谐波抑制和无功功率补偿 第五章

第5章 静止无功补偿装置

本文第4章中介绍的无功补偿电容器是传统的无功补偿装置，其阻抗是固定的，不能跟踪负荷无功需求的变化，也就是不能实现对无功功率的动态补偿。而随着电力系统的发展，对无功功率进行快速动态补偿的需求越来越大。

传统的无功功率动态补偿装置是同步调相机（Synchronous Condenser，缩写为SC）。它是专门用来产生无功功率的同步电机，在过激磁或欠激磁的不同情况下，可以分别发出不同大小的容性或感性无功功率。自二、三十年代以来的几十年中，同步调相机在电力系统无功功率控制中一度发挥着主要作用。然而，由于它是旋转电机，因此损耗和噪声都较大，运行维护复杂，而且响应速度慢，在很多情况下已无法适应快速无功功率控制的要求。所以七十年代以来，同步调相机开始逐渐被静止型无功补偿装置（Static Var Compensator，缩写为SVC）所取代，目前有些国家甚至已不再使用同步调相机。

早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器（Saturated Reactor，缩写为SR）型的。1967年，英国GEC公司制成了世界上第一批饱和电抗器型静止无功补偿装置。此后，各国厂家纷纷推出各自的产品。饱和电抗器与同步调相机相比，具有静止型的优点，响应速度快；但是由于其铁芯需磁化到饱和状态，因而损耗和噪声都很大，而且存在非线性电路的一些特殊问题，又不能分相调节以补偿负荷的不平衡，所以未能占据静止无功补偿装置的主流。

电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，将使用晶闸管器件的静止无功补偿装置推上了电力系统无功功率控制的舞台。1977年美国GE公司首次在实际电力系统中演示运行了其使用晶闸管的静补装置。1978年，在美国电力研究院（Electric Power Research Institute）的支持下，西屋电气公司（Westinghouse Electric

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Corp.）制造的使用晶闸管的静补装置投入实际运行。随后，世界各大电气公司都竞相推出了各具特点的系列产品。我国也先后引进了数套这类装置。西安电力机械制造公司已具备自行设计制造这类装置的能力，自八十年代末以来，已先后承接了十多个此类工程，并向泰国出口。

由于使用晶闸管器件的静止无功补偿装置具有优良的性能，所以，近十多年来，在世界范围内其市场一直在迅速而稳定地增长，已占据了静止无功补偿装置的主导地位。因此静止无功补偿装置（或SVC）这个词往往是专指使用晶闸管器件的静补装置，包括晶闸管控制电抗器（Thyristor Controlled Reactor，缩写为TCR）和晶闸管投切电容器（Thyristor Switched Capacitor，缩写为TSC），以及这两者的混合装置（TCR+TSC），或者晶闸管控制电抗器与固定电容器（Fixed Capacitor，缩写为FC）或机械投切电容器（Mechanically Switched Capacitor，缩写为MSC）混合使用的装置（如TCR+FC、TCR+MSC等）。本章在对动态无功补偿的原理作简要分析之后，将分别对晶闸管控制电抗器和晶闸管投切电容器这两种主要的静止无功补偿装置作详细介绍。

随着电力电子技术的进一步发展，八十年代以来，一种更为先进的静止型无功补偿装置出现了，这就是采用自换相变流电路的静止无功补偿装置，本书称之为静止无功发生器（Static Var Generator，缩写为SVG），也有人称之为高级静止无功补偿器（Advanced Static Var Compensator，缩写为ASVC），或者静止调相器（Static Condenser，缩写为STATCON）。最近，日本和美国已分别有数台SVG装置投入实际运行。本章将在5.4节对这种新型静补装置作细致介绍。

最后，在本章结尾，作者将对各种无功功率补偿装置作简单对比，并就有关的发展趋势作一讨论。

5.1 无功功率动态补偿的原理

对电力系统中无功功率进行快速的动态补偿，可以实现如下

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的功能：[103, 108]

⑴对动态无功负荷的功率因数校正； ⑵改善电压调整；

⑶提高电力系统的静态和动态稳定性，阻尼功率振荡； ⑷降低过电压； ⑸减少电压闪烁； ⑹阻尼次同步振荡；

⑺减少电压和电流的不平衡。

应当指出，以上这些功能虽然是相互关联的，但实际的静止无功补偿器往往只能以其中某一条或某几条为直接控制目标，其控制策略也因此而不同。此外，这些功能有的属于对一个或几个在一起的负荷的补偿效果（负荷补偿），有的则是以整个输电系统性能的改善和传输能力的提高为目标（输电补偿），而改善电压调整，提高电压的稳定度，则可以看作是二者的共同目标。在不同的应用场合，对补偿装置容量的要求也不一样。以电弧炉、电解、轧机等大容量工业冲击负荷为直接补偿对象的无功补偿装置，要求的容量较小，而以电力系统性能为直接控制目标的系统用无功补偿装置，则要求具有较大的容量，往往达到几十或几百兆乏。

补偿功率因数的功能及其原理是大家熟知的，下面仅以改善电压调整的基本功能为例，对无功功率动态补偿的原理作一简要介绍。

V0 Z=R+jX Q Ql 负荷 V0 V C B Q? A 系统电压V Q? 补偿器 Ql O

QA Q

a） b） 图5-1 无功功率动态补偿的原理

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a） 单相电路图 b） 动态补偿原理

图5-1a所示为系统、负荷和补偿器的单相等效电路图。其中V为系统线电压，R和X分别为系统电阻和电抗。设负荷变化很小，故有△V<

V?V0(1?或者写为

Q) （5-1） SSC?V?Q （5-2） ??V0SSC其中V0为无功功率为零时的系统电压，Ssc为系统短路容量。可

见，无功功率的变化将引起系统电压成比例的变化。

投入补偿器之后，系统供给的无功功率为负荷和补偿器无功功率之和，即

Q?Ql?Q? （5-3） 因此，当负荷无功功率Ql变化时，如果补偿器的无功功率Q?总能够弥补Ql的变化，从而使Q维持不变，即△Q=0，则△V也将为0，供电电压保持恒定。这就是对无功功率进行动态补偿的原理。图5-1b示出了进行动态的无功补偿，并使系统工作点保持在

Q?QA?常数 （5-4） 的示意图。当使系统工作点保持在Q=0处，即图中的C点时，就实现了功率因数的完全补偿。可见补偿功率因数的功能可以看作是改善电压调整的功能的特例。

在工程实际中，为了分析方便，常常把负荷也包括在系统之内考虑，总体等效为一个串联一定内阻的电压源，即将图5-1a中虚框内的部分等效为图5-2a中虚框内的部分，并忽略内部阻抗中

