1、本科毕业论文（20 届）高压 SVG 装置的应用现状所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 哈尔滨理工大学学士学位论文I高压 SVG 装置的应用现状摘要无功功率补偿对电力系统有着重要意义。对电力系统进行适当的无功补偿，可以稳定电网电压、提高功率因数、提高设备利用率、减小网络有功功率损耗；提高输电能力，平衡三相功率；为系统提供电压支撑、提高系统运行安全性。而近几年来，随着工业的不断发展，对电能质量的要求越来越高，所以急需一种经济、有效的无功补偿装置。本文通过对从早期到现在几种常用的无功补偿装置，如同步调相机、MSC、SVC、TCSC 和 SVG，
2、的介绍和对比，总结出高压大容量 SVG 装置在现代电力系统中的重要性和优越性，从不同方面对比了高压大容量SVG 装置与其他无功补偿装置的相同点和区别，并对其优缺点进行分析。同时通过对国外已经应用的高压大容量 SVG 装置进行分析，总结出高压大容量 SVG 装置在实际应用中的优点和不足，以及其所起到的作用。最后，对高压大容量 SVG 的基本原理进行了研究和分析。介绍和分析了几种主要的 SVG 主电路结构，阐释了高压大容量 SVG 装置的作用和工作原理。总结了现阶段国内外高压大容量 SVG 的应用情况。关键字 无功补偿；SVG； 单相桥电路哈尔滨理工大学学士学位论文IIThe Current St
3、atus of Application of SVG Device of High VoltageAbstractReactive power compensation on the power system is of great significance. Appropriate reactive power compensation on the power system can stabilize the grid voltage,improve the power factor, improve equipment utilization, reduce the network ac
4、tive power loss, improve the transmission capacity, balance three-phase power, provide voltage support for the system, and improve the security of operation of the system. In recent years, with the continuous development of industry, power quality requirements become higher and higher, so there is a
5、 need for a economical and effective reactive power compensation device.This paper summed up the importance and superiority of the high-pressure high-capacity SVG devices in modern power system by introduction and comparison of several commonly used reactive power compensation device ,such as synchr
6、onous condenser, MSC, SVC, TCSC and SVG, from the early to current, and contrast from the different aspects of the similarities and differences of the high-voltage large-capacity SVG device with other reactive power compensation device, and analyze the advantages and disadvantages of it. At the same
