SVG成套裝置的應(yīng)用與研究

安 鴿

（西安隆基清潔能源有限公司，陜西西安710000）

0 引言

SVG作為新一代的無功補償裝置，在補償效果、功率密度和運行效率等技術(shù)指標(biāo)上具有傳統(tǒng)無功補償設(shè)備無法比擬的優(yōu)勢，是目前解決配電網(wǎng)尤其是快速變化的電網(wǎng)無功補償問題的重要手段。

1 SVG裝置的原理

SVG裝置將自換相橋式電路組成的電壓源型變流器通過變壓器或者電抗器并聯(lián)到電網(wǎng)中，然后通過調(diào)節(jié)逆變橋中IGBT器件的開關(guān)，控制直流電壓逆變到交流電壓的幅值和相位。因此，對于無功率損耗的SVG，僅改變其輸出電壓的幅值即可調(diào)節(jié)與系統(tǒng)的無功交換：當(dāng)輸出電壓小于系統(tǒng)電壓時，SVG工作于“感性”區(qū)，吸收無功功率（相當(dāng)于電抗器）；反之，SVG工作于“容性”區(qū)，發(fā)出無功功率（相當(dāng)于電容器），通過控制連接電抗器兩端的端電壓即可控制SVG發(fā)出的無功功率性質(zhì)以及容量。將自換相橋式電路通過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)調(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，或控制其交流側(cè)電流，就可以使該電路吸收或發(fā)出無功電流，實現(xiàn)動態(tài)無功補償，具體實現(xiàn)過程如式（1）所示。

2 SVG裝置數(shù)學(xué)建模及可靠性分析

經(jīng)過對SVG裝置的原理分析，可對SVG裝置進(jìn)行時域數(shù)學(xué)建模。將SVG裝置中各種損耗及電阻包括開關(guān)器件等用等效電阻R表示，連接變壓器閥側(cè)至同步信號采樣點的電感L。SVG裝置輸出電壓由多個單相橋輸出電壓疊加而成，諧波含量低，因此只考慮SVG輸出電壓的基波分量而忽略諧波分量?；谏鲜黾僭O(shè)及對單相橋輸出電壓的分析，將多個單相橋的輸出電壓ULR（t）按照一定規(guī)律串聯(lián)起來，取其基波分量，可以得到SVG裝置總的輸出電壓。

SVG裝置常系數(shù)微分方程的數(shù)學(xué)模型為：

SVG裝置注入系統(tǒng)的順時三相有功功率和無功功率為：

穩(wěn)態(tài)電流和直流側(cè)電壓為：

穩(wěn)態(tài)功率為：

可見，SVG裝置穩(wěn)態(tài)時輸出無功功率與控制量δ成正比關(guān)系，δ=0時，q=0，且正負(fù)方向?qū)ΨQ；當(dāng)δ＜0時，SVG裝置輸出無功功率為負(fù)，相當(dāng)于電感；當(dāng)δ＞0時，SVG裝置輸出無功功率為正，相當(dāng)于電容。只要δ≠0，SVG裝置輸出有功功率為負(fù)，說明裝置本身消耗有功功率。同時，根據(jù)對換流鏈和主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可靠性分析與建模得出：SVG裝置系統(tǒng)平均使用壽命的計算公式如式（6）所示，將參數(shù)代入方程計算出SVG裝置平均使用壽命為10年。

3 工程項目的SVG裝置設(shè)計

本期光伏電站發(fā)電工程項目裝設(shè)2套容量為10.0 Mvar、35 kV的SVG裝置，并配備相應(yīng)的自動控制監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)等，SVG裝置采用戶外集裝箱式安裝方式。

SVG成套裝置以母線側(cè)功率因數(shù)、母線電壓作為控制目標(biāo)，用額定頻率50 Hz 工作，SVG 裝置額定補償容量：在-10～10 Mvar連續(xù)平滑調(diào)節(jié)，動態(tài)響應(yīng)時間小于5 ms。注入系統(tǒng)公共連接點（PCC點）母線的諧波電壓總畸變率、奇次諧波電壓含有率、偶次諧波電壓含有率及各次諧波電流均滿足國標(biāo)《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》（GB/T 14549－93）的要求。公共連接點母線引起的電壓不平衡度≤2%，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量 三相電壓不平衡》（GB/T 15543—2008）的要求。SVG裝置損耗小于0.8%；諧波特性小于3%IN；戶外箱體防護(hù)等級≥IP54。SVG成套裝置采用進(jìn)口全控型器件IGBT，開關(guān)頻率不低于500 Hz。裝置主回路元件留有足夠的電壓、電流裕度，元件應(yīng)有良好的dv/dt、di/dt特性。換流元件IGBT芯片選用原裝進(jìn)口的英飛凌器件，考慮過電壓、過電流裕度及系統(tǒng)沖擊尖峰毛刺后，選取英飛凌全進(jìn)口的全控型器件IGBT，模塊耐壓1 700 V，300 A，每個模塊與DC-Link電容器并聯(lián)。系統(tǒng)主電路采用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，星型連接，每相由多個換流鏈模塊組成，并采用冗余設(shè)計，滿足運行要求。主控制器根據(jù)系統(tǒng)電壓/無功的變化情況，實現(xiàn)脈沖發(fā)生和分配功能，自動調(diào)節(jié)裝置無功輸出。成套裝置具有參數(shù)設(shè)置功能，設(shè)置的內(nèi)容不受停電和干擾信號的影響。