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的电阻，而电抗记为XS。等效后系统电源电压为等效前连接点处未接补偿器时的电压。另外，由于补偿器具有维持连接点电压恒定的作用，故可以将其视为恒定电压源，电压值取为系统未接补偿器（即补偿器吸收的无功电流为零）时连接点处的正常工作电压，也就是图5-1中补偿器未接且负荷无功不变时的供电电压，记为Vref。其电压—电流特性如图5-2b所示，为一水平直线，由于电流为无功电流，电压又维持一定，因此也可以看作电压-无功功率特性曲线。这样，整个等效电路即如图5-2a所示。

Xs 系统 I V 补偿器 Vre fV Vs=Vref+?Vs Vref IC (QC) O IL I (QL) (Q)

a） b） 图5-2 理想补偿器的等效电路及特性

a） 等效电路 b） 电压—电流（无功功率）特性

当图5-1a中未接补偿器而由于某种原因（例如负荷无功的变

化）使连接点处电压变化△VS时，也就是在图5-2a中系统电源电压变化△VS时，接入补偿器后，连接点电压即可以回到正常值。由图5-2a可得，此时补偿器所吸收的无功功率应为

Q???VS?Vref （5-5） XS换句话说，一台可吸收无功功率为Q?的补偿器，可以补偿的系统电压变化为

?VS?XSQ? （5-6） Vref注意，按照电力系统中的常规做法，这里采用的是标幺制，各量均为标幺值，故三相电路与单相电路的公式是一样的，且与三相的联结方式无关[109]。

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中介绍的多相整流原理完全一样，由供电电压相差30?相角的两个六脉冲TCR可以构成十二脉冲TCR，以进一步减小线电流中的谐波。如图5-7所示，TCR通过降压变压器连接到系统母线上，降压变压器二次侧设两个绕组，一个为Y接法，一个为?接法，就形成了30?的相差，分别连接一个六脉冲TCR，即可构成十二脉冲TCR。其一次侧线电流中将仅含12k?1次谐波（k为正整数）。当然，当组成它的一个六脉冲TCR出现故障时，另一个仍可正常工作，这也是十二脉冲TCR的一个优点。

图5-7 十二脉冲TCR的接线形式

在需使用降压变压器的场合，工程实际中有时将降压变压器设计成具有很大的漏抗。这样可以省去原来串联的电抗器，降压变压器二次侧绕组实际上通过晶闸管短接了起来。其?和Y两种接线分别如图5-8a和b所示。这其实是TCR的一种变形，又被称作晶闸管控制变压器（Thyristor Controlled Transformer，缩写为TCT）。其优点是可以降低成本，而且当二次侧发生短路故障时，高的漏抗可使变压器免受短路应力；另外，由于其高漏抗变压器不易饱和，线性度好，并且比之单独的电抗器有更大的热容量，因此可以吸收感性无功范围内更大的过负荷。缺点是如果需要与并联电容器配合使用，则电容器只能接在一次侧的高压母线上，

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这显然又增加了成本。

a） b） 图5-8 晶闸管控制变压器（TCT）

a）?接法 b）Y接法

S S S TCR 固定电容器(FC) 可兼作滤波器 (1) (2) (3) (4) 可投切电容器 MSC或TSC

图5-9 与并联电容器配合使用的TCR （S可以是机械断路器，也可以是晶闸管开关） (1) TCR+一组电容器；(2)TCR+两组电容器； (3)TCR+三组电容器；(4)TCR+四组电容器

单独的TCR由于只能吸收感性的无功功率，因此往往与并联

电容器配合使用，如图5-9所示。并联上电容器后，使得总的无

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功功率为TCR与并联电容器无功功率抵消后的净无功功率，因而可以将补偿器的总体无功电流偏置到可吸收容性无功的范围。另外，并联电容器串联上小的调谐电抗器还可兼作滤波器，以吸收TCR产生的谐波电流。

当TCR与固定电容器配合使用时，被称为TCR+FC型SVC，有时也简称为TCR，其电压—电流特性如图5-10所示。实际上，在下文中将可看到，改变控制系统的参考电压可以改变特性在纵轴上的截距，因而可以使特性的水平段上下移动。作为其特性左边界的斜线，就是晶闸管导通角为零，而仅有固定电容器并联在母线上时电容器的伏安特性；而作为右边界的斜线段，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，而它所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。因此，当要求这种补偿器的补偿范围能延伸到容性和感性无功两个领域时，电抗器的容量必须大于电容器的容量。比如，当希望补偿器吸收无功的能力为一倍的容性无功到一倍的感性无功，则电抗器的容量必须为电容器的两倍。此外，当补偿器工作在吸收很小的容性或感性无功的状态时，其电抗器和电容器中实际上都已吸收了很大的无功，都有很大的电流流过，只是在相互对消而已。这些都是这种类型补偿器的缺陷。

V Vref IC O IL I

图5-10 TCR+FC型SVC的电压—电流特性

对以上配置加以改进，将并联电容器的一部分或全部改为可以分组投切的，如图5-9所示。这样电压—电流特性中电容造成的偏置度就可以分级调节，就可以使用容量相对较小的TCR。这

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样的补偿器被称为晶闸管控制电抗器+可投切电容器型的静止补偿器，或者称为混合型静止补偿器。图5-9给出的即为部分并联电容器可以分组投切的混合型静止补偿器，它包括一组固定电容器和三组可投切电容器。当电容器的投切开关为机械断路器时，又被称为TCR+MSC型静止补偿器；当电容器的投切开关为晶闸管时，又被称为TCR+TSC型静止补偿器。

(4) (3) (2) (4’) (1) V (3’) (2’) (1’) IC 0 IL I

图5-11 混合型SVC的电压—电流特性

混合型静止补偿器的电压—电流特性如图5-11所示。事实上，图中的特性0-(1)-(1’)、0-(2)-(2’)、0-(3)-(3’)和0-(4)-(4’)分别是图5-9中的TCR并联一组、两组、三组和四组电容器时的电压—电流特性，而所组成的混合型补偿器是在电容器组切换时与TCR的控制适当配合，形成总的电压—电流特性0-(4)-(1’)。为了在切换时保持电压—电流特性连续而不出现跳跃，在TCR的控制器中应有代表当前并联电容器组数的信号，当一组并联电容器投入或切除时，该信号使TCR的导通角立即调整，以使所增减的容性无功功率刚好被TCR的感性无功功率变化所平衡。

