SVG的工作原理

目录

SVG的基本工作原理与控制原理 (1)

1. 前言 (1)

2. SVG的基本工作原理和系统组成 (1)

2.1. SVG基本工作原理 (1)

2.2. SVG系统构成 (3)

2.3. SVG方案设计 (3)

2.3.1. 器件串（并）联 (3)

2.3.2. 变压器多重化 (3)

2.3.3. 多电平逆变器 (4)

2.3.4. 链式结构 (4)

2.4. 链式方案基本原理 (5)

2.4.1. 主电路结构 (5)

2.5. 控制系统基本原理 (6)

2.5.1. 基本算法原理 (6)

2.5.2. 控制算法举例 (7)

2.5.3. 链式SVG的控制系统设计原则 (8)

1.前言

本部分给出SVG的最基本工作原理和控制算法，和实际SVG系统的原理与控制算法有区别，但可以从装置到系统，对SVG的构成的工作原理有一个完整的认识。

通过本部分学习，能初步解答以下问题：

(1)SVG的基本工作原理是什么？为什么能和系统交换无功功率？

(2)SVG的输出电压和系统电压是同相位的么？为什么有个夹角？

(3)SVG的装置由哪几部分构成？各起什么作用？

(4)常用的大容量SVG的主电路有哪几种？链式结构的特点是什么？

(5)SVG的控制系统分为哪几个层次？分别起什么作用？

2.SVG的基本工作原理和系统组成

2.1.SVG基本工作原理

简单地说，SVG就是连接在电网上的电压源逆变器，通过实时调节逆变器输出电压的相位和幅值，可改变电路吸收或发出的无功电流，实现动态无功补偿。

SVG可以等效为幅值和相位均可控制的、与电网同频率的交流电压源，通过交流电抗器连接到电网上。对于理想的SVG（无功率损耗），仅改变其输出电压的幅值即可调节与系统的无功交换：当输出电压小于系

统电压时，SVG 工作于“感性”区，吸收感性无功功率（相当于电抗器1

）；反之，SVG 工作于“容性”区，发出感性无功功率（相当于电容器）。如图2-1所示，其中S U 和I

U 分别为电网电压和SVG 输出交流电压。

电流超前I U I

U U

I

U I jX U L = 图2-1 SVG 等效电路及工作原理（不考虑损耗）

考虑到连接电抗器（或者连接变压器）的损耗和逆变器本身的损耗（如管压降、开关损耗、线路损耗等），

并将总损耗等效为连接电抗器的电阻，SVG 等效电路如图2-2所示。此时，SVG 输出电压与电流I

的相位差仍为︒902

，而电网电压与电流I 的相位差不再为︒90，而是比︒90小了δ角，以提供有功功率来补偿电路中的损耗。这个δ角就是逆变器输出电压I U 和系统电压S U 的相位差。改变这个相位差，同时改变I

U 的幅值，则可调节SVG 从电网吸收的无功功率大小。

U U

电流超前I L U I I R 图2-2 SVG 等效电路及工作原理（计及损耗）

由图2-2的相量图还可得出如下等式3

： ()()δϕϕδ--︒=+︒=90sin 90sin sin I S L U U U （2-1）

其中δ以I

U 超前S U 为正。 据此可推导出SVG 从电网吸收的无功功率和有功功率分别为4：

1

容性无功和感性无功的方向？为什么？ 2

为什么是90°？何处可测量到SVG 的输出电压？ 3 三角形中的三角函数正弦定理

()δδ2cos 122sin 222-==R U P R U Q S S （2-2）

Q ：上述公式能在实际控制中直接应用么？

2.2. SVG 系统构成

SVG 装置的整体结构按功能可分为如下几个部分：

1）一次系统（主电路）：断路器、系统连接变压器（或连接电抗器）、起动电路、电压型逆变器

2）二次系统（监测控制与保护系统）：控制器、脉冲发生单元、脉冲分配单元、驱动与保护电路、监测与故障诊断单元、远程后台系统

3）工程结构与冷却系统

2.3. SVG 方案设计

受目前电力电子器件容量的，如果不采用器件串联技术，单个三相桥逆变器容量最大为5～7MV A ，三单相桥容量为10～14MV A 。为了进一步提高装置容量，必须采用更复杂的主电路结构，如：器件串（并）联、逆变器多重化、多电平逆变器等。

2.3.1. 器件串（并）联

器件串（并）联必须很好地解决动态过程中的均压（均流）问题。尽管在这方面已经有了很多的试验数据和研究成果，也有实际工程应用的实例，但不能否认，器件串（并）联仍是装置中容易引发故障的薄弱环节。器件串（并）联的另一个缺点是不能有效改善电压的输出波形，而采用多电平逆变器和逆变器多重化可有效地降低输出电压的谐波。