7、 time, by analyzing the high-voltage large-capacity SVG devices had been applied abroad, Summe up the high-voltage large-capacity SVG device strengths and weaknesses in the practical application, and which role the one played. At last, the paper research and analysis on the basic principles of high-
8、voltage large-capacity SVG, and introduces and analyzes several major the SVG main circuit structure,and Explain the role and working principle of the high-voltage large-capacity SVG devices. The paper Summarizes the application of this stage of domestic and foreign high-voltage large-capacity SVG.K
9、ey words Reactive power compensation; SVG; Single-phase bridge circuit哈尔滨理工大学学士学位论文目录摘要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 课题研究背景 .11.2 几种无功补偿装置简介 .11.2.1 早期无功补偿装置 .11.2.2 MSC.11.2.3 SVC.11.2.4 TCSC .21.2.5 SVG .21.2.6 几种无功补偿装置的比较 .21.2.7 SVG 与 SVC 的比较 .21.3 我国电力系统对 SVG 的需求 .31.4 国内外 SVG 的研发现状与发展趋势 .41.4.1
10、 国外 SVG 的应用现状 .41.4.2 SVG 的在应用中的作用与优势 .71.4.3 链式结构 SVG.71.5 本章小结 .7第 2 章 高压 SVG 装置的基本原理 .82.1 SVG 的工作原理 .82.2 单相桥电路 .92.2.1 单相桥电路的结构和工作原理 .92.2.2 单相桥电路的时域数学模型 .112.3 本章小结 .16第 3 章 高压 SVG 的主电路结构和工作原理分析 .173.1 高压 SVG 主电路结构选择的概述 .173.2 几种主要逆变器结构及分析 .183.2.1 变压器多重化逆变器结构及分析 .183.2.2 多电平二极管钳位逆变器结构及分析 .203
11、.2.3 飞跨电容多电平逆变器结构及分析 .213.2.4 链式结构的多电平逆变器结构及分析 .223.3 本章小结 .22第 4 章 链式 SVG 系统与控制 .234.1 链式 SVG 装置的基本原理 .234.2 SVG 的工作原理 .234.3 逆变器主电路器件的基频开关法（FFS） .24哈尔滨理工大学学士学位论文4.4 本章小结 .27结论 .28致谢 .29参考文献 .30附录 .33哈尔滨理工大学学士学位论文- 1 -第 1 章 绪论1.1 课题研究背景随着近几年来工业，尤其是电力行业的不断发展，电能的传输距离和容量不断加大，用户对于用电质量的要求却越来越高；而电力系统中非线性
12、用电设备，特别是电力电子装置的使用，使电力系统中谐波污染的问题愈来愈严重，且多数电力电子装置的低功率因数，增加了电网的负担，严重影响电网的供电质量。这使得谐波抑制问题和无功功率补偿问题成为电力系统领域中的一项重大课题。对于使用电力电子装置所带来的谐波污染以及功率因数低的问题，解决方法有两种：一是针对电力电子装置自身进行改造，使其在使用时既不产生较强的谐波污染，同时又能减小对无功功率的消耗，达到提高输电质量的目的。二是在电力系统中装设大量无功补偿装置，从而达到提高输电网的传输能力，减小无功功率的损耗，提高电力系统的稳定性的目的。由于前者需要针对多数元器件及装置进行改造，范围广、成本高，不符合经济
13、性的原则，较难达到；而后者适用范围广，局限性小，操作起来比较简单，已经在实际中得到了广泛的应用。1.2 几种无功补偿装置简介1.2.1 早期无功补偿装置早期的无功补偿装置是以同步调相机和固定补偿电容器为主的 33。其中，同步调相机的运行成本较高，安装复杂，且同步调相机是旋转电机，其运行时的损耗和噪声都较大，运行和维护都很复杂，响应速度慢；而固定补偿电容器的补偿容量并不是连续变化的，可能会与系统发生谐振。现在的生产实际中，已经不再使用同步调相机来进行无功补偿。1.2.2 MSC机械开关投切电容器组（MSC ）是一种较为简单的无功补偿装置。其在无功补偿时可分级调节、分组投切，但其并不属于动态无功补
