SVG特点和优势

SVG的原理、特点及优势

1、静止无功补偿技术介绍

静止无功补偿技术经历了3代：第1代为机械式投切的无源补偿装置，属于慢速无功补偿装置，在电力系统中应用较早，目前仍在应用；第2代为晶闸管投切的静止无功补偿器（SVC），属无源、快速动态无功补偿装置，出现于20世纪70年代，国外应用普遍，我国目前有一定应用，主要用于配电系统中，输电网中应用很少；第3代为基于电压源换流器的静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator，STATCOM），亦称SVG，属快速的动态无功补偿装置，国外从20世纪80年代开始研究，90年代末得到较广泛的应用。

早期的无功补偿装置主要是无源装置，方法是在系统母线上并联或者在线路中串联一定容量的电容器或者电抗器。这些补偿措施改变了网络参数，特别是改变了波阻抗、电气距离和系统母线上的输入阻抗。无源装置使用机械开关，它不具备快速性、反复性、连续性的特点，因而不能实现短时纠正电压升高或降落的功能。

20世纪70年代以来，以晶闸管控制的电抗器（TCR）、晶闸管投切的电容器（TSC）以及二者的混合装置（TCR+TSC）等主要形式组成的静止无功补偿器（SVC）得到快速发展。SVC可以看成是电纳值能调节的无功元件，它依靠电力电子器件开关来实现无功调节。SVC 作为系统补偿时可以连续调节并与系统进行无功功率交换，同时还具有较快的响应速度，它能够维持端电压恒定。

SVC虽然能对系统无功进行有效的补偿，但是由于换流元件关断不可控，因而容易产生较大的谐波电流，而且其对电网电压波动的调节能力不够理想。随着大功率全控型电力电子器件GTO、IGBT及IGCT的出现，特别是相控技术、脉宽调制技术（PWM）、四象限变流技术的提出使得电力电子逆变技术得到快速发展，以此为基础的无功补偿技术也得以迅速发展。静止同步补偿器，作为FACTS家族最重要的成员，在美国、德国、日本、中国相继得到成功应用。电压型的STATCOM（SVG）直流侧采用直流电容为储能元件，通过逆变器中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。当只考虑基波频率时，STATCOM可以看成一个与电网同频率的交流电压源通过电抗器联到电网上。由于STATCOM直流侧电容仅起电压支撑作用，所以相对于SVC中的电容容量要小得多。此外，STATCOM和SVC相比还拥有调节速度更快、调节范围更广、欠压条件下的无功调节能力更强的优点，同时谐波含量和占地面积都大大减小。

2、SVG的原理

器件（如IGBT）组成自换相桥式电路，经过电抗器

并联在电网上，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。和变频器及UPS是一类

的产品，特别是高压变频器，其主电路基本一样，

国内做高压变频器的厂家很多，其可靠性已经得到很好的验证。

SVG可以对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿,其由两大部分组成, 即指令电流运算电路和补偿电流发生电路(由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三部分构成)。其中，指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量，因此有时也称之为谐波和无功电流检测电路。补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流。主电路采用多重化的PWM 变流器。

SVG采用基于瞬时无功功率理论的无功电流检测方式，逆变主电路采用IGBT组成的H

桥功率单元级联拓扑结构，并辅助以小容量储能元件。它由几个电平台阶合成阶梯波以逼

近正弦输出电压，这种逆变器由于输出电压电平数的增加，使得输出波形具有更好的谐波

频谱，并且每个开关器件所承受的电压应力较小，不需要均压电路，可避免大dv/dt所导

致的各种问题。因此这种逆变器可称为“完

3、SVG的技术特点3.1 PWM控制策略

为了保证各逆变桥输出基波电流相位

相等并有效地消除低次谐波,采用了基于载

波移相的空间矢量调制(S V M ) 控制策略。

S V M 的基本原理是选择与参考电压矢量最

接近的3 个开关矢量,并控制它们的作用时间,使得一个控制周期内开关矢量输出的平均

效果与参考电压矢量相等。它具有开关模式灵活、易于数字实现和较低开关频率下也可以

实现较好输出波形的优点。

数字信号处理器(D SP )根据主控制器的调制比M 和相角差δ生成参考电压矢量,按照参考电压分解的调制方法计算各开关状态和作用时间,并通过数据总线发送给F P G A , 从而决定各桥臂开关的脉冲,脉冲经分配处理后驱动IG B T 。如果采用基于载波移相的SV M , N 个逆变桥载波相互错开2π/N 角度,总的输出电压可以有效地消除低次谐波。

