中石油西氣東輸二線上海支干線撫州壓氣站SVG室內(nèi)循環(huán)冷卻改造方案

張海健，胡天明，劉琨，黃永恒

（中石油管道有限責(zé)任公司西氣東輸分公司，上海200122）

1 SVG的基本結(jié)構(gòu)原理

SVG即高壓靜止無功補償器，通常由逆變橋、直流電容器、電抗器、斷路器及冷卻系統(tǒng)等部分構(gòu)成，其中，逆變橋由可關(guān)斷的半導(dǎo)體器件IGBT組成。其工作原理是將自換相橋式電路通過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，通過調(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側(cè)電流的相位和幅值，使電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實現(xiàn)快速動態(tài)無功補償合消除諧波等目的。

2 項目概述

西氣東輸撫州壓氣站110kV變電所，包括華電GIS、達(dá)馳變壓器、魯億通中壓柜、榮信SVG等核心設(shè)備也全部實現(xiàn)了國產(chǎn)化。其中，榮信SVG在場站運行中發(fā)揮著極其重要的作用，經(jīng)過改造，由原來只補償10kV側(cè)站內(nèi)用電系統(tǒng)的無功電量，到現(xiàn)在能夠?qū)崿F(xiàn)站內(nèi)設(shè)備與外電線路的雙向補償，節(jié)約了力調(diào)電費，降低了運營成本。

2.1 SVG設(shè)備功能

SVG主要功能包括：（1）提高線路輸電穩(wěn)定性；（2）維持受電端電壓，加強系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性；（3）補償系統(tǒng)無功功率，提高功率因數(shù)；（4）諧波動態(tài)補償，改善電能質(zhì)量；（5）抑制電壓波動和閃變；（6）抑制三相不平衡等[1]。

2.2 SVG設(shè)備故障影響及原因

SVG設(shè)備故障后將無法對站內(nèi)設(shè)備與110kV外電線路進(jìn)行補償，撫州壓氣站110kV電力線路容性無功很大，對電網(wǎng)的影響主要表現(xiàn)在：（1）無法補償線路容性無功，導(dǎo)致力調(diào)電費罰款大增；（2）總電流增大，加劇設(shè)備及線路的損耗；（3）使線路和變壓器電壓降增大，供電質(zhì)量嚴(yán)重降低。

2014—2019年，撫州站SVG共發(fā)生過12次故障，原因皆為室內(nèi)濕度較大導(dǎo)致單元驅(qū)動板損壞。由于江西每年3～9月環(huán)境濕度常達(dá)到90%以上?，F(xiàn)場SVG是依靠自然強迫風(fēng)冷，進(jìn)風(fēng)口的設(shè)計在室外，將戶外大量的潮濕空氣吸入SVG功率單元內(nèi)進(jìn)行散熱。SVG長期處于超出設(shè)計濕度運行，隨著溫度變化，潮濕的空氣和灰塵就會在絕緣器件、半導(dǎo)體器件及PCB的板卡上凝結(jié)下來，導(dǎo)致功率單元絕緣下降，放電損壞[2]。

3 改造技術(shù)方案

3.1 改造前后工作原理

改造前，SVG冷切方式為室外強迫自然風(fēng)冷，直接通過進(jìn)風(fēng)口吸入外界空氣到SVG室，再經(jīng)過設(shè)備本體上安裝的濾網(wǎng)進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部對設(shè)備進(jìn)行冷卻，然后通過風(fēng)扇抽離，經(jīng)過排風(fēng)風(fēng)道排到室外。

改造后，SVG設(shè)備冷切方式為內(nèi)循環(huán)風(fēng)冷，直接由空調(diào)將SVG室內(nèi)溫濕度控制在適宜范圍內(nèi)，再經(jīng)過設(shè)備本體上安裝的濾網(wǎng)進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部對設(shè)備進(jìn)行冷卻，然后通過風(fēng)扇抽離，直接排放到室內(nèi)，繼續(xù)由空調(diào)進(jìn)行室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)，持續(xù)保證設(shè)備穩(wěn)定運行在適宜的環(huán)境中。