14、偿的范畴。由于 MSC 的价格低廉，适用于负荷波动不太频繁的地点 34。目前来看，在国内依然拥有较为广泛的市场。1.2.3 SVC静止无功补偿器（SVC）是目前国际上常用的动态无功补偿装置。据统计，全世界投入运行的 SVC 已经超过 1000 套，总容量超过 100Gvar35。哈尔滨理工大学学士学位论文- 2 -由于 SVC 拥有响应速度快，可以进行连续的无功功率输出等特点，这使得其在电力系统中有着广泛的应用。但其铜耗和铁耗均比较大，且输出到交流系统中的高次谐波较多，其中电抗的体积也很大，使得其仍需进一步的改进和完善 36。SVC 主要有以下几种形式：饱和电抗器（SR 型 SVC） 、晶闸管
15、投切电容器型（TSC 型 SVC） 、固定电容-晶闸管控制电抗器型（ FC-TCR 型SVC） 、机械投切电容器- 晶闸管控制电抗器型（MSC-TCR 型 SVC）以及晶闸管投切电容器-晶闸管控制电抗器型（TSC-TCR 型 SVC） 37。1.2.4 TCSC可控串联电容补偿（TCSC）是基于晶闸管控制的串联补偿装置，其主要应被用在输电系统中，以提高电网的传输能力以及系统的稳定性。1.2.5 SVGSVG 又被称为 STATCOM，在早期国内外的很多文献中对其的称呼多有不同。在美国其被称为 STATCON，即静止调相机（Static Condenser） ，而在欧洲等地则被叫做先进静止无功功
16、率补偿器（ASVC-Advanced Static Var Compensator） ，在中国及日本等地过去则习惯称其为静止无功功率发生器（SVG-Static Var Generator） 。在 1995 年，国际高压大电网会议与电力、电子工程师学会（Gigre-IEEE）建议统一称为 STATCOM（Static Synchronous Compensators） 38。SVG 是基于瞬时无功功率的概念和补偿原理采用 GTO 构成的换相交流器。SVG 分为电压型和电流型桥式电路两种。其中电压型因其损耗较小，易于控制而在实际中被广泛应用。通过对其交流侧电流的直接控制或对桥式电路交流侧输出电位
17、、幅值的调节，从而来进行无功功率交换。SVG与 SVC 相比，调节速度加快，调节范围变宽，在欠电压条件下的无功功率的调节能力增强，具有良好的补偿特性。1.2.6 几种无功补偿装置的比较同步调相机补偿是早期的无功补偿装置，成本高，安装复杂，目前正逐步被淘汰 17。MSC 出现也比较早，在技术上虽然不算先进，但结合目前先进的才、控制技术，MSC 以其优良的性价比，在无功负荷波动不太频繁的场合依然具有广泛的市场空间。目前在国外，SVC 技术已经相当成熟，并取得了广泛的工程应用 10。SVG 装置作为一种比 SVC 在动态补偿上表现更良好的先进补偿装置，已经开始实现产业化并应用于工程领域，只是因为价格
18、比较高，还不能完全取代 SVC 在动态补偿领域的作用。哈尔滨理工大学学士学位论文- 3 -1.2.7 SVG 与 SVC 的比较SVG 和 SVC 这两种 FACTS 设备都是无功补偿装置，它们的无功补偿基本原理都是一致的；但是由于它们的主电路采用的电力半导体器件的不同，因此两种装置的结构配置、无功补偿控制原理、运行性能等方面都不一样。总体来说，SVG 装置在很多方面具有 SVC 装置无法比拟的优点，具体方面如下：一、储能元件就理论而言 SVG 的桥式变流电路的直流侧可以不设储能元件；实际上，为维持桥式变流其的正常工作，其直流侧仍需要一定大小的点干活电容作为储能元件，但所需储能元件的容量远比
19、SVG 所能提供的无功容量要小。而对传统的 SVC 装置而言，其所需储能元件的容量至少要等于其所提供无功功率的容量。因此，SVG 中储能元件的体积和成本与同容量的SVC 相比将大大减小。二、连接电抗器电压源型桥式 SVG 接入电网的连接交流电抗器，其作用是滤除电流中可能存在的较高次谐波，另外起到将装置中的变流器和电网这两个交流电压源连接起来的作用，因此所需的电感值并不大。而与补偿容量相同的TCR 等 SVC 装置所需的电感量相比，SVG 的连接电感要小很多。三、谐波问题传统的 SVC 装置中的谐波，一直以来是一个令人头疼的问题；由于TCR 和 TSC 装置采用晶闸管的相控技术，改变晶闸管的导通