SVG 的输出波形

3.2 瞬时无功控制策略

SVG 是基于瞬时无功功率理论的方法，在只检测无功电流时，可以完全无延时地得出 检测结果。检测谐波电流时，因被检测对象电流中谐波的构成和采用的滤波器的不同，会有不同的延时，但延时最多不超过一个电源周期。对于电网中最典型的谐波源—三相桥整流器，其检测延时约为1/6周期。可见该方法具有很好的实时性。

以瞬时电流控制器为基础，采用链式SVGM 补偿不平衡负载时，需要获得逆变器三相电压以及参考电流。对于三角接线的链式SVG 三相电压为接入点系统线电压，而参考电流则需进行计算。从电纳补偿原理出发，可知对不平衡负荷补偿时，三角接线环内存在零序电流分量。考虑链式SVG 三相电容电压的控

制，对逆变器参考电流进行了计算，结合瞬

时电流控制器，可得到三角形连接的链式

SVG 对不平衡负荷补偿的分相瞬时电流控

制，该控制方法可以适应系统电压不平衡工

况。

3.3 谐波电流补偿

当需要补偿负载所产生的谐波电流时，SVG 检测出补偿对象负载电流的谐波分量，将其反极性后作为补偿电流的指令信号，由补偿电流发生电路产生的补偿电流与负载电

流中的谐波分量大小相等、方向相反，因而两者互相抵消，使得电源电流只含基波，不含谐波。

3.4 SVG的链式结构

SVG 动态补偿装置采用了链式结构，将多个两电平H 桥电路串联起来，达到电压叠加的目的。与传统的多重化变流器技术方案相比，链式结构的SVG省略了多重化连接变压器，不但减小了占地面积，降低了装置成本，而且避免了多重化逆变变压器激磁回路中剩磁和饱和非线性导致的装置过电压和过电流。在接入系统受到扰动时，链式电路可以分相进行控制以便更好地提供电压支撑作用。不仅如此，采用链式结构的SVG还可以降低功率器件的开关频率，大大降低开关损耗。

选用链式结构，每相作为一个独立的链，由N 个结构完全相同的链节单元串联而成，具有以下特性：

（1）增加链节数即可以提高装置容量；

（2）链式SVG可以独立分相控制，有利于解决系统的相间平衡问题，在系统受到扰动时，更好的提供电压支撑；

（3）降低可关断器件的开通频率，降低器件损耗；

（4）各链节结构一致，实现模块化设计，便于扩展装置容量；

（5）每相设有冗余链节，在模块故障时可以自动旁路模块，装置能继续运行，提高装置的可靠性；

（6）采用电抗器接入电网，避免多重化变压器的缺点；

（7）避免了因开关器件直接串并联使用产生的问题和限制；

（8）在交流系统平衡和不平衡的状态下，链式的谐波特性优于其它结构。采用SPWM（正弦脉宽调制）或SHEPWM（特定消谐），通过高的开关频率或优化的IGBT 开关角极大降低了谐波含量，有效利用直流侧电压、减小对电网的污染和装置自身损耗，并能做到短时有功及谐波补偿，谐波完全符合国标。

