基于simulink的SVC与SVG的性能比较

文章编号:1004-289X(2009)04-0082-03
基于si mulink的SVC与SVG的性能比较
郑中
(广西河池创元有限责任公司,广西河池547000)
摘要:静止无功补偿器(SVC)和静止无功发生器(SVG)是改善电能质量的重要无功补偿装置,已被用来提高功率因数、抑制电压波动与闪变、使电压的幅值和波形符合要求等。

分析了SVC和SVG的工作特性和基本原理,并基于si m u li n k建立了SVC和SVG的仿真模型,通过仿真结果指出SVG比SVC具有响应速度快、损耗小、谐波量小及在系统发生短路故障电压跌落时,相同容量的SVG可以比SVC提供更多的无功以维持系统电压稳定等优点。

关键词:SVC;SVG;si m u li n k;无功补偿
中图分类号:TM71文献标识码:B
The Perfor mance Co m parison of S VC and S VG Based on Si m uli nk
Z HENG Zhong
(Guangx iH ech i Chuang Yuan Li m ited L iability C o mpany,H echi C ity of Guangx,i547000).
Abstract:S tatic Var C o mpensa tor(SVC)and Static Var G enerati o n(SVG)are i m portant reactive po w er co m pensation dev ices i n pow er quality i m pr ove m en,t w hic have been used to i m pr ove the po w er factor,i n hibit vo ltage fluctuation and flicker,m ake t h e a m plitude of voltage and vo ltage wavefor m s m eet the require m ents,and so on.The basic princi p les and character i s tics of SVC and SVG have been ana l y zed i n the paper,and based on si m uli n k,the SVC and SVG si m u lation m ode l have been estab lished,and thr ough the si m ulati o n resu lts,it is po i n ted out that co m pared w it h SVC,SVG has the advantages of rapid response,less l o ss,a s m all a m ount of har m on ics and SVG can provide m ore reactive po w er to m ai n-tain t h e syste m vo ltage stab ility,etc.
K ey words:SVC;SVG;si m u li n k;reactive po w er co m pensation
1引言
现代工业系统中,诸如炼钢电弧炉、电气化铁道、可逆式大型轧钢机等均属于动态变化的非线性负荷。

这类负荷的特点是有功和无功功率随时间做快速变化,导致供电电压的波动和闪变、供电电压的波形畸变、功率因数恶化以及不平衡负荷引起三相供电电压的动态不平衡,从而使电网电能质量变坏[1]。

SVC是目前应用较普遍的无功补偿装置,其显著特点是能快速、平滑调节容性或感性无功功率,实现动态补偿,广泛应用于输电系统、工业网系统,取得了较好的技术经济效益,因而在国内外得到了较快的发展和实际应用。

而S VG是一种更先进、更可靠、更灵活的无功补偿装置,通过控制可关断器件的通断来向系统提供无功,在电能质量研究的领域发挥越来越大的作用。

文中对SVC和SVG的基本原理和工作特性进行了分析,并基于sm i ulink 建立了S VC和SVG的仿真模型,通过仿真结果分析比较了SVC和S VG的性能。

有利于在实际应用中根据电网的具体要求选择合适的补偿设备,或综合两者的优点,更好地改善电网性能[2]。

2静止无功补偿器(SVC)
SVC装置是一种快速调节无功功率的装置,它可使所需无功功率作随机调整,从而保持在冲击性负荷连接点的系统电压水平的恒定。

它可有效抑制冲击性负荷引起的电压波动和闪变、高次谐波,提高功率因数,还可实现按各相的无功功率快速补偿调节实现三相无功功率平衡,使负荷处于稳定、安全、可靠的运行状态。

SVC由可控支路和固定(或可变)电容器支路并联而成,主要有4种型式,即:晶闸管控制电抗器
(TCR )、晶闸管投切电容器(TSC )、自饱和电抗器
(SR)、晶闸管控制高阻抗变压器(TCT)[3]。

