态无功发生及滤波器的工作原理及技术分析

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在电力系统中，由于大量电动机负荷和其他用电设备的投入，造成电网供电质量下降，即功率因数较低、电压波动较大。动态无功发生及滤波器不仅能吸收大容量的无功功率，提高功率因数，而且能够吸收任意次的谐波，实现电网的安全运行。本文介绍了SVG动态无功发生及滤波器装置的工作原理和技术难点，分析了此装置的设计方案以及技术特点，并对实际应用中的SVG和SVC装置性能对比做出了详细说明。

谐波 补偿 SVG动态无功发生及滤波器装置

0 引言

在电力系统中，由于大量电动机负荷和其他用电设备的投入，造成电网供电质量下降，即功率因数较低、电压波动较大。近年来由于变频器和整流设备等电力电子设备的广泛使用，使得电网受到严重的谐波污染。在工业负荷发达的电网，日耗电量巨大，负荷呈非线性和冲击性，引发了多种电能质量问题，主要包括功率因数低、谐波含量高、三相不平衡、功率冲击、电压闪变和电压波动。电能质量问题造成的不利影响概括如下：

1）电网的功率因数低，增加电网损耗，加大生产成本，降低生产率。

2）传动设备的频繁起动造成了无功冲击，引起电网电压降低、电压波动和电压闪变，严重时导致传动装置及保护装置无法正常工作甚至影响生产。

3）由于变频器等电力电子设备的使用，产生高次谐波电流，导致电网电压和电流畸变；电压和电流谐波对电网和用电设备产生以下恶劣后果：谐波会导致保护及安全自动装置误动作，影响生产；谐波导致电容器组谐波电流放大，使电容器过负荷或过电压，甚至烧毁；谐波会增加变电器损耗，引起变压器发热；谐波导致电力设备发热，增加损耗；电机力矩不稳甚至损坏，降低生产率；谐波会加速变压器和其他电力设备的绝缘老化；谐波会干扰通讯信号，严重时使通讯无法正常运行，严重影响生产。

4）导致电网三相不平衡，产生负序电流使电机转子发生振动。

目前，解决谐波“污染”的主要途径是对谐波进行补偿，而高压谐波补偿的一个重要方式是采用动态滤波器（SVG）。动态滤波器是一种电力电子装置，其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流相反的补偿电流，从而使电网中只含有基波电流。这种滤波器补偿特性不受电网阻抗的影响，而且可以对频率和幅值都随时间变化的“准”谐波进行补偿，因而受到广泛的重视。动态无功发生及滤波器，不仅能吸收大容量的无功功率，提高功率因数，而且能够吸收任意次的谐波，满足国际要求。目前，这种装置是防止电网“污染”，提高电能质量，节约电能理想设备。

1 SVG工作系统介绍

1.1 SVG动态无功发生及滤波器的工作原理

SVG动态无功发生及滤波器采用与系统并联的方式，通过实时检测负载的谐波和无功分量，采用PWM变换技术，将与谐波和无功分量大小相等、方向相反的电流注入供配电系统中，实现滤除谐波、动态补偿无功的功能。

图1为SVG动态无功发生及滤波器的系统原理图，SVG实际上可以称为任意波形发生器，或者可称为可控非线性元件。有源滤波器可以对任意无功及谐波电流进行补偿。

图1 SVG原理框图

如图2所示，SVG的主电路主要包括控制系统、IGBT功率单元和电抗器部分。通过对功率单元的控制，可以调节功率单元的输出电压，进而调节电抗器上的电流，使SVG吸收或发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的；同时使SVG产生指定的谐波来补偿负荷中的电流谐波，实现谐波补偿的目的。

图2 SVG主电路原理图

1.2 SVG级联多电平功率变换器

SVG级联多电平功率变换器通过将多个功率单元的输出叠加起来得到高压。功率单元如图3所示是改进优化后的标准低压PWM（脉宽调制）逆变器。

所有的功率单元都接收来自同一个主控单元控制器的指令。这些指令通过光纤传输以保证高压与低压隔离。

图3 SVG功率单元电路原理图

1.3 SVG控制系统

SVG控制系统由主控单元和PLC组成，主控单元由电源板、采样板、主控板和光纤板组成。

采样板对系统电压电流信号进行检测、将信号进行量程转换和滤波，然后再通过母板送到主控板上，主控板的核心器件由DSP+FPGA组成，对信号分析做出处理，对各功率单元进行PWM波形控制、触发、封锁、旁路IGBT，使SVG提供需要的波形输出，PLC接收用户的控制指令（运行、停止、急停等），实现各种开关信号逻辑处理。控制系统还对SVG各部件的状态（如各个功率单元、电抗器、风机等）进行监控，提供故障诊断信息，实现故障的报警和保护。