3.5链节模块

1) 模块控制采用大规模FPGA芯片载波移相多电平空间矢量PWM控制策略，电路简单，抗干扰能力强，可靠性高；

2)采用自励起动技术，使得装置投入时冲击电流小；

U V Ud 3) 模块面板共4个电气端子，4个光纤端

子，接线简单，还设有若干状态及故障

指示灯，方便维护及检修。

4) 由IGBT 组成的H 桥电路输出的交流逆

变电压相位和幅值可灵活控制，从而实

现动态提供容性或者感性无功的功能。

3.6 SVG 的链式模块串联的均压问题

链节模块的串联是多个逆变电源的串

联，而不是IGBT 的直接串联，所以并不需要

模块的一致性，而且每个模块的脉冲是错一定的角度，即IGBT 并非同时导通，所以产生过电压的机会并不多。采用脉冲循环控制机制，直流侧电压波动在5%范围之内。

链节模块运行有两种状态：启动过程及无功补偿过程。

（1） 启动过程为静态均压，由模块所并联的电阻完成，合理配置电阻保证模块不过压，从而保护了IGBT 。

（2） 无功补偿过程为动态均压，通过IGBT 的驱动脉冲的控制，维持直流电容的电压，保证IGBT 不承受过电压。检测直流电压超过允许值立即封锁脉冲。

3.7 SVG 运行方式

SVG 装置有四种运行方式：1：开环调试控制；2：为无功补偿控制；3：为电压稳定控制；4：负荷补偿控制。

1）开环调试

该方式用于装置未正式投运前，通过改变装置输出的调制比和/或与系统电压的相位偏移角度，观察无功的变化，测试装置的开环无功输出性能。

2）恒无功

该方式用于令装置输出恒定大小的无功，通过这种方式可以测量装置跟踪无功的准确性和阶跃响应速度。

3）恒电压

该方式用于将系统的电压稳定在一定水平的场合，装置以系统的电压稳定在用户设定电压值为目标调节装置的无功输出。当系统电压低于用户设定的电压参考时，装置输出容

性无功以提升系统电压；当系统电压高于该值时，装置输出感性无功以降低系统电压。本方式中还提供了母线电压下限和变化率上限的控制参数，当系统电压值或变化率超限时，装置满容量输出容性无功以迅速支撑系统电压。

4）负荷补偿

运行于该方式时，装置通过检测负荷侧的电流自动调节电流输出，以提高负荷电流的电能质量。有三个配置项可任意选择：补基波无功、补负序和补谐波，补谐波可选择3~21次相应谐波次数的补偿功能。

4、 SVG产品技术特点

4.1具有自主知识产权，技术领先。

4.2装置由控制系统、电压源变流器等组成，通过控制逆变移相角δ和调制比M，能连续改变逆变输出电压，补偿范围宽，既能实现感性补偿又能实现容性补偿。

4.3采用柜式结构，具有安装周期短、运输方便、调试周期短。

4.4控制系统采用全数字化设计，采用DSP+FPGA+CPLD 的硬件模式，能够并行处理大量数据、实时数字运算，运算结果精度高，DSTATCOM 响应速度快。

4.5 逆变装置采用强制风冷散热方式，该种散热方式效率高、体积紧凑，可以充分利用IGBT 等元器件的容量。

4.6控制系统和逆变器之间的采用光纤传输信号，彻底解决高低压隔离问题，避免电磁信号的干扰， SVG 工作更加稳定可靠。

4.7保护系统则采用了分级保护策略，将数字保护、逻辑硬件保护和继电保护融为一体，为装置的安全运行提供了有力的保障。

4.8监控系统采用工业控制计算机，由多个处理单元组成，通过分层式的结构组成方式实现对多个监控量的采集与监控。控制系统具有多重监控及保护功能，完成在系统各种异常情况下的可靠保护。