2.3.2. 变压器多重化

多重化主电路结构如图2-3所示，该方案可成倍提高装置的容量。采用多重化时，通过设置交流侧变压器的连接方式、不同逆变器间的移相角度可有效地降低电压谐波。然而多重化也有很多缺点：首先，变压器是整个装置中最为昂贵的部件之一，增加了装置的造价；其次，变压器增加了50％左右的损耗；第三，变压器增加了40％左右的占地面积；第四，变压器的铁磁非线性给控制系统带来了很大的麻烦。

图2-3 逆变器四重化接法

4 公式推导。sin(a+b)=sinacosb+cosasinb ，cos(a+b)=cosacosb-sinasinb

2.3.3. 多电平逆变器

多电平逆变器主电路结构有二极管箝位和电容箝位两种，如图2-4 (a)、(b)所示。由于各点电压被箝位，保证了各器件之间的均压，输出电压波形也可有效改善。但随着电平数量的增加，箝位器件的数量大大增加，使主电路结构、控制系统大大复杂化。如对于二极管箝位多电平逆变器，设电平数为M ，箝位二极管个数为(M-1)×(M-2)×3个；对于电容箝位，将增加电容(M-1)×(M-2)×3/2个。因此，在实际应用中，电平数一般不超过5个。

(a) 二极管箝位5电平三相桥逆变器 (b) 电容箝位5电平三相桥逆变器

图2-4 多电平逆变器主电路结构

2.3.4. 链式结构

链式主电路方案较好地解决了上述问题。链式接法是一种新型的多电平逆变器结构，采用多组逆变器串联，通过控制各逆变器的导通角，即可产生接近于正弦波的阶梯波。三相之间既可采用星形接法，也可采用三角形接法，如图2-5所示。

d d d

d Æ÷

星形接法

d d d

d Æ÷

A B

C

三角形接法

图2-5 链式主电路结构

该方案具有如下优点：首先，可直接输出阶梯波，无需多脉冲调制即可实现接近于正弦的电压输出（在实际中，也可适当采用多脉冲调制），因此降低了器件的开关损耗；其次，装置无变压器，进一步降低了装置的损耗和造价；第三，易于实现模块化生产，并有利于实现不同容量装置的组合；第四，随着电力电子技术的发展，IGBT 等电力电子器件的价格将大幅下降，而变压器的价格不会有太大变化，因此从趋势上讲，该方案将有一定的成本优势。

该方案与共用直流侧的方案相比，主要缺点在于：后者A 、B 、C 三相共用直流侧电容，由瞬时无功理论可知，电容电压波动较小，而链式方案三相直流侧分开，电容电压波动较大，因此需采用较大容量的电容——但这一差距也不太大。事实上，尽管后者直流侧电压支撑无需大容量电容，但在设计中要考虑到100％不对称情况，因此电容容量也不可能太小。根据理论计算和仿真结果，链式方案电容容量约是共用直流侧方案的两倍。

2.4. 链式方案基本原理

2.4.1. 主电路结构

SVG 主电路参见图2-5（a ），采用四组三单相桥串联，通过连接电抗器直接接入系统。

9电平链式方案输出电压波形如图2-6所示。设各个逆变器导通时刻为i β，关断时刻为i βπ-，根据傅立叶变换，逆变器输出相电压的n 次谐波幅值为：

()4321cos cos cos cos 4ββββπ

n n n n n E V d n +++= 若逆变器中性点不接地，可不用考虑3倍次谐波。令5V 、7V 、11V 、013=V ，解得0493.91=β，5608.182=β，1724.343=β，8801.574=β,其线电压谐波含量如图3.8(c)所示，通过计算得THD=4.8%（Total Harmonic Distortion ，总谐波畸变率）。

上述为链式SVG 脉冲控制的基本原理。在目前实际应用中，采用了更为复杂的载波移相PWM 控制算法，并结合脉冲轮换策略，即保证了输出电压的谐波性能，又使链节的直流电压均衡得到充分保证，等效开

关频率的提高，也使滤波功能成为可能。

（a ）逆变器输出相电压波形 （b ）逆变器输出线电压波形

（c ）线电压谐波含量

图2-6 9电平链式方案输出电压波形

2.5. 控制系统基本原理

2.5.1. 基本算法原理

由式（1-2），稳态情况下，SVG 输出的无功功率可近似表示为：

)2sin(22δR

U Q S = 其中S U 为SVG 接入点的系统线电压有效值，而Ｒ为SVG 的等效电阻，δ即是系统电压与SVG 发出电压的相角差。实际系统中R 的数值非常小，因此δ的调节范围也很小。如某套±20Mvar SVG ，δ角的调节范