在现场应用中，控制系统可实现与现场的灵活接口，提供现场需要的控制功能，方便改变控制方式，满足用户现场的特殊要求。

1.4 SVG的三种运行模式如下表所示。

2 SVG装置的主要功能

（1）功率因数动态补偿，降低线损，节能降耗

配电系统中的大量负荷，如异步电动机、感应电炉以及大容量整流设备、电力机车等，在运行中都能表现为感性，需要消耗大量的无功，增加了供电线路上的电能损失，降低了电压质量，同时无功电流也降低了发、输、供电设备的有效利用率；对于电力用户而言，低功率因数会增加电费支出，增加变压器损耗，加大生产成本。

SVG可跟随负荷无功的变化，实现无功功率的动态补偿，使线路损耗降到最低，并且充分提高了发、输、供电设备的利用率。

（2）谐波动态补偿，改善电能质量，节能降耗

非线性负荷在在产生冲击性无功功率的同时，常常对公用电网注入大量谐波。并联电容补偿可以降低线损提高供电电压质量，但并联电容不能适用冲击性无功功率的动态补偿，而且电容器的广泛应用又使谐波放大现象更加普遍，加剧了谐波的影响并恶化了电能质量、又增加了电能损耗。SVG采用以IGBT技术为代表的有源滤波技术，响应速度快、可靠性高、动态跟踪补偿基波无功及各次谐波，SVG具备滤波性能不受系统参数变化的影响、无谐波放大危险等突出优点，是动态无功补偿和谐波治理的首选节能解决方案。

（3）输电系统稳定控制，提高线路传输容量

在长距离输电线路中点安装SVG装置，不但可以在正常状态下补偿线路的无功功率，而且可以在系统故障情况下，提供及时快速的无功调节，阻尼系统震荡，提高输电系统稳定性，从而有效提高线路输电容量。

（4）维持负荷端电压，加强系统电压稳定性

表 SVG的三种运动模式

对于负荷中心，由于负荷容量大，而且又没有大型无功电源支撑，因此容易造成电压偏低甚至电压崩溃的稳定事故。SVG具有的快速调节无功功率的功能可以有效维持负荷侧电压，提高供电系统的电压稳定性。

（5）电压波动与闪变抑制

非线性负荷，如电弧炉、轧钢机、电气化铁路等，负荷的快速变化引起电压波动和闪变，不能满足用户对电压质量的要求，会导致设备运行性能不良，出现过电流、过热，保护装置误动及设备烧坏等事故，并且设备性能、生产效率和产品质量都将受到影响。电压波动和闪变对安全生产及人体健康都是极为不利的。

SVG的快速响应使其特别适合于电压波动和闪变的抑制，国际大电网（CRGRE）也将其推荐为如电弧炉等快速波动负荷引起的电压波动和闪变抑制的首选方案。

（6）不对称负荷平衡补偿

三相电压不平衡对用户的用电设备和电网的输变电设备造成很大危害：导致中性点形成较高对地电压，使电子设备积累大量的静电而造成致命的损坏；负序电流会造成变压器损耗加大，造成变压器发热，有效输出容量减小；三相不平衡运行，将增加输配电线路的损耗。

3 SVG装置的主要特点

在配电网中，使用SVG动态无功发生及滤波器装置的主要特点总结如下：

1）响应时间快。受电容器放电时间所限制，自动投切电容器组装置的响应时间需要几秒钟；SVC的响应时间约为20～100ms；SVG装置补偿响应时间可达5ms以内，真正实现动态补偿。抑制电压闪变或跌落。SVG装置可以有效的抑制电压闪变或跌落。