TSC 具有分组投切、快速反应、操作没有涌流和过电压、可任意频繁操作、完全自动、不产生谐波等特点,可对频繁变化的负荷作无功功率补偿,可作电压支撑,可以配合其他SVC 设备提供无功功率最高量。

TCR 具有连续调节无功功率量、快速反应、可以频繁操作、产生谐波、运行可靠等特点,可用来补偿系统的中心环节,将FC 与TSC 多送的无功功率量抵消到最合适的位置,是系统电压调节和扩大稳定极限的方法,可以抑制闪变、电压波动。

SR 具有勿需复杂的控制系统、反应时间较短、可分相补偿等特点,但因其制造复杂且价格较高而得不到广泛应用。

TCT 的优点与TCR 差不多,其中高阻抗变压器制造复杂,容量在30MVA 以上
时价格较贵[4]。

以晶闸管控制电抗器(TCR )与固定式电容器(FC)的配合使用来说明SVC 的工作特性,其典型结构图如图1所示。

TCR 并联上电容器后,使得总的无功功率为TCR 与并联电容器无功功率抵消后的净无功功率,因而可以将固定电容器的TCR +FC 型静止无功功率补偿系统的总体无功电流偏置的范围从感性范围延伸到容性范围内,其电压-电流特性如图2所示。

从图2中可以看出,它既可以吸收感性,也可以吸收容性无功功率。

改变控制系统的参考电压可以改变特性的截距。

因而特性可以在水平段上下移动。

作为特性左边界的斜线,就是晶闸管导通角为零,而仅有固定电容器并联在母线上的电容器的伏安特性;作为特性右边界的斜线,就是晶闸管完全导通,其串联电抗器直接接在母线上,并与并联电容器并联产生的总等效阻抗的伏安特性,而它对应的无功功率是电容器与电抗器
无功功率对消后的净无功功率。

图1 TCR +FC 型SVC 结构图 图2 S V C 动作特性图
3 静止无功发生器(SVG )
由于电力电子技术的飞速发展,使用大功率可关断晶闸管(GTO )器件代替普通的晶闸管构成的无功补偿器已开始进入实用阶段。

这种装置称为静止无功发生器(S tatic V ar Generation ,简称SVG )。

S VG 可以
分为电压型和电流型两种类型,直流侧分别采用电容和电感作为储能元件。

实际上,由于运行效率的原因,迄今投入实用的SVG 大都采用电压型桥式电路,如图3所示,其结构简单、能量损耗小、成本低而且易于控制,因此SVG 往往专指采用自换相的电压型桥式电
路作为动态无功补偿的装置[5]。

SVG 的基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联到电网上,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就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流,实现动态无功补偿的目的。

典型的电压型SVG 的工作原理:以二极管构成的整流桥从交流系统吸取少量有功功率,对直流电容C 充电,保持电压稳定。

控制器根据电网无功变化情况,通过6个全控型开关器件构成的三相逆变器向系统输入感性或容性无功。

SVG 向系统注入的无功可用下式表示。

Q =U 2
s sin 2D /2R (1)
式中:U s )系统电压;
R )逆变桥等效电阻;D )SVG 输出电压与U s 的夹角。

由式(1)可知,通过调节D 的大小,就可以控制SVG 注入系统的无功功率。

由于RS 很小,所以调节范围非常大。

如果多台SVG 并联移相输出,则既可提升补偿容量,又能抑制装置本身的谐波电流。

SVG 的工作特性的标志是运行范围大,根据工作原理的分析,SVG 的电压-电流特性如图4所示。

同
图3 SVG 的电路结构图 图4 S VG 的电压-电流特性图
TC R 等型式的SVC 装置一样,改变控制系统的参数(电网电压的参考值U ref )可以使得到的电压-电流特性上下移动,但是可以看出,与SVC 的电压-电流特性不同的是,当电网电压下降,补偿器的电压-电流特性向下调整时,SVG 可以调整其变流器交流侧电压的幅值和相位,以使其所能提供的最大无功电流I Lm ax 和I C m ax 维持不变,仅受其电力半导体器件的电流量限制。