4.9监控系统具有友好的人机界面，便于控制和查询故障类型和故障位置。

4.10监控及保护系统通过通讯管理单元与上级自动化系统实现通讯，通讯管理单元主要完

成规约转换的功能,这样可以实现远方监视和控制，实现无人值守。

5、SVG的性能特点

5.1 动态补偿

可同时对无功功率和谐波进行补偿，且补偿无功功率可做到连续平滑双向调节。

5.2 节能降耗

通过无功及谐波补偿，不仅减少无功损耗，避免谐波在变压器内造成更大损耗，

还可以提高电气设备利用率，提高单位时间内注入设备的有功功率，工作效率大大

提高，节能降耗的效果显著（3%～15%）。

5.3 安全稳定性好

传统的补偿系统均属于阻抗型补偿装置，对系统参数很敏感，当参数配置不合

理、或者一段时间后，系统参数发生变化，很容易引起系统谐振或谐波电流放大，

这也是一些传统补偿设备经常运行不正常的重要原因之一。谐振或谐波电流放大不

仅危害补偿系统自身的设备安全，对系统其他设备的安全也是隐患。

SVG是电流可控型，对系统参数不敏感，不会与电网阻抗发生谐振，发生谐波

放大的情况；即使补偿对象电流过大，SVG也不会发生过载，并能正常发挥补偿作

用, 动态连续平滑的发（吸）无功，补偿电流完全可控，不存在过功率因数过补偿

现象,不会出现无功反送的情况，可以避免供电公司的利率电费罚款。能够跟踪电网

频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响。

5.4 响应时间短

传统补偿设备的理论响应时间在20～40ms 左右，而SVG 的相应时间不大于10ms，对于快速暂态过程，有着重要的响应速度优势。对于闪变补偿而言，在无功容量足够的情况下，补偿装置输出无功的响应时间是闪变补偿效果的主要决定因素。在相同的补偿容量下，响应时间越小的补偿装置对电压闪变的补偿效果越好；在同等闪变抑制要求下，响应时间

越小的补偿装置所需要的补偿容量也越小。

5.5 优异的谐波输出特性

SVG既可以输出近似正弦波的无功电流（不含谐波，用于电网补偿），也可以输出设定次数的谐波电流（用于负荷谐波滤波），即SVG输出电流是完全有源可控的，完全满足用户的需要；而SVC产生大量不可控的谐波电流，又附带大量不可控的无源滤波支路来实现自身产生的谐波电流的滤波。所以SVC的滤波压力比较大，它要滤除本身的谐波，还要滤系统的谐波电流，它产生的谐波与系统的谐波相当，而且有3次谐波，对系统不利。

5.6 运行损耗小

SVG采用新型低损耗IGBT功率器件，直接输出电压范围1kV－35Kv,省去了连接变压器，装置效率可达99％以上；而由于损耗曲线特性优于SVC（SVC空载时损耗达到最大），SVG 的等效运行损耗一般只有SVC的1/3-1/2，等效运行耗电量大大低于SVC。

SVG比SVC节能的原因

?串联电抗器容量不同：SVC串联100%电抗，而SVG只串联6%的电抗，而电抗器损耗大约为0.8%的损耗，占主导地位。

?FC部分，SVC的电容容量是SVG电容容量的一倍，所以，电容损耗比SVC的损耗小，电容损耗较小。

?SVC的可控硅的损耗与SVG的IGBT的损耗相当，可控硅的损耗比IGBT损耗小，但SVC部分的可控硅部分的容量是IGBT容量的一倍。而且在SVC的0无功时损耗最

大，100%无功时损耗最小，SVG在50%无功时损耗最小，在100%无功时损耗最大，一般动态无功绝大部分时间工作在50%无功状态。

5.7 占地面积小

SVG以半导体功率器件构成的逆变器为核心，使用直流电容器储能，无SVC中体积庞大的滤波支路和电抗器，安装尺寸一般只有SVC的1/5-1/3，特别适合于对占地面积要求较高的场合。XDVAR系列SVG可做成移动式装置。

5.8 高可靠性

SVG采用N+1或N+2冗余主电路拓扑结构，一个（或两个）链节单元损坏后仍可继续满负荷运行；在系统短路故障条件下，SVG可连续稳定运行，而SVC因可控硅触发问题可能发生闭锁推出运行；SVC使用了大量电容器电抗器，当外部系统容量与补偿装置的容量可比时，SVC会产生不稳定性而发生振荡，而SVG对外部系统运行条件和结构变化不敏感。SVG还避免了功率器件的直接串联。