从电压—电流特性可以看出，混合型补偿器中TCR的容量只须在对消那组固定电容的容性无功后能满足对感性无功的要求即可，而不必象TCR+FC型补偿器那样要能在对消全部并联电容器的容性无功后满足对感性无功的要求。另外，混合型补偿器TCR的容量还应略大于每次电容切换时容性无功的变化，否则也会造成电压—电流特性在切换处断续。混合型补偿器的主要问题是在控制中应避免过于频繁地投入或切除电容器组，对于使用机械断

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路器投切电容的混合型补偿器更是如此。

5.2.3 控制系统

TCR的控制系统应能检测系统的有关变量，并根据检测量的大小以及给定（参考）输入量的大小，产生相应的晶闸管触发控制角，以调节补偿器吸收的无功功率。因此，其控制系统一般应包括以下三部分电路：

⑴检测电路—检测控制所需的系统变量和补偿器变量； ⑵控制电路—为获得所需的稳态和动态特性对检测信号和给定（参考）输入量进行处理；

⑶触发电路—根据控制电路输出的控制信号产生相应相位角的晶闸管触发脉冲。

应该讲，检测电路取哪些量作为补测对象，以及采取什么样的控制策略和控制电路，这些都取决于用户对补偿器功能（如本章5.1节中所列）的要求。但总体来说，其控制策略可以分为开环控制和闭环控制两大类。开环控制的优点是响应迅速，它适用于负荷补偿的场合，尤其在减少电压闪烁方面有成功的应用；而闭环控制的优点是精确，对于输电补偿，特别是那些远离负荷和电源的输电线的中点，则更适用闭环控制。不论是开环控制还是闭环控制，控制电路输出的控制信号一般是期望补偿器所具有的等效电纳，也就是补偿器等效电纳参考值Bref，当然，也有某些设计其控制算法直接得到触发脉冲而未出现代表Bref的显式信号。

下面将分别简要介绍TCR的控制系统中常见的信号检测方法，由控制信号产生触发脉冲的方法，以及具体的控制方法。

5.2.3.1 信号检测

根据对补偿器所期望的功能，被检测的信号应包含下列物理量中的一个或几个：

⑴系统电压；

⑵流过传输线或补偿器本身的无功功率； ⑶传输线输送的有功功率或其变化率； ⑷电压相角偏差；

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⑸系统频率及其导数等等。

应当注意的是，控制当中需要的信号是反映以上这些量有效值或幅度大小的直流信号，因此往往需要对传感器所得的信号作进一步的处理。

例如，对系统电压，实际需要的是能反映系统电压有效值大小的直流信号。所以，对从电压互感器检测出来的三相电压信号常采用的进一步处理方法有：整流、取平均值、取方均根值、取正序分量、滤波等等。图5-12示出了用于60Hz系统电压检测的典型电路方框图[110]。其中的90Hz带阻滤波器是为了滤去可能产生系统谐振的谐波，而60、120、360Hz带阻滤波器则是用来滤去整流的特征谐波以及由于可能的三相不平衡引起的谐波的。

图5-12 用于60Hz系统电压检测的典型电路方框图[110]

最近，根据瞬时无功功率理论进行信号检测的方法也应用到了SVC的控制系统当中，本书第6章中将有详细论述。

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5.2.3.2 触发脉冲的产生

如果采用锯齿波作为触发电路的同步信号，或者采用数字控制电路，则触发电路的控制信号与触发控制角?以及晶闸管导通角?都是线性关系，但是，触发控制角（或晶闸管导通角）与补偿器实际的等效电纳之间却并不是线性关系。从第3章中3.3节的分析可知，TCR电流的基波分量与晶闸管导通角之间的关系为

I1???sin?V （5-8） ?XL其中V为系统电压，XL为与晶闸管串联电抗的大小。因此，TCR的等效电纳即为

BL???sin???sin? （5-9） ?BLmax?XL?其中等效电纳最大值为BLmax=1/XL。可见，导通角?与TCR等效

电纳之间是非线性的关系。将其绘成曲线，如图5-13所示。

图5-13 导通角?与TCR等效电纳BL之间的非线性关系

为了克服这种非线性的影响，通常在触发电路的输入端与触发脉冲形成环节之间插入一个非线性环节，以补偿导通角与实际

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等效电纳之间的非线性，如图5-14所示。这个插入的非线性环节被称为线性化环节。其具体实现方法非常灵活，在数字控制电路中可以根据式（5-9）采用查表的方法实现，在模拟控制电路中的实现方法可参阅文献[103]。控制电路输出的控制信号一般是补偿器等效电纳的参考值Bref，因此，线性化环节的插入实现了等效电纳的参考值Bref与实际值BL之间的线性关系。 控 制 Bref 电 路 线性化环节 触发脉冲形成环节 触发控 制电压 K2 ? BLmax(??sin?)BL ?触 发 电 路 输出 TCR主电路 输出 输入 输入

图5-14 触发电路前端的线性化环节及其功能

5.2.3.3 控制方法

开环控制的策略相对较简单，多用于负荷补偿，例如检测负荷无功功率，来控制TCR产生相等的无功功率，从而使电源供给的无功功率为零，以达到功率因数校正或改善电压调整的目的。

闭环控制的策略较为复杂，下面就以闭环控制为主，以改善电压调整的功能为例，介绍具体的控制方法。

根据控制理论的基本原理，要得到稳定的电压，必须引入电压的负反馈控制。图5-15就给出了电压闭环的控制方法示意图。它通过检测到的系统电压V与系统电压参考值Vref的比较，由其偏差来控制系统的运行。其调节器一般为比例调节器。显然，TCR电压—电流特性在电压轴上的截距由电压参考值Vref决定，而该特性的斜率由闭环系统的开环放大倍数决定，因而改变比例调节器的放大倍数就可以改变电压—电流特性的斜率。而补偿器的动态特性和稳定性则由闭环系统的开环放大倍数和时间常数共同来决定。

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Vref V 比例 调节器 线性化 环节 触发和 TCR主回路 电网 反应 V 图5-15 只有电压反馈的控制方法示意图

为了改善控制性能，可以在此基础上再引入补偿电流ISVC的反馈。一种方法是在电压反馈构成的外闭环之内再引入电流环的负反馈控制，以提高控制精度，如图5-16所示。这样，控制系统中就有两个调节器──电压调节器和电流调节器。如果电流调节器的放大倍数足够高，或者采用有积分作用的调节器，则电流偏差就可以忽略，甚至基本为零。因此补偿电流将完全由电压调节器的输出信号决定，而与其它因素无关。补偿器电压—电流特性的斜率则仍由电压调节器的放大倍数决定。