2）连续补偿，功率因数接近于1.0。

3）不会产生谐波放大现象。可应用于谐波问题较为突出的地方，如使用变频器、感应加热电源、可控电阻炉、电解电镀整流电源的配电系统中。

4）可以发出容性无功，也可产生感性无功。既可用在感性负荷场合，还可用在容性负荷的场合，可以提高补偿效果，降低线路损耗。

5）输出无功不受电网电压高低的影响。而电容器投切型或SVC的无功均与电压平方成正比，电压低时，无功输出大幅下降。一般情况下，电容器型补偿装置的利用率只有60%～80%，而SVG为100%。

6）必要时可同时对谐波和无功功率进行补偿。

7）采用H桥级联多电平电路架构，直接接入6kV、10kV、27.5kV和35kV。采用了N+1或N+2冗余结构，当一个H桥链节损坏后，装置仍可继续满负荷运行，装置自身运行可靠性极高。

8）SVG装置接入电网，采用LCL结构，与传统的采用单个电抗器直接接入电网相比，具有以下优点：适应于任何现场电网系统阻抗，不会发生谐振，保证装置的可靠性和安全性；SVG工作时，IGBT高频开关产生的高次谐波不注入电网；补偿无功和滤除谐波的效果更好。

9）SVG的控制系统采用大规模可编程逻辑阵列（FPGA）进行集中控制，（FPGA）时钟频率根据需要最高可到200MHz，内部有84个硬件DSP数字信号处理器单元，180万逻辑门，因此擅长于进行数字信号处理。该控制系统计算能力强，响应速度快，因此可采用更高级的控制算法，进而大大提升SVG的性能。

10）采用新型的控制算法和调制方式，并结合控制系统的超强计算能力，使SVG装置滤除谐波的能力大大增强，可滤除30次以内所有谐波，滤波效率达97%以上。

11）高安全性：SVG设计上遵循高压国家强制规范，高压主回路与控制回路之间光纤连接，安全可靠。

12）完善的保护和故障报警设计：SVG设置有完备的系统保护功能和功率单元保护功能，各种保护动作后，能实现故障自动记录、事故记忆，故障记录能自动记录各种保护的动作类型、动作时间,可以帮助技术人员分析故障原因，并进行故障定位。

13）高灵活性：SVG通过PLC进行现场控制，可通过人机界面修改参数设置灵活改变控制方式，具有多种标准通信协议可方便与中控系统进行通信。

14）安装、调试、维护方便：SVG功率单元按抽屉形式设计，功率单元与外接线采用接插件方式，无需人工接线，具有良好的互换性，方便更换 。

4 SVG 与 SVC 性能比较

SVC（Static Var Compensator）是一种静止无功补偿器。静止无功补偿器是由晶闸管所控制投切电抗器和电容器组成，由于晶闸管对于控制信号反应极为迅速，而且通断次数也可以不受限制。当电压变化时静止补偿器能快速、平滑地调节，以满足动态无功补偿的需要，同时还能做到分相补偿；对于三相不平衡负荷及冲击负荷有较强的适应性；但由于晶闸管控制对电抗器的投切过程中会产生高次谐波，为此需加装专门的滤波器。SVG是SVC的升级版，在很多方面优于SVC。SVC的无功补偿不能连续可调，而且只能输出容性。SVG动态无功补偿可从感性到容性连续调节，占地面积小，安全性高。

SVG和SVC的主要区别有：

1）动态响应速度： SVC响应速度20～40ms，SVG ＜ 1ms 。SVG从容性无功的运行模式到感性无功的运行模式的转换可以在1ms内完成，这种极为迅速的响应速度完全可以胜任对任何冲击性负荷的补偿， 而 SVC无法比拟的。

2）电压闪变抑制能力： SVC是3：1，SVG是5：1。SVC受到响应速度的限制，即使增大装置的容量，其抑制电压闪变的能力也不会增加；而SVG不受响应速度的限制，增大装置容量可以继续提高抑制电压闪变的能力。

3）谐波含量：SVC本身就是谐波源，SVG谐波偏小。SVG采用了PWM技术和级联多电平技术，因此自身产生的谐波含量很低。SVC本身是一个很大的谐波源，其产生的谐波对系统的影响大小，取决于与其匹配安装的滤波器的性能。