20、角的大小，来动态调整其容量的变化，从而实现装置的动态补偿。这种补偿原理决定了装置必然会产生大量的谐波成分，一般的解决办法是设置或利用并联电容器的方法，即通过在并联电容器上串联小的调谐电抗器构成 LC 低通和高通滤波器的方法来抑制谐波。由于电网电压和负载总是动态变化的，对谐波的一直也是随之变化的，效果并不是很理想。而对 SVG 而言，完全可以采用桥式变流电路的多重化技术、多电平技术或 PWM 技术来进行处理，能够很方便的去除低次谐波，也能够使高次谐波分量抑制到可以接受的程度 7。1.3 我国电力系统对 SVG 的需求目前，我国正在发展大区域互联电网，因广大电网都缺乏有效地无功调控手段及 500k
21、V 电网相对薄弱，使得我国原先主要发生在 220kV 等级的功角稳定已开始逐渐转移为 500kV 电网的电压稳定问题，严重威胁着大区电网的运行安全 39。从环境保护考虑，以后新建火电厂将要远离城市，如果受电端扔缺乏有效地无功支撑措施，则电压稳定问题将更加严重。目前我国常用的无功调节设备仍为机械式并联电抗器、投切电容器，哈尔滨理工大学学士学位论文- 4 -这些静止型调压手段，因调节不连续，响应速度慢，很难满足系统运行方式快速变化时的需求。而另一种调压装置 SVC，响应速度很快，但由于呈恒阻抗特性，使得在电压低时，无法提供所需的无功支持，因此应付突发事件的能力较弱，并且为了谐波必须装设滤波器，占地
22、面积较大，此外，过多的 SVC 装置容易引发系统振荡。相比之下，SVG 则是较为有效的调压手段，他的无功电流输出可在很大电压变化范围内恒定，在电压低时仍能提供较强的无功支持，并且可在从感性到容性全范围内连续调节，使得其无功输出相当与同容量 SVC 的 1.4 倍2.0 倍，据专家估计，当容量超过100Mvar 时， SVG 的性价比与 SVC 相当 40。另外因 SVG 的灵活调压，还可以大大减少变压器分接头的切换次数，从而减少分接头故障次数。除了具有上述诸多优点之外，SVG 还可以抑制电压闪变，提高系统暂态稳定水平，并且其可靠性已得到很大提高 8。结合我国的国情和已有的技术，发展 SVG 应
23、是解决我国电压稳定问题的有效手段，并且也是我国 FACTS 发展的主要方向 1。1.4 国内外 SVG 的研发现状与发展趋势1.4.1 国外 SVG 的应用现状一、1991 年日本关西电力80MvarSVG 221991 年，日本关西电力公司发起，由三菱公司研制的80Mvar SVG在 Inuyama 开关站投运，其电网接线如图 1-1 所示，SVG 位于水电厂群至负荷中心长距离输电线路的中段，安装了这台 SVG 之后，输电通道输送功率极限由 530MW 提高到 620MW，提升了约 17。另据统计，13 本在20 世纪 90 年代共安装了 4 台用于输电网的 SVG，到 2002 年，这 4
24、 台装置的可用率均在 99以上，具有非常高的可靠性 23。图 1-1 日本关西电力 80MvarSVG 系统接线图二、1996 年美国 TVA100MvarSTATCOM24Sullivan 变电站位于美国田纳西州东北部，属于 TVA(Tennessee Valley Authority)管辖，其接线简图如图 1-2(b)所示。该变电站由 500kV 输电网和哈尔滨理工大学学士学位论文- 5 -4 条 160kV 线路供电，冬季负荷高峰期，该地区负荷可达 900MW，其中55由 Sullivan 变电站提供。(a)(b)图 1-2 美国 TVA100MvarSTATCOM 系统(a)STATC
25、OM 装置外观；(b)变电站接线简图三、1997 年丹麦某风电厂8MvarSTATCOM 25该 STATCOM 的主要目的是研究 STATCOM 应用于风电厂提高接人电网系统的电能质量并防止风电厂形成“孤岛”后的灾难性后果 41。风电厂接入电网系统时一般面临两个主要问题：其一是异步发电机吸收的无功功率随输出有功功率的变化而变化，受风力的影响变化比较频繁；其二是形成孤岛后，若并联补偿无功功率高于异步发电机吸收的无功功率，异步发电机容易激发自激振荡。基于上述两个原因，固定并联电容补偿在风电厂中的应用受到限制，而 STATCOM 动态无功响应快速的优点可得到充分发挥。随着风力发电的蓬勃发展，STATCOM 越来越多地应用于风电入网的场合，发挥静态电压调节和暂态电压支撑的作用 2627。四、1999 年英国国家电网75MvarSTATCOM 28