V ref V 电压 Iref 调节器 电流 调节器 线性化 环节 触发和 TCR主回路 电网 反应 V ISVC ISVC 图5-16 带电流内环的电压反馈控制方法示意图

图5-17给出了另一种引入补偿器电流反馈的方法。在这种情况下，调节器一般设计成具有积分作用，因而稳态时电压偏差为零，可实现对电压的精确控制。而引入的补偿器电流反馈实际上相当于根据补偿器无功电流的大小对电压参考值的修正。因此，实际上电流反馈通道的增益是用来决定补偿器电压—电流特性斜率的。而整个补偿器的动态性能是由调节器的积分增益以及系统的时间常数决定的。图5-18给出了采用这种电流反馈形式的一个TCR控制系统框图。 Vref kISVC 反馈增益k ISVC 调节器 线性化 环节 触发和 TCR主回路 电网 反应 V V 图5-17 具有附加电流反馈的电压反馈控制示意图

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滤波 整流 滤波 整流 PT CT PI +10V +10V 自动 手动 线性化 脉冲形成 自动运行手动运行参考电压 参考电压 TCR FC

图5-18 TCR控制系统一例

以上的介绍都是以电压调整功能为例，实际上将这些控制方法稍加修改或补充，就可以使静止补偿器的功能扩展到无功功率动态补偿所能实现的其它一些功能范围。象图5-19所示的那样，这些功能可以有自己的调节器，它们通过对有关物理量的检测有效地修正电压控制环的参考电压，成为附属于电压控制的功能。例如，要增加对输电线传输的无功功率的控制功能，则要检测传输的无功功率大小并与参考量比较；若要加入阻尼功率振荡，维持电力系统稳定的功能，则可以将传输线输送的有功功率及其变化量，或者系统频率及其导数作为检测量。

有关被测物理量 其它功能 ?Vref kISVC 调节器 Vref V 去电压调节器

图5-19 补偿器多种控制功能的实现

在有些场合，某种特殊功能可能取代电压控制功能而成为主要功能，或者要求采用特有的检测和控制方法，因而控制系统可能并不包含电压闭环。例如，以功率因数校正为主要目标的负荷无功功率补偿，可以采用如前文所述的开环控制，也可以与闭环控制相结合，加一个响应速度较慢的总无功功率或功率因数反馈

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控制闭环即可；而若要补偿三相电流的不平衡，则需分别检测出三相电流中的非正序成分，采用三相分相单独触发的控制方法，来产生不平衡的三相补偿电流。

此外，控制系统中还可以包括各种保护功能，如限制补偿器的运行范围、过电流保护、谐波电流限制等等，以及各种特殊控制功能，如手动控制与自动控制的切换、自动增益调整、频率补偿等等[108]，还应包括对与TCR配合使用的MSC或TSC的相应控制功能，这些都不再详述。

5.2.4 动态性能及动态过程分析

根据期望补偿器所具有功能的不同，对补偿器的动态性能有不同程度的要求。补偿器动态性能的好坏，对补偿器能否真正实现其预定功能具有极其重要的意义。

补偿器功能不同，其动态性能所包含的具体内容也不尽相同，但不外乎都是指补偿器针对某种参考量的突变、突加的小扰动、或者可能使补偿器超出正常运行范围的大扰动或故障的时域响应性能。对以改善电压调整为目标的输电补偿来讲，就具体包括突加电压参考量、无功负荷突变（包括小扰动和大扰动）、系统短路电抗突变、单相或三相故障以及补偿器过电流故障等项目的系统电压时域响应性能。其中对各种扰动（包括负荷突变和系统短路电抗突变等）的动态响应性能，是补偿器在正常工作状态下最受关注的性能指标。对这些动态调节过程，常常可以用前面介绍过的求系统负载线与补偿器电压—电流特性交点的方法加以分析。下面就以用于改善电压调整的TCR+FC型补偿器（下面简称为TCR）为例，对其受扰动时的动态调节过程进行分析。

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F b a V c G B D A 导通角?a l2 l1 导通角?c O IL I

IC 图5-20 TCR补偿器对扰动的动态调节过程

如图5-20所示，TCR补偿器的电压—电流特性为图中O-A-B-D段，而扰动前系统负载特性为l1，二者交于a点，也就是扰动前系统的工作点。补偿器特性上a点对应的晶闸管导通角为?a，因此a点也可以看成是导通角为?a时补偿器等效感抗的伏安特性OF与系统负载线的交点。假设在某一时刻电力系统突然受到扰动，如无功负荷突然减小，造成系统负载线突然从l1上升至l2，则在这一时刻，由于补偿器还未来得及调整，其晶闸管导通角仍为?a，因此系统的工作点将从a点移至b点，也就是导通角为?a时补偿器等效感抗的伏安特性与系统负载线l2的交点。随后，由于补偿器控制系统的检测与调节作用，使晶闸管导通角增大至?c，最终将使系统稳定运行在c点，即补偿器特性与l2的交点，或者说导通角为?c时补偿器等效感抗的伏安特性OG与l2的交点。

在这一动态调节过程中，系统电压的最高值出现在b点，也就是突加扰动后的时刻，随后随着补偿器的调节使系统电压恢复到稳定值。如果补偿器控制系统参数设计适当的话，这个动态调节过程可以在1～2个周波内完成。动态性能较好的补偿装置甚至可能不会到达b点就很快移至c点。图5-21示出了某一TCR装置在一模拟电力系统当中对负荷阶跃变化的动态响应实验结果[111]

。图中给出了系统电压、电压检测电路的输出、负荷电流以及控制电路中电压调节器的输出波形。在图中所示的某一时刻负荷电流突然减小，可以看出，由于检测电路的迅速反应，以及控制电路的及时调节，使得系统电压在约1.5个周波内即恢复了正常。

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图5-21 TCR补偿器对负荷阶跃变化的动态响应[111]

5.3 晶闸管投切电容器TSC 5.3.1 基本原理

V IC O IL I

抑制冲击电流 的小电感 I A B C V

图5-22 TSC的基本原理

a） b） c）

a）单相结构简图 b）分组投切的TSC单相简图 c）电压—电流特性

TSC的基本原理如图5-22所示。其中图5-22a是其单相电路

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图，其中的两个反并联晶闸管只是起将电容器并入电网或从电网断开的作用，而串联的小电感只是用来抑制电容器投入电网时可能造成的冲击电流的，在很多情况下这个电感往往不画出来。因此，当电容器投入时，TSC的电压—电流特性就是该电容的伏安特性，即如图5-22c中OA所示。在工程实际中一般将电容器分成几组，如图5-22b所示，每组都可由晶闸管投切。这样，根据电网的无功需求投切这些电容器，TSC实际上就是断续可调的吸收容性无功功率的动态无功补偿器，其电压—电流特性按照投入电容器组数的不同可以是图5-22c中的OA、OB或OC。当TSC用于三相电路时可以是Δ接法，也可以是Y接法，每一相都设计成如图5-22b所示的那样分组投切。