4）装置功耗：SVC电抗器功耗大，SVG比SVC至少低2%。在SVC装置中，电抗器的功耗大约占装置总功耗的一半。由于SVG无需大容量的电抗器作为储能元件，因此装置的功耗大大降低。SVG的功耗比同容量的SVC至少低2个百分点。

5）占地面积：SVC占地面积大，SVG是SVC的1/2以下。在SVC装置中，电抗器的功耗大约占装置总功耗的一半。由于SVG无需大容量的电抗器作为储能元件，因此装置的功耗大大降低。SVG的功耗比同容量的SVC至少低2个百分点。

6）装置噪声：SVC电抗器电磁噪声很大，SVG噪声低。SVC装置中TCR部分通过电抗器实现无功补偿，电磁噪声很大，产生噪声污染。而SVG通过逆变器实现无功补偿，运行过程中电磁噪声显著降低。

5 SVG的应用与标准化

SVG应用于大规模输电网中以加强动态无功补偿、改善电网末端或大负荷中心电压稳定性以及作为直流输电无功控制设备。无功传输对配电网的影响，一是会导致电力用户电压水平的恶化，二是会造成线损的上升。为了降低无功传输带来的不利影响，可以在配电网无功负荷集中处安装一定容量的SVG，由SVG向负荷点就近提供无功功率，以减少系统流入的Q，这样不仅可使网络产生的压降△U变小，同时也可使网络的线损△A减小。所以，配网侧SVG在一定条件下不仅可以改善配网用户的电压质量，同时还可以降损节电。现代工业系统中，SVG由于其突出性能已成为实现电网动态无功调节的主要手段。380V～10 kV配电系统中，SVG在大型工矿企业中的应用较为广泛，在钢铁企业中的应用尤为突出，武汉钢铁公司、包头钢铁公司、宝山钢铁公司、济南钢铁公司、张家港沙钢铁公司、天津钢管公司等均装有该补偿装置。

现国内市场上使用的SVG装置，尚无产品国家标准，但其器件安装贯彻的主要标准较健全，主要有GB3ll.7 《高压输变电设备的绝缘配合使用导则》、GB11022 《高压开关设备通用技术条件》、GB5273 《变压器、高压电器和套管的接线端子》、GB14285-1993 《继电保护和安全自动装置技术规程》等。制造企业的制造依据大多都是企业内部标准，企业标准中一般包括术语和定义、链式静止同步补偿器、级联多电平功率变换器、功率单元、连接电抗器、连接变压器、控制器、电压电流特性、控制范围、滞后运行、超前运行、保护功能、控制功能、绝缘性能、试验方法、功能测试等规定。一般引用GB/T 3797-2005 电气控制设备、GB/T 2900.33 电工术语电力 电子技术、GB311.2-311.6-1983《高电压试验技术》、GB11022 《高压开关设备通用技术条件》等作为规范性应用文件。现实中除硬性标准规定外，其他数据参数都可能会根据用户需要进行调整，从而取得项目，所以没有明确的国家标准规范势必会影响到产品质量的良莠不齐。

6 结束语

综上所述，SVG是目前技术中较先进的无功补偿设备。SVG补偿装置具有响应速度快，谐波含量少，无功调节能力强，可同时补偿无功、谐波、负序，易于实现各种智能控制算法等优点，因而可以大大改善电网的电能质量，已成为无功补偿技术的发展方向。 随着GTO、IGCT、IGBT等大功率电力电子器件的进一步发展，SVG技术将会逐渐步入成熟应用阶段，作为最新一代动态无功补偿技术，其在冶金化工、电铁、新能源等行业的应用中有着不可估量的前景。

我国SVG市场规模发展加快、面貌更新、新技术不断应用，业务化运行体系日趋完善，清洁电网和节能降耗能力大幅度提升。但是，长期以来SVG产品系统标准化缺失，只能依靠装置内部器件安装标准来对产品质量进行把关，规范化建设落后于市场发展，部分设备型号杂乱，新旧不一，缺少统一标准，影响了总体设备生产质量，制约了SVG规模化生产。因此，SVG设备标准化、系统化应是一项重点工作，可以全力推进我国国产设备标准化、制度化建设，不断完善电力设备标准体系和设备应用标准化工作，保障我国自主研发设备长期稳定发展。