而对SVC 系统,由于其所能提供的最大电流分别受其并联电抗器和并联电容器的阻抗特性限制,因而随着电压的降低而减小。

因此,SVG 的运行范围比SVC 大,SVC 的运行范围是向下收缩的三角形区域,而
SVG 的运行范围是上下等宽的近似矩形的区域,这是
SVG 优越于SVC 的一大特点。

4 基于si m u link 的S VC 和SVG 的性能比较
如图5~7所示为了分析比较SVC 和SVG 的性能,在si m u li n k 的基础上建立了SVC 和SVG 的仿真模型。

仿真参数如图所示,SVC 和SVG 的额定容量都是100MVA,两个仿真电路的其余结构和参数完全一样,在012s 时刻,仿真电路发生模拟故障,在013s 时刻故障切除。

则SVC 和SVG 的动作特性如图8和9
所示。

从图8可以看出,在012~013s 系统发生故障时,SVG 将系统电压维持在原来的71%,而SVC 将系统电
压维持在原来的69%。

从图9可以看出,在012~013s 系统发生故障时,SVG 向系统发出的最大无功为0171pu ,而SVC 向系统发出的最大无功为0148pu 。

由此可以说明:相同的电路结构,在系统发生相同的故障时,相同容量的SVG 可以比SVC 提供更多的无功以维
持系统电压稳定。

同时,从图8和图9的013s 故障切除时刻,可以看出,SVG 的响应速度明显比SVC 的响应速度快。

注:实线是SVG 仿真电路中的,虚线是SVC 仿真电路中的
图8 S VG 和SVC 仿真 图9 SVG 和S V C 向 电路中的系统电压 系统发出的无功
此外,SVC 本身产生一定量的谐波,如TCR 型的5、7次特征次谐波量比较大,占基波值的5%~8%;其他型式如SR,TC T 等也产生3、5、7、11等次的高次谐波,这给S VC 系统的滤波器设计带来许多困难,而在SVG 中则完全可以采用桥式交流电路的多重化技术、多电平技术或P WM 技术来进行处理,以消除次数较低的谐波,并使较高次数如7、11等次谐波减小到可以接受的程度。

5 结论
本文在si m uli n k 的基础上,建立了SVC 和SVG 的仿真模型,通过仿真结果指出SVG 比SVC 具有响应速度快、损耗小、谐波量小及在系统发生短路故障电压跌落时,相同容量的SVG 可以比SVC 提供更多的无功以维持系统电压稳定等优点。

当然,SVG 的控制方法和控制系统显然要比SVC 复杂;SVG 要使用数量较多的较大容量全控型元件,其价格目前仍比SVC 使用的普通晶闸管高一些,因此,SVG 在较大容量补偿的领域有待提高其性能价格比,但SVG 的发展与应用前景必将是广阔的,对电网电能质量的持续改进将发挥越来越显著的作用。

参考文献
[1] 翁利民,张莉.SVC 与SVG 的比较研究[J].冶金动力,2005,(5):1-4.
[2] 周建丰,顾亚琴,韦寿祺.SVC 与STATCOM 的综合比较分析[J].电力自动化设备,2007,27(12):57-60.
[3] 杨恒,屠元吉,孟庆余.SVC 无功补偿技术在济钢热连轧的应用[J].电气传动,2008,38(3):58-60.
[4] 刘隽,李兴源,汤广福.SVC 电压控制与阻尼调节间的相互作用机理[J].中国电机工程学报,2008,28(1):12-17.
[5] 刘方蓝,林莉,牟道槐.STATCOM 抑制电压波动和闪变的分析[J].重庆大学学报(自然科学版),2007,30(2):34-36.
收稿日期:2008-11-12
作者简介:郑中(1984-),男,广西河池人,学士,助理工程师,从事无功补偿和五
防系统方面的工作。