电容器分组的具体方法比较灵活，一般希望能组合产生的电容值级数越多越好，但是综合考虑到系统复杂性以及经济性的问题，可以采用所谓二进制的方案，即采用k-1个电容值均为C的电容，和一个电容值为C/2的电容，这样的分组法可使组合成的电容值有2k级。

电容器的分组投切在较早的时候大都是用机械断路器来实现的，这就是机械投切电容器MSC。和机械断路器相比，晶闸管的操作寿命几乎是无限的，而且晶闸管的投切时刻可以精确控制以减少投切时的冲击电流和操作困难。另外，与TCR相比，TSC虽然不能连续调节无功，但具有运行时不产生谐波而且损耗较小的优点。因此，TSC已在电力系统获得了较广泛的应用，而且有许多是与TCR配合使用构成TCR+TSC混合型补偿器。

5.3.2 投入时刻的选取

总的原则是，TSC投入电容的时刻，也就是晶闸管开通的时刻，必须是在电源电压与电容器预先充电电压相等的时刻。因为根据电容器的特性，当加在电容上的电压有阶跃变化时（若电容器投入的时刻电源电压与电容器充电电压不相等就会发生这样的情况），将产生一冲击电流，很可能破坏晶闸管或给电源带来高频振荡等不利影响。

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通常来讲，希望电容器预先充电电压为电源电压峰值，而且将晶闸管的触发相位也固定在电源电压的峰值点。因为根据电容器的特性方程

iC?CdvC dt如果在导通前电容器充电电压也等于电源电压峰值，则在电源峰值点投入电容时，由于在这一点电源电压的变化率（时间导数）为零，因此，电流iC即为零，随后电源电压（也即电容电压）的变化率才按正弦规律上升，电流iC即按正弦规律上升。这样，整个投入过程不但不会产生冲击电流，而且电流也没有阶跃变化。这就是所谓的理想投入时刻。图5-23以简单的电路原理图和投切时的波形对此作了说明。

图5-23 TSC理想投切时刻原理说明

如图所示，设电源电压为eS，在本次导通开始之前，电容器的端电压VC已通过上次导通时段最后导通的晶闸管T1充电至电源电压eS的峰值，且极性为正。本次导通开始时刻取为eS和VC相等的时刻t1，给T2以触发脉冲而使之开通，电容电流iC开始流通。以后每半个周波发触发脉冲轮流给T1和T2。直到需要切除这条电容支路时，如在t2时刻，停止发脉冲，iC为零，则T2关断，T1因未获触发而不导通，电容器电压保持T2导通结束时的电源电压负峰值，为下次投入电容器做了准备。

实际上，在投入电网之前电容电压有时不能被充电到电源电压峰值。这就需要找出在电容充电电压为各种情况下的最佳投入时刻。图5-24给出了各种情况下使暂态现象最小的投入时刻[112]。

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其中b和c就是前述的理想工作状态；a是电容充电电压VCCh为零时的情况（TSC装置起动时为此情况），这时，投入时刻应取电压零点，给正向晶闸管T1发出最初的触发脉冲；d为电容充电电压VCCh比电源eS的峰值电压Emax低的情况，这时应在eS与VCCh相等的时刻投入，给正向晶闸管T1最初触发脉冲；e为VCCh比Emax高的情况，这时应在eS达到峰值的时刻投入，给反向晶闸管T2最初触发脉冲，这种情况下会有冲击电流产生，但可受到串联小电感的抑制。

图5-24 各种情况下使暂态现象最小的导通时刻

192

图5-25 晶闸管和二极管反并联方式的TSC

采用晶闸管和二极管反并联的方式代替两个反并联的晶闸管，可以使导通前电容充电电压维持在电源电压的峰值。如图5-25所示，一旦电容电压比电源峰值有所降低，二极管都会将其充电至峰值电压，因此不会发生两晶闸管反并联的方式中电容器充电电压下降的现象。但是，由于二极管是不可控的，当要切除此电容支路时，最大的时间滞后为一个周波，因此其响应速度比两晶闸管反并联的方式稍差，但成本上却要低一些。

应该注意的是，在以上讨论的最佳投入时刻中，两个晶闸管触发脉冲的顺序不能搞反了，或者说应避免触发脉冲相位错开180?，否则将如图5-26所示的那样产生很大的冲击电流和过电压。

图5-26 TSC晶闸管误触发时的情况

5.3.3 控制系统

有关静止补偿器控制系统的功能、结构、控制策略、工作原理和具体控制方法实际上已在5.2.3节做了详细介绍。TSC控制系统的思路也是类似的，只不过其中的控制电路部分是以决定哪组电容投入或切除的逻辑功能为中心的。作为例子，图5-27给出了一个TSC用于对波动负载进行负荷补偿时的控制系统示意图。

193

CT 波 动 负 载 PT 仪表继 电器电路 同步 检测电路 过电流 检测电路 TSC控制系统 无功功率 检测 决定投切电容器组的 逻辑电路 触发脉冲 产生电路 CT 去各组晶闸管 图5-27 TSC用于负荷补偿时控制系统的示意图

应当注意的是，在TSC控制系统中引入一定的滞环非线性环节是必要的，这可以避免在切换点处电容器组在短时间内来回地投入与切除。例如，当补偿器以稳定电压为目标时，在控制系统中引入滞环非线性环节可使得TSC的电容器在系统电压低于某一较低阈值时接入系统，而在系统电压高于某一较高阈值时切除，而不是在相等的阈值下投入和切除，以防止在切换电压附近振荡不定。