5.9 超强补偿能力

SVG输出电流不依赖于系统电压，表现为恒流源特性，在系统电压跌落到20％时仍可以输出额定无功电流，具有更宽的运行范围；而SVC输出电流与系统电压成正比下降，使得达到同等补偿效果SVG容量可以比SVC容量小20％－30％。

通过对固定电容器组的综合控制，可以更好的满足系统和负荷的补偿范围要求。

5.10 多种补偿功能

?抑制电力系统过电压，改善系统电压稳定性

?提高系统暂态稳定水平，减少低压释放负荷数量，并防止发生暂态电压崩溃

?动态地维持输电线路端电压，提高输电线路稳态传输功率极限

?阻尼电力系统功率振荡，在负荷侧，能抑制电压闪变、补偿负荷不平衡、提高负荷功率因数、滤除谐波。

5.11运行维护简单

SVG实现了模块化设计，安装、调试工作量小，基本免维护。具有可靠的防过补技术措施，避免投切震荡和无功倒送问题。无功动态补偿装置具有可靠的防谐波干扰技术措施，确保自身不产生谐波，在跟踪负荷变化调节无功功率时，不会发生放大谐波问题。

SVG在自动投切过程不引起过电压，无涌流，无燃弧，使用寿命长，免维护。装置大功率电力电子元器件具有完善的保护功能，包括但不限于以下类型：直流过压保护；电力电子元件损坏检测保护；丢脉冲保护；触发异常保护；过压击穿保护等。在装置故障时应提供报警信号，严重故障时应封锁SVG驱动脉冲，同时将装置退出运行。

6、与SVC比SVG的技术优势

6.1 设备的先进性:

SVC属于静止无功补偿的早期产品,而SVG是其换代产品,即SVG代表该领域的发展方向。SVG是目前最为先进的无功补偿装置，基于电压源型逆变器的补偿装置实现了无功补偿方式质的飞跃。它不再采用大容量的电容、电感器件，而是通过电力电子器件的高频开关实现无功能量的变换。

6.2 设备的安全性:

基于IGBT逆变器，为可控电流源型补偿装置，不会发生谐波放大及谐振，对系统参数不敏感，安全性与稳定性好；SVG属于阻抗型补偿装置，对系统参数很敏感，当参数配置不合理、或者一段时间后，系统参数发生变化，很容易引起系统谐振或谐波电流放大，这也是一些传统补偿设备经常运行不正常的重要原因之一。谐振或谐波电流放大不仅危害补偿系统自身的设备安全，对系统其他设备的安全也是隐患。

近年来，SVC频繁发生电容器烧毁，熔断器群爆等严重事故，致使无功补偿装置长期不能投运，闲置浪费。SVG无需大容量的电容器，SVG相当于系统的一个电源，不改变系统的阻抗特性，避免了类似的事故发生，保证了可靠地长期在线运行。

SVC的TCR部分采用可控硅的直接串联，需要解决器件的均压问题，要求很严格，要求可控硅必须是同型号、同批次的产品，如果某一元件损害，需要更换同一桥臂的所有元件，使维护困难，而SVG是链节模块的串联，是多个逆变电源的串联，而不是IGBT的直接串联，所以并不需要模块的一致性，而且每个模块的脉冲是错一定的角度，即IGBT并非同时导通，所以产生过电压的机会并不多。采用脉冲循环控制机制，直流侧电压波动在5%范围之内。

采用H桥串联的链式结构，直接接入6kV、10kV、35kV系统，成本降低。而且具备N+1 冗余结构，每相一个链节单元损坏后仍可继续满负荷运行，装置自身运行可靠性高。

6.3 设备的快速性:

响应速度更快，SVG响应时间：≤10ms。SVC响应时间：≥20ms。SVG可在极短的时间之内完成从额定容性无功功率到额定感性无功功率的相互转换，这种无可比拟的响应速度完全可以胜任对冲击性负荷的补偿。SVG的硬件系统采用了IGBT可迅速关断的器件，软件系统采用了瞬时无功算法，响应时间被缩短在10ms以内；SVC的硬件系统采用的是电流过零才能关断的晶闸管，软件系统采用的平均值算法，因此响应时间在40ms以上。