围为±

2.30°，这对控制器的精度提出了很高的要求。同时，由于并联和开关损耗的作用，无功与δ关系非对称的，当0=δ时，0≠Q ，也很难直接应用上式进行控制。

图2-7给出在调制比1=M 时，±

50Mvar 链式SVG 输出无功Q 与相移角δ关系的仿真曲线，在[] 25.0,0∈δ存在非线性区，只有当 25.0>δ时，装置才能发出无功；而且发出50Mvar 无功时，所需 85.0=δ，但吸收50Mvar 无功时，所需 51.0-=δ，关系曲线是非对称的，与上述分析的结论是一致的。而简化公式(2-14)无法解释δ-Q 关系曲线的非线性区和非对称，这说明并联损耗和开关损耗会引起δ-Q 关系曲线的非线性区和非对称。

图2-7 ±50Mvar链式SVG的无功与相移角关系的仿真曲线

2.5.2.控制算法举例

理论分析的SVG装置输出的稳态无功功率与控制角的关系，近似为线性关系。但由于SVG装置的开关器件的伏安特性的非线性导致其串联等效电阻的非线性，因此SVG装置的输出特性为非线性，SVG装置现场实测的输出特性也证明了这点。获得了SVG装置的实际非线性输出特性后，可以采用逆函数方法，通过控制算法将SVG装置的输出特性补偿为线性，从而使SVG装置具有快速的响应和良好的性能。图2-8、图2-9分别给出了恒无功功率控制、恒电压控制的框图。

图2-8 SVG的恒无功功率控制框图

图2-9 SVG恒电压控制框图

上述直接调节δ角的算法，在早期的SVG控制中得到应用，目前在装置调试时，仍可利用该方法，使SVG输出一定容量的无功。但在实际应用中，尤其是用于负荷补偿时，通常要采用更为复杂的瞬时电流跟踪的算法。从理解上，可视为该控制算法的进一步发展。调节δ角，相当于改变了SVG逆变器输出电压（的相位），在瞬时电流跟踪的算法中，其核心在于计算出需要跟踪补偿的电流，然后转化为逆变器输出PWM 的参考电压波形。

2.5.

3.链式SVG的控制系统设计原则

链式SVG与其它结构SVG一样，能否正常工作，能否发挥优良的动态性能，主要取决于其控制系统的设计。

图2-10链式SVG控制系统的流程图

如图2-10所示，链式SVG的控制系统总体上可分为三个控制层次（其他常规的保护、监测、通讯等功能暂不包括）：

（1）底层控制是实现链式SVG功能的关键部分，有三个基本组成部分：输入、方法和输出，链式多电平逆变器的输入是各的直流电压源，其研究重点是电容电压平衡控制，链式多电平逆变器的调制方法主要是脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation PWM）方法，研究重点是如何设计合适PWM调制方法使链式多电平逆变器输出性能良好的交流电压，并满足装置损耗等要求。

在底层控制中，至少要包括a）脉冲同步，b）产生触发脉冲两部分功能。根据从电网取回的同步脉冲，产生出与电网电压同步的脉冲信号，并且据此脉冲信号产生一定规律的触发脉冲，经驱动电路放大后去控制IGBT的导通和关断，使SVG能产生正确的电压，并与电网电压保持同步，从而使SVG能正确地并网运行。

（2）中层控制是装置级控制，主要是控制装置的输出无功和电容电压，中层控制是动态控制，重点在于设计装置的动态控制策略，使装置的输出无功快速的跟踪上层控制的无功参考值或者电流参考值且稳定电容电压，并使装置适应各种系统恶劣运行工况而安全运行、发挥作用，是链式SVG控制系统的核心部分。

中层控制主要是控制SVG的行为，以最简单的δ角控制算法为例，控制SVG阶梯波电压与电网电压的相角δ，从而能准确地控制SVG的无功功率输出；控制IGBT的导通角θ，从而控制直流侧电容电压，保证该电压在IGBT工作的安全范围之内。

（3）上层控制的研究是系统级控制，主要以电力系统为研究对象，在SVG上应用恰当的控制理论，以实现电力系统对SVG控制目标要求，包括：稳定系统电压，阻尼系统振荡，提高系统的暂态稳定极限、静态稳定极限等控制目标。在同样的应用场合，SVG的上层控制算法与SVC的上层控制算法类似，只是在上层控制算法指挥下，具体的装置行为不一样。