此外，当TSC与TCR配合使用构成混合型补偿器时，其控制系统应该能使TSC电容器组的切换与TCR触发控制角的调节相互配合，以使补偿器的电压—电流特性保持连续。

5.3.4 动态过程分析

同样可以通过判断系统负载特性与补偿器电压—电流特性交点的方法来分析TSC的动态调节过程。

B c A V a b O l1 l2 IL I

IC 图5-28 TSC对扰动的动态调节过程

图5-28所示的是以改善电压调整为目标的TSC受扰动后的

194

动态调节过程。在系统受到扰动前其负载线为l1，TSC有一组电容投入运行，其伏安特性为OA，因此系统稳定工作在l1与OA的交点a。若系统受到干扰，负载线突然由l1降低至l2，则工作点会突然降至l2与OA的交点b，系统电压因此降到b点电压，这个电压下降被TSC控制系统检测到后，由其逻辑电路决定投入第二组电容，补偿器电压—电流特性因此变为OB，系统工作点移至OB与l2的交点C，从而将电压恢复到能接受的范围。

d (2) (1) V A a b (2’) (1’) e c l1 l2 IC 0 IL I

图5-29 TCR+TSC型补偿器的动态调节过程

图5-29示出了TSC与TCR配合使用的混合型补偿器作为改善电压调整使用时，对扰动的动态调节过程。图中0-(1)-(1’)是TCR与一组固定电容器并联后的电压—电流特性，而0-(2)-(2’)是再由TSC投入一组电容器后的电压—电流特性。受扰动前系统负载线为l1，因此系统工作点为l1与0-(1)-(1’)的交点a。a点对应TCR的导通角为?a。因此a点也就是TCR加上固定电容器，在导通角为?a时总等效阻抗的伏安特性OA与l1的交点。设系统受干扰，其负载线突然降至l2，则工作点将一下子移到l2与TCR加固定电容器在导通角?a下等效阻抗伏安特性OA的交点b，系统电压因此降至b点对应的电压。补偿器控制系统检测到这一电压变化，将随之调节TCR导通角减小至零，系统工作点到达仅并联固定电容器时其伏安特性0-(1)与l2的交点c。由于c点仍未达到补偿器总的电压—电流特性的要求，因此向TSC发出投入一组电容的命令，补偿器工作点因此由c迁至两组电容并联时等效伏安特性0-(2)与l2的交点d。然后再由TCR调节其导通角由零逐渐增大，最终

195

使工作点到达0-(2)-(2’)与l2的交点e。整个调节过程是按a-b-c-d-e这几步完成的。可以看出，在调节过程中TCR导通角的变化与TSC投切的配合是非常重要的。如果这二者的配合适当，定时精确的话，整个过程很可能简化为a-b-e这三步，调节时间大为缩短，补偿器动态性能将得到较大提高。

5.4 采用自关断器件的静止无功发生器SVG

所谓静止无功发生器SVG，在本书中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。采用电力半导体变流器实现无功补偿的思想早在七十年代就已有人提出，1972年日本就发表了用强迫换相的晶闸管桥式电路作为调相装置的研究论文[113]；1976年，美国学者L.Gyugyi在其论文中提出了用电力半导体变流器进行无功补偿的各种方案[114]，其中使用自换相桥式变流电路的方案最受青睐。限于当时的器件水平，采用强迫换相的晶闸管器件是实现自换相桥式电路的唯一手段。

1980年日本研制出了20MVA的采用强迫换相晶闸管桥式电路的SVG，并成功地投入了电网运行[115]。随着电力电子器件的发展，GTO等自关断器件开始达到了可用于SVG中的电压和电流等级，并逐渐成为SVG的自换相桥式电路中的主力。1987年美国西屋公司研制成1MVA的采用GTO器件的SVG实验装置，并成功地进行了现场试验[116]。1991年和1994年日本和美国分别研制成功了一套80MVA和一套100MVA的采用GTO器件的SVG装置，并且最终成功地投入了商业运行[117,118]。以上是迄今为止有关SVG的实际装置用于改善电网性能的报道。另外，用SVG来补偿工业负荷的研究也时有报道，使用的大都也是GTO和IGBT这样的自关断器件。可以说，目前国际上有关SVG的研究和将其应用于电网或工业实际的兴趣真是方兴未艾。国内有关的研究也已见诸报道，并且已开始有投入工程实际的行动。

与传统的以TCR为代表的SVC装置相比，SVG的调节速度

196

更快，运行范围宽，而且在采取多重化或PWM技术等措施后可大大减少补偿电流中谐波的含量。更重要的是，SVG使用的电抗器和电容元件远比SVC中使用的电抗器和电容要小，这将大大缩小装置的体积和成本。SVG具有如此优越的性能，显示了动态无功补偿装置的发展方向。

5.4.1 基本原理

简单地说，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在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值或者直接控制其交流侧电流，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。

众所周知，在单相电路中，与基波无功功率有关的能量是在电源和负载之间来回往返的。但是在平衡的三相电路中，不论负载的功率因数如何，三相瞬时功率的和是一定的，在任何时刻都是等于三相总的有功功率。因此总的来看，在三相电路的电源和负载之间没有无功能量的来回往返，各相的无功能量是在三相之间来回往返的。所以，如果能用某种方法将三相各部分总的统一起来处理，则因为总的来看三相电路电源和负载间没有无功能量的传递，在总的负载侧就无需设置无功储能元件。三相桥式变流电路实际上就具有这种将三相各部分总的统一起来处理的特点。因此，理论上讲SVG的桥式变流电路的直流侧可以不设储能元件。实际上，考虑到变流电路吸收的电流并不仅含基波，其谐波的存在多少会造成总体看来有少许无功能量在电源和SVG之间往返。所以，为了维持桥式变流电路的正常工作，其直流侧仍需要一定大小的电感或电容作为储能元件，但所需储能元件的容量远比SVG所能提供的无功容量要小。而对传统的SVC装置，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比同容量的SVC中大大减小。

严格地讲，SVG应该分为采用电压型桥式电路和电流型桥式电路两种类型。其电路基本结构分别如图5-30a和b所示，直流侧分别采用的是电容和电感这两种不同的储能元件。对电压型桥

197

式电路，还需再串联上连接电抗器才能并入电网；对电流型桥式电路，还需在交流侧并联上吸收换相产生的过电压的电容器。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，因此SVG往往专指采用自换相的电压型桥式电路作动态无功补偿的装置。因此，在以下的内容中，本文将以采用自换相电压型桥式电路的SVG为对象作详细介绍，并且就简称之为SVG。

X a） b）

图5-30 SVG的电路基本结构

a）采用电压型桥式电路 b）采用电流型桥式电路

由于SVG正常工作时就是通过电力半导体开关的通断将直流侧电压转换成交流侧与电网同频率的输出电压，就象一个电压型逆变器，只不过其交流侧输出接的不是无源负载，而是电网。因此，当仅考虑基波频率时，SVG可以等效地被视为幅值和相位均可以控制的一个与电网同频率的交流电压源。它通过交流电抗器连接到电网上。所以，SVG的工作原理就可以用如图5-31a所示的单相等效电路图来说明。设电网电压和SVG输出的交流电压

?S和V?I表示，?S和V?I?L即为V分别用相量V则连接电抗X上的电压V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