3.2 空調(diào)容量選擇測算

3.2.1 SVG連接電抗器的發(fā)熱量計算

連接電抗器的損耗計算公式為：

式中，P為發(fā)熱量；I為SVG額定輸出時電抗器工作電流，為167A；R為電抗器電阻，R=ωL/Q[其中，ω為角頻率（2πf，f為交流電頻率為50Hz）；Q為品質(zhì)因數(shù)，取45；L為電感量]。代入數(shù)據(jù)得P=10.5kW。

3.2.2 SVG單個功率單元發(fā)熱量計算

1）IGBT損耗計算。根據(jù)現(xiàn)場的設(shè)備容量為10kV 5M，其發(fā)熱量計算為：設(shè)備電流167A，現(xiàn)場設(shè)備采用的是風(fēng)冷，IGBT額定電流300A并聯(lián)，開關(guān)頻率250Hz，散熱器表面溫度90℃，雙極性調(diào)制。

IGBT選型：富士2MBI300VH-170P-50 IGBT模塊由IGBT本部和續(xù)流二極管FWD組成，各自發(fā)生的損耗的合計為IGBT模塊整體損耗；同時，IGBT的損耗又分為通態(tài)（穩(wěn)態(tài)）損耗和交換（開關(guān)）損耗。

IGBT（本部）耗散功率計算：IGBT通態(tài)平均功耗是：

式中，iC（t）為隨時間變化的集電極電流；VCE（sat）（t）為IGBT飽和壓降；T為導(dǎo)通周期。通態(tài)損耗近似是Psat=VCE（sat）ICDT（其中，VCE（sat）為IGBT飽和壓降；IC為通態(tài)下的集電極電流；DT為占空比PWM）。應(yīng)用時，近似通態(tài)損耗Psat=VCE（sat）ICDT=104.8W。續(xù)流二極管損耗：Pd=27.9W。

開關(guān)損耗精確計算：測量開關(guān)過程中的波形，對其進(jìn)行積分（積分時間是開通時間或關(guān)斷時間）。

iC（t）VCE（sat）的積分面積是以焦耳為單位的開關(guān)能量?？傞_關(guān)損耗是開通與關(guān)斷過程所損耗能量之和，平均開關(guān)損耗是單位脈沖開關(guān)損耗與開關(guān)頻率相乘后得到：

式中，Psw為IGBT開關(guān)平均損耗；fPWM為IGBT開關(guān)頻率；EON為IGBT開關(guān)開通損耗；EOFF為IGBT開關(guān)關(guān)斷損耗。實際上，EON和EOFF可由交換損耗-集電極電流特性曲線來估算依據(jù)IGBT實際流過的電流值，查曲線得到EON和EOFF，即可計算平均開關(guān)損耗本部總損耗是通態(tài)損耗和開關(guān)損耗之和

2）直流電容損耗計算。根據(jù)直流電容銘牌得知直流電容器損耗為：23.6W。

3）控制回路損耗計算。控制柜損耗：250W。

4）其余部分損耗計算。驅(qū)動板損耗=15W。均壓電阻損耗是單元直流側(cè)電壓在容性滿載情況下，電壓為900V，電阻采用的是9K，那么每個電阻的功率為：8002/9 000=72W。

根據(jù)上述損耗相加計算得出了單個功率單元發(fā)熱量，即143.6+94.4+250+15+72=575W。

3.2.3 發(fā)熱量計算結(jié)果

撫州站成套SVG共有63個功率單元，發(fā)熱量為36kW。電抗器發(fā)熱量為10.5kW，成套SVG發(fā)熱量為36+10.5=46.5kW。

3.2.4 空調(diào)容量選擇

按著空調(diào)制冷量1P=2.5kW的制冷量計算，那么46.5kW熱量所需的空調(diào)容量為：46.5/2.5=18.6P。預(yù)留10%余量，則空調(diào)的總?cè)萘窟x擇20P即可。采用3臺10P空調(diào)，平時2臺運行，1臺備用。

4 改造后效果

SVG室內(nèi)循環(huán)冷卻改造后，連續(xù)運行7個月未發(fā)生類似故障，改造效果明顯，更好的保障供電質(zhì)量。

5 結(jié)語

通過對SVG動態(tài)無功補償裝置的結(jié)構(gòu)和原理分析，為以后設(shè)備維護(hù)，維修提供了理論依據(jù)，便于及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，從源頭解決SVG經(jīng)常性故障問題，為正常生產(chǎn)提供優(yōu)質(zhì)，高效電能。