SVG对电压闪变抑制能力更强，SVC对电压闪变的抑制最大可达2：1，SVG对电压闪变的抑制可以达到5：1，甚至更高。SVC受到响应速度的限制，其抑制电压闪变的能力不会随补偿容量的增加而增加。而SVG由于响应速度极快，增大装置容量可以继续提高抑制电压闪变的能力。

而对于电炉要求响应速度更高，SVC抑制电炉闪变的效果并不好。

6.4 设备的谐波特性:

SVG不仅不产生谐波，而且同时具备谐波补偿功能，在动态无功补偿的同时，可对13次以下的谐波进行滤除。SVG采用了载波移相PWM技术和功率单元串联多电平技术，自身产生的谐波含量极低，装置输出侧无需滤波器。而SVC中TCR在补偿无功功率同时产生大量谐波，其产生的谐波甚至比系统本身的谐波还大，这就要求装设大容量的无源滤波器，而且滤波效果受到限制，而SVG本身不产生谐波，只要滤除系统本身的谐波即可，滤波容量减小一半，滤波效果更好。

6.5 设备的节能特性:

SVG采用新型低损耗IGBT功率器件，直接输出电压范围1kV－35Kv,省去了连接变压器，装置效率可达99％以上；而由于损耗曲线特性优于SVC（SVC空载时损耗达到最大），SVG 的等效运行损耗一般只有SVC的1/3-1/2，等效运行耗电量大大低于SVC。

SVG比SVC节能的原因

?串联电抗器容量不同：SVC串联100%电抗，而SVG只串联6%的电抗，而电抗器损耗大约为0.8%的损耗，占主导地位。

?FC部分，SVC的电容容量是SVG电容容量的一倍，所以，电容损耗比SVC的损耗小，电容损耗较小。

?SVC的可控硅的损耗与SVG的IGBT的损耗相当，可控硅的损耗比IGBT损耗小，但SVC部分的可控硅部分的容量是IGBT容量的一倍。而且在SVC的0无功时损耗最

大，100%无功时损耗最小，SVG在50%无功时损耗最小，在100%无功时损耗最大，一般动态无功绝大部分时间工作在50%无功状态。

图1 SVC 损耗曲线 图2 SVG 损耗曲线

从图1及图2可以看出，SVC 的平均损耗为0.56%，SVG 的平均损耗0.19%。对于本工 程补偿容量按80MVAR 计算，其一年节约电能为80000*8000*（0.56-0.19）/100=236.8万度,折合电费为118.4万元，节能效果非常显著。

6.6 设备的超强补偿能力

SVC 是阻抗型特性，补偿能力与电压的平方成正比，输出无功电流随母线电压降低而线性降低；当系统电压降低10%，补偿能力只有额定的80%，补偿能力大大降低，而SVG 是电流源特性，输出无功电流不受母线电压影响。SVG 的电流源特性也使SVG 具备较强的短期过载能力，可用来进一步提高电力系统稳定性，而SVC 不具备过载能力；

6.7 设备的占地面积小

SVG 以半导体功率器件构成的逆变器为核心，使用直流电容器储能，无SVC 中体积庞 大的滤波支路和电抗器，安装尺寸一般只有SVC 的1/3-1/1，特别适合于对占地面积要求较高的场合。XDVAR 系列SVG 可做成移动式装置。

功耗低，噪声小：大容量电抗器是引起SVC 功耗和噪声的主要因素，STATCOM 无需大容量电抗器，其功耗比SVC 低约2个百分点，噪声低约15dB 。

6.8 设备的免维护性

模块化设计，功率单元的结构和电气性能完全一致，单元可以互换。安装、设定、调试简便；保护功能齐全，具有过压、欠压、过流、过热等保护，运行可靠性高；控制器实现全数字化，人机界面友好显示，并且具有联网通讯功能，控制器具有高可靠性，而且操

作简单，与系统连接时，不需要考虑交流系统相序，补偿装置保护措施齐全；采用光纤触发技术，实现一次系统与二次系统的电气隔离，解决干扰问题，做到了高可靠性和控制性。