?。因此，改变SVG交流侧输出流就是SVG从电网吸收的电流I?I的幅值及其相对于V?S的相位，电压V就可以改变连接电抗上的电压，从而控制SVG从电网吸收电流的相位和幅值，也就控制了SVG吸收无功功率的性质和大小。

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I X=?L VL I VS VL=jX IVI VI VL=jX IVS I VS VI

电流超前

电流滞后

a） b）

图5-31 SVG等效电路及工作原理（不考虑损耗）

a） 单相等效电路 b） 工作相量图

在图5-31a的等效电路中，将连接电抗器视为纯电感，没有考虑其损耗以及变流器的损耗，因此不必从电网吸收有功能量。

?I与V?S同相，仅改变V?I的幅值大小即可在这种情况下，只需使V?是超前还是滞后90?，并且能控以控制SVG从电网吸收的电流I制该电流的大小。如图5-31b所示，当VI大于VS时，电流超前电压90?，SVG吸收容性的无功功率；当VI小于VS时，电流滞后电压90?，SVG吸收感性的无功功率。

考虑到连接电抗器的损耗和变流器本身的损耗（如管压降、线路电阻等），并将总的损耗集中作为连接电抗器的电阻考虑，则SVG的实际等效电路如图5-32a所示，其电流超前和滞后工作

?I与电流I?的相量图如图5-32b所示。在这种情况下，变流器电压V?S与电流I?仍是相差90?，因为变流器无需有功能量。而电网电压V的相差则不再是90?，而是比90?小了?角，因此电网提供了有功

?功率来补充电路中的损耗，也就是说相对于电网电压来讲，电流I?I与电网电中有一定量的有功分量。这个?角也就是变流器电压V?S的相位差。改变这个相位差，并且改变V?I的幅值，则产生的压V?的相位和大小也就随之改变，SVG从电网吸收的无功功率电流I也就因此得到调节。

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I X R VL L VI VS jXI RI VI jXI RI VL VS

VS VI VL 电流超前 VI I VL 电流滞后 a） b）

图5-32 SVG等效电路及工作原理（计及损耗）

a） 单相等效电路 b） 工作相量图

在图5-32中是将变流器本身的损耗也归算到了交流侧，归入

连接电抗器电阻中统一考虑。实际上，这部分损耗发生在变流器内部，应该由变流器从交流侧吸收一定有功能量来补充。因此，

?I与电流I?的相位差并不是严格的实际上变流器交流侧电压V90?，而是比90?略小。

另外，工程实际中还有一种由直流侧提供损耗能量的方案。与以上所述由交流电网侧提供有功能量的方案不同，在这种方案中，直流侧有并联的直流电压源（如蓄电池等）。其工作相量图也与图5-32b不一样，其电流与交流电网电压的相位差是90?，而与变流器交流侧电压的相位差为90?+?，如图5-33所示。在本书中，如未特别指明，均讨论损耗能量由交流电网侧提供的情况。

L VI VS jXI VL 电流超前 RI I VI jX IRI VL VS

VI VL 电流滞后 图5-33 损耗能量由直流侧电源提供时SVG的工作相量图

根据以上对工作原理的分析，可得SVG的电压─电流特性如

图5-34所示。同TCR等传统SVC装置一样，改变控制系统的参数（电网电压的参考值Vref）可以使得到的电压─电流特性上下移动。但是可以看出，与图5-10所示的传统SVC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

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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ILmax和ICmax维持不变，仅受其电力半导体器件的电流容量限制。而对传统的SVC，由于其所能提供的最大电流分别是受其并联电抗器和并联电容器的阻抗特性限制的，因而随着电压的降低而减小。因此SVG的运行范围比传统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优越于传统SVC的又一特点。 V Vref ICmax O ILmax I

图5-34 SVG的电压─电流特性

此外，对于那些以输电补偿为目的SVG来讲，如果直流侧采用较大的储能电容，或者其它直流电源（如蓄电池组，采用电流型变流器时直流侧用超导储能装置等），则SVG还可以在必要时短时间内向电网提供一定量的有功功率。这对于电力系统来说是非常有益的[119]，而又是传统的SVC装置所望尘莫及的。

至于在传统SVC装置中令人头痛的谐波问题，在SVG中则完全可以采用桥式变流电路的多重化技术或PWM技术来进行处理，以消除次数较低的谐波，并使较高次数的谐波电流减小到可以接受的程度。

应该指出的是，SVG接入电网的连接电抗，其作用一是滤除电流中可能存在的较高次谐波，另外起到将变流器和电网这两个交流电压源连接起来的作用，因此所需的电感值也并不大，也远小于补偿容量相同的TCR等SVC装置所需的电感量。如果使用降压变压器将SVG连入电网，则还可以利用降压变压器的漏抗，所需的连接电抗器将进一步减小。

201

至此，有关SVG基本工作原理的内容已经结合其相对于传统SVC装置的优点进行了详细介绍。当然，SVG的控制方法和控制系统显然要比传统SVC复杂，这在下文中将进一步看到；另外，SVG要使用数量较多的较大容量自关断器件，其价格目前仍比SVC使用的普通晶闸管高得多，因此，SVG由于用小的储能元件而具有的总体成本的潜在优势，还有待于随着器件水平的提高和成本的降低来得以发挥。这些都是SVG目前的困难所在。还应该说明的是，如果对SVG补偿的无功电流或无功功率进行反馈控制，则其响应速度也将超过传统SVC，显示了SVG的又一优势。特别是如果将电流跟踪型PWM技术应用于SVG中，则可以实现对SVG电流的瞬时控制，其动态性能将更加优越，这时SVG的工作原理用受控的无功电流源来描述可能比用交流电压源来描述更为确切。其具体控制方法在下文中将作详细论述。

5.4.2 控制方法

作为动态无功补偿装置的类型之一，SVG的控制不论是从大的控制策略的选择来讲，还是从其外闭环反馈控制量和调节器的选取来说，其原则都与传统的SVC装置是完全一样的。如控制策略的选择应根据补偿器要实现的功能和应用的场合，以决定采用开环控制、闭环控制或者二者相结合的控制策略。而外闭环反馈控制量和调节器的选取也应根据补偿器要实现的功能，例如要实现改善电压调整的功能，控制系统即需采用系统电压的外闭环反馈控制，设置电压调节器，如果还要附加其它补偿功能，则可以采用如图5-19所示的附加闭环和调节器来修正系统电压参考值的方法。这些，都可以参考本书5.2.3节的内容。

