张 乐

（安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽 淮南232001）

0 引言

虽然无功功率不直接向系统提供可以被负荷利用的能量，但在系统中却有着至关重要的作用，如果无功分布不合理、无功补偿设备不足、无功补偿设备投运率较低等等，都会对系统电压的运行造成了极大的破坏；当有功和无功在电力系统中不平衡时，系统电压将会下降。而电压的质量是否稳定，是判断电力系统能否经济安全运行的一个重要指标。

1 设计原理

1.1 传统无功补偿装置

同步调相机[1]，等效于空载运行的同步电动机，它是通过调节励磁来进行无功功率的补偿：过励磁运行时，它提供感性无功，欠励磁时，它吸收感性无功；但是由于同步调相机是机械旋转结构，存在很多机构上的缺点，如噪声大、损耗高、维护复杂和响应慢等等，在无功补偿领域已不被经常使用。并联电容器，可以分散安装，从而实现无功能够就地补偿，它的优点就是结构简单、造价便宜，以及后期的运行维护非常方便，然而，其致命缺点在于其供给的无功与所在节点电压的平方成正比，若出现电压跌落的情况，它所输出的无功功率反而会减少，导致恶性循环，使得电压持续跌落，因此其无功功率调节能力是比较差的。

上述提到的无功补偿装置器都存在各自存在缺点，对整个电网的技术运行以及所带来的经济效益都偏低，所以最后导致了它们应用的局限性，必须被更为先进和更具实用性的补偿装置所替代。由此引出本文的研究对象：基于电力电子开关器件的新型无功补偿装置中的静止无功补偿器（SVC）。

1.2 新型无功补偿器

调相机和电容器是传统的变电站主要的无功补偿装置。随着现代电力电子技术广泛应用于电力系统中，将GTO、IGBT等交流无触点开关作为投切开关，不仅能进行单相调节，并且还可以在一个周期的时间内完成无功补偿。SVC就是使用GTO、IGBT等全控开关器件构成自换向变流器，它在电压下降时接入节点端，通过控制向系统提供无功补偿支撑，使得系统满足无功需求，从而维持电压的稳定，对于一些单相的大容量负荷投入到电网，引起电网三相电出现了各相电压不平衡的情况，SVC可以通过分相控制策略，使得负序所引起的不平衡功率流入SVC，最后达到系统的平衡与稳定。特别对于有谐波污染的电网，可以通过加装带滤波器的SVC（TCR+FC、TCR+PF）等，使电网的谐波功率流入SVC中的滤波支路来完成谐波的滤除。对于存在大型电动机冲击性负荷的电网，功率因数都比较低，SVC的投入可以使得电网的功率因数得到提高，以弥补经济利益的损失。

SVC装置是通过控制晶闸管的导通角来达到无功补偿的目地，即控制电抗器的投入与切出时间差，来完成补偿电流值的控制，采用的是快速，直接简易的控制方式。而且与其他无功补偿装置相比较，电容器装置具有对安装环境要求不高，不需要除电气专业方面以外的附加设备，易于扩建，运行、维护检修最简单等优点。当无功负荷变化频率不是很大，分组投切固定电容器便可满足要求时，SVC将是现在和今后很长时间变电站无功补偿的主要装置。

SVC装置补偿无功的原理是根据功率流动的规律，将由IGBT构成的自换相的三相桥式逆变电路（包括电压型逆变电路和电流型逆变电路）通过电抗器或是滤波器装置连接到电网系统中，作为SVC无功补偿装置的核心硬件部分。然后，由电流、电压检测电路在线检测电网参数，并实时反馈到控制中心，控制中心根据一定的算法规律计算需要补偿的无功功率，控制交流侧的输出电流或控制交流侧注入电网的电压相位和幅值，从而实现吸取或发出所需无功量，达到补偿目的。整个过程响应速度快，控制准确度高，因此能够有效维持电网的稳定性。

根据无功功率理论可知：在SVC装置与电网之间只是交换彼此功率，不存在消耗，因此电网中的总的瞬时功率值是固定的，无论是感性还是容性的负载，均不在SVC中产生能量的消耗。SVC装置的电路包含两大要素，即由电力电子器件构成的逆变桥式电路以及直流侧储能元件（可以是电容元件也可以是电感元件，本文研究电容元件）[2]。SVC装置三桥臂电压主电路结构如图1所示：

图1 SVC三桥臂电压型电路

本课题主要以电压型逆变电路为主要研究对象，具体的电路连接包含IGBT电压型逆变电路（六组IGBT，六组反相并联二极管，并接电容或电抗），其中电容是储能元件提供电压支撑，三相桥臂中的两个晶体管各反并一个二极管，且选择频率高功耗小驱动简单的晶体管，各个桥臂的导电角为120°,两个桥臂交替导电从而防止直流侧短路（即总有三个桥臂保持导通），导通角差为120°，因此，能保证给开关管可靠的关断信号从而保障逆变电路的稳定工作。

SVC可以采用电压型桥式电路或电流型桥式电路，这两者的工作原理基本相同。目前，由于电压型逆变电路的SVC运行效率较高等原因，到现在为止投入运行的SVG大多都采用了电压型桥式电路。下面以自换相的电压型桥式电路SVC为例的工作原理。

设电网电压为US，VSC输出的交流电压为USVC,连接电抗小上的电压UL（即US和USVC的向量差）。电抗X上的电流I就是SVC从电网吸收的电流，它是能够由SVC电压来控制的。改变USVC的幅值和相位，就可以改变UL，进而调节SVC从电网吸收电流的大小和方向，也就可以控制了SVC是从电网吸收容性无功还是吸收感性无功，以及无功的大小[3]。

2 系统仿真

选用相位以此滞后120°的三相对称的正弦波的理想电压波形来搭建SVC的仿真模型系统。SVC装置主电路由六个IGBT管构成。在系统平台中接入电阻为6Ω，电感为0.02H来验证感性无功的补偿。仿真结果如下：

图2 补偿前a相电压、电流波形

由图2可以看出a相电流为感性电流，大约滞后电压45°，此时负载从电网吸收的无功为感性无功。

图3 补偿前a相电压、电流波形

由图3可以看出当系统接入静止无功发生器后，系统电压相位和电流相位几乎完全相同，由此证明此时的功率因数为1。

通过对整个SVC系统的仿真，得到了进行感性无功补偿时的曲线，说明了本系统能够很好的实现预期补偿效果。为SVC装置的可行性提供了理论支撑。

3 结论

无功补偿是提高电能质量，保障电网高效运行的主要手段之一。SVC是基于IGBT的新型无功补偿装置。本文介绍了SVC的发展、原理以及已有的无功电流检测方法和控制策略。并对感性补偿进行了仿真研究，在Simulink仿真环境下对SVC的系统模型进行了仿真，得到了拟合曲线。结果表明，本论文所搭建的系统能够满足无功补偿的目的，有很好的实时性、准确性。

［1］余贻鑫.电压稳定研究评述[J].电力系统自动化,1999,23(21)：1,8.

［2］Chen CL,Lin CE,Huang CL.Reactive and harmonic current compensation forum balanced three-phase systems using the synchronous detection method[J].Electric Power Systems Research,2009,26：163-170.

［3］Akagi H,Satoshi Ogasawara,Hyosung Kim.The theory of instantaneous power in three.phase four.Wires stems：a comprehensive approach[J].IEEE Trans on Industry Applications,2012,1：431-439.