該SVG裝置可實現(xiàn)以下功能：實時電壓、電流、功率因數(shù)等參數(shù)顯示；實時曲線和歷史曲線（電流、電壓、功率）顯示；歷史事件記錄（故障記錄、操作記錄、停機原因記錄）；運行數(shù)據(jù)記錄；故障錄波；無功階躍錄波；電壓階躍錄波；在線電能監(jiān)測；鏈?zhǔn)窖b置單元狀態(tài)監(jiān)視；軟件版本查詢；HMI存儲空間查詢；顯示當(dāng)前時間、保護(hù)動作時間，顯示保護(hù)類型、保護(hù)動作時間等信息。SVG裝置具有母線過壓、母線欠壓、過流、速斷、直流過壓、電力電子元件損壞檢測保護(hù)、丟脈沖、觸發(fā)異常、過壓擊穿、單元模塊功率柜超溫、保護(hù)輸入接口/保護(hù)輸出接口控制和系統(tǒng)電源異常等保護(hù)功能?？刂破鲀?nèi)部電路的保護(hù)功能較為完善，內(nèi)部出現(xiàn)任何電路故障均不會有誤動作輸出?？刂破鬟€具有CT、PT斷線檢測及閉鎖調(diào)節(jié)功能。SVG開關(guān)跳閘時，控制器報警并閉鎖微機控制器的無功出口。SVG裝置一般配備12%或者15%電抗率的電抗器。集裝箱用于安裝鏈?zhǔn)絊VG裝置的電器設(shè)備，按變電站現(xiàn)場位置及平面來設(shè)計門及接口。

4 結(jié)語

本文采用恒考核點功率因數(shù)模式和恒考核點電壓模式，進(jìn)行80 MW光伏發(fā)電項目設(shè)計，通過對光伏電站中負(fù)荷情況的充分分析，對SVG裝置進(jìn)行時域數(shù)學(xué)建模、計算、試驗調(diào)試等。SVG裝置動態(tài)提供電壓支撐，畸變率為1.3%，滿足公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）要求。針對光伏電站特點，SVG裝置需具備容性、感性突變性能。SVG采用低損耗IGBT功率器件，輸出電壓范圍為1～35 kV，不用連接變壓器，裝置效率可達(dá)99%以上；裝置損耗≤0.8%。SVG裝置實現(xiàn)了對三相不平衡負(fù)荷的補償，消除了負(fù)序電流；采用重構(gòu)電流法實現(xiàn)對SVG三相輸出分別進(jìn)行控制，提高了不平衡狀態(tài)下的控制效果；當(dāng)電網(wǎng)電壓降低10%以上時，電壓每跌1%，SVG多輸出2%額定電流，電網(wǎng)電壓2 s后恢復(fù)，切換到正常工作狀態(tài)。SVG裝置可滿足并機無功補償擴(kuò)容的需求，采用背掛電容方式，支持多種通信接口，單元安裝靈活，占地面積少，對于19次及以下諧波可濾除掉95%及以上，對于19次以上諧波可以濾除掉85%。SVG特有的開機自檢功能大幅降低了調(diào)試難度，加快了整機調(diào)試進(jìn)度?，F(xiàn)場運行結(jié)果顯示，SVG裝置達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，進(jìn)線側(cè)功率因數(shù)達(dá)到0.98～0.99，PCC點諧波考核指標(biāo)達(dá)到《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》的考核要求，同時克服了強烈負(fù)荷對電網(wǎng)的沖擊，能夠?qū)崿F(xiàn)-10～10 MVar動態(tài)補償調(diào)節(jié)。光伏電站利用SVG的穩(wěn)壓能力，降低了電壓波動，提高了光伏電站低電壓穿越能力，成功并網(wǎng)運行。