在控制上SVG与SVC的区别在于，在SVC中，由外闭环调节器输出的控制信号是作为SVC等效电纳的参考值Bref，以此信号来控制SVC调节到所需的等效电纳，而在SVG中，外闭环调节器输出的控制信号则被视为补偿器应产生的无功电流（或无功功率）的参考值。正是在如何由无功电流（或无功功率）参考值调节SVG真正产生所需的无功电流（或无功功率）这个环节上，

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形成了SVG多种多样的具体控制方法。而这与传统SVC所采用的触发角移相控制原理是完全不同的。

由无功电流（或无功功率）参考值调节SVG产生所需无功电流（或无功功率）的具体控制方法，可以分为间接控制和直接控制两大类。下面将分别加以介绍。因为在系统电压值基本维持恒定时，对无功电流的控制也就是对无功功率的控制，因此下文中均以无功电流的控制来说明。实际上，SVG的电流控制任务中还应该包括对有功电流的控制，以补偿电路中的有功损耗。因此，更准确地讲，间接控制和直接控制这两类具体控制方法应该是针对SVG的总电流的。

5.4.2.1 电流的间接控制

所谓间接控制，就是按照前文所述SVG的工作原理，将SVG当作交流电压源看待，通过对SVG变流器所产生交流电压基波的相位和幅值的控制，来间接控制SVG的交流侧电流。

分析图5-32所示的SVG工作相量图，以吸收滞后电流为例，

?S、变流器交流侧基波电压V?I和连接电抗压降由图中电网电压V?L构成的三角形关系，可得如下等式： VVLVSVI （5-10） ????sin?sin(90??)sin(90????)?I与V?S的相位差，以V?I超前V?S时为正，?为连接电抗器其中?为V的阻抗角。故得

VL?VSsin? （5-11） cos?据此可推导出稳态时SVG从电网吸收的无功电流和有功电流有效值分别为：

IQ??VLX2?R2VSsin2?2Rsin(90???) （5-12）

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IP??VLX2?R2cos(90???) （5-13）

VS(1?cos2?)2R可以证明，如果无功电流的符号以吸收滞后无功为正，吸收超前

?I滞后于V?S，SVG从电网吸收超前无功电流时，无功为负，则当V其稳态仍然满足式（5-12）和（5-13），只不过此时其中的?和IQ

均为负。稳态下IQ和IP与角?的关系绘成曲线即如图5-35所示。可见在?角绝对值不至太大的范围内，?与IQ接近为线性的正比关

?I相对V?S的超前角?来控制SVG吸收的无系。因此可以通过控制V功电流。

VI IP o IQ ? 图5-35 IQ、IP和VI与角?的关系

另外，由式（5-10）还可得

VI?VScos(???) （5-14）

cos?也就是说，稳态下角?与变流器交流侧基波电压的大小也是一一对应的，如图5-35中VI与?的关系曲线所示。

这样，就可以得到如图5-36所示最简单的控制方法。无功电流的参考值IQref乘以一个比例系数后即作为角?的指令，或者令比例系数为1，直接将IQref作为角?的指令，从而控制SVG变流器，使SVG实际吸收的无功电流IQ按照式（5-12）或图5-35所示关系变化。为说明波形原理图5-36b示出了交流侧输出为方波的变

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流器的情况，图中vS与vI均为线电压，而i1为电流中的基波分量。由于稳态时?和变流器交流侧电压基波有效值VI满足式（5-14）所示的一一对应关系，所以改变?角时，不用改变方波的脉宽?，VI会自动跟着变化。实际上，VI随着?的变化而自动地变化是通过变流器直流侧电压的变化实现的。在改变?角后的暂态调节过程中，变流器将吸收一定的有功电流，因而直流侧电容被充电或放电，引起直流电压Vd的变化，从而使得交流侧输出方波的幅值变化，也就改变了其基波的有效值。暂态调节过程过后，系统进入新的稳态，直流电压稳定在某一新值，这个值对应交流侧输出方波的基波分量有效值VI必然满足式（5-14）。

IQref 比例系数 vI ? vS i1 ? SVG主电路 IQ

Vd ?

a） b）

图5-36最简单的间接控制法 a）控制方法示意图 b）电压和电流波形

如果在这种控制方法基础上对SVG吸收的无功电流（或无功功率）进行反馈控制，如图5-37所示，则对无功电流的控制精度和响应速度都将得到显著提高[120]。在这里，对无功电流大小的检测也有多种方法，其中以dqo坐标变换法（也称Park变换，或旋转矢量坐标变换[121,122]）和基于瞬时无功功率理论（本文下一章有详细介绍）的检测方法速度最快。

IQref PI调节器 ? SVG主电路 IQ

图5-37 对无功电流进行闭环控制的间接控制法

提高SVG对无功电流控制的响应速度的另一个办法是，根据稳态时角?与变流器交流侧电压基波有效值VI应有的一一对应关系，在控制变流器交流侧方波脉冲超前角?（也即变流器等效交流

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电压源的相位）的同时，相配合进行方波脉冲宽度角?（也即等效交流电压源幅值或者说VI）的控制，这样就不必通过直流侧电容充放电改变直流电压这样的较慢过程来自动调节VI的值进入下一稳态，而是直接通过改变变流器交流侧输出方波脉冲的宽度来使VI调节到当前?角对应所需的稳态值。由于没有了直流电容充放电的动态调节过程，SVG无功电流的响应速度便会提高，而且直流电压也可以维持不变，这对装置也是有利的。不过，控制电路所发出的?角和?角的控制信号必须密切配合，而且由式（5-14）可知这种配合关系是由主电路参数决定的，因此主电路参数必须已知，而且控制效果将受到主电路参数漂移的影响。另外，要确实维持直流侧电压恒定，往往还需要引入直流电压的反馈控制。同样，为了提高控制精度也可以引入电流的反馈控制。

IQref PI调节VIqref VIdref dq ?L ? ?? vdref vd ?L 直流电压 IPref 调节器 PI调节? SVG 主电路 ia ib ic abc dq -1 Iq Id VS 图5-38 ?角和?角配合控制的一种方法

图5-38给出了一种采用?角和?角配合控制的控制方法示意

图[123]，其中?L即为SVG连接电抗的参数。该控制方法引入了SVG吸收的无功和有功电流的反馈控制，并采用dqo坐标变换法检测SVG吸收的无功和有功电流。由于坐标变换时取d轴与三相电源电压旋转空间矢量同方向，所以图中SVG电流的d轴分量Id就反映了SVG从电网吸收的有功电流的大小；考虑到q轴比d轴超前90°，若以吸收滞后无功为正的话，则可以用-Iq表示SVG从电网吸收的无功电流。该方法中还采用了直流电压的反馈控制，且直流电压调节器的输出作为有功电流的参考值。此外，图中dq

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