SVG工作原理、控制系統(tǒng)及關鍵技術說明.docx

SVG工作原理、控制系統(tǒng)及關鍵技術說明SVG(Static Var Generator, 動態(tài)無功補償裝置)是一種采用自換相變流電路的現(xiàn)代無功補償裝置，是當今無功補償領域最新技術，又稱為 STATCOM（Static Synchronous Compensator, 動態(tài)無功補償裝置）。SVG 動態(tài)無功補償裝置在響應速度、穩(wěn)定電網(wǎng)電壓、降低系統(tǒng)損耗、增加傳輸能力、提高瞬變電壓極限、降低諧波和減少占地面積等多方面更具優(yōu)勢。SVG產(chǎn)品技術特點：觸發(fā)、監(jiān)控單元分相獨立化設計，運行速度快，抗干擾性強； 基于瞬時無功功率理論的無功檢測技術；直流側電壓平衡控制；完善的保護功能；專用的 IGBT 驅動電路，保證了 IGBT 高頻開斷的可靠性，并將狀態(tài)監(jiān)控信息實時上傳至上層監(jiān)控系統(tǒng)；鏈節(jié)自取能設計，可靠性高；鏈式結構模塊化設計，滿足系統(tǒng)高可靠性的要求，維護方便；疊層銅排應用，滿足IGBT 高頻觸發(fā)的要求；響應時間可達5ms。能夠提供從感性到容性的連續(xù)、平滑、動態(tài)、快速的無功功率補償；能夠解決負荷的不平衡問題；電流源特性，輸出無功電流不受母線電壓影響；對系統(tǒng)阻抗參數(shù)不敏感。電網(wǎng)電能質量存在的問題1.1非線性負荷大量接入電網(wǎng)和負載的頻繁波動，對電能質量產(chǎn)生嚴重影響：(1) 輸電系統(tǒng)缺乏及時的無功調(diào)節(jié)，系統(tǒng)振蕩容易擴大，降低輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性；(2) 負荷中心缺乏快速的無功支撐，容易造成電壓偏低；(3) 功率因數(shù)低，增加電網(wǎng)損耗，加大生產(chǎn)成本，降低生產(chǎn)效率；(4) 產(chǎn)生的無功沖擊引起電網(wǎng)電壓降低、電壓波動及閃變，嚴重時導致傳動裝置及保護裝置無法正常工作甚至停產(chǎn)；(5) 產(chǎn)生大量諧波電流，導致電網(wǎng)電壓畸變，引起：保護及安全自動裝置誤動作；電容器組諧波電流放大，使電容器過負荷或過電壓，甚至燒毀；增加變壓器損耗，引起變壓器發(fā)熱；導致電力設備發(fā)熱，電機力矩不穩(wěn)甚至損壞；加速電力設備絕緣老化；降低電弧爐生產(chǎn)效率，增加損耗；干擾通訊信號；(6) 導致電網(wǎng)三相電壓不平衡，產(chǎn)生負序電流使電機轉子發(fā)生振動。解決方案 針對以上問題，推薦以下最佳解決方案: 采用SVG動態(tài)無功補償裝置，用以提高電網(wǎng)穩(wěn)定性，增加輸電能力，消除無功沖擊，濾除諧波，平衡三相電壓。 加裝SVG動態(tài)無功補償裝置后，能起到以下作用：（1）提高線路輸電能力 在長距離輸電線路上安裝 SVG 動態(tài)無功補償裝置，不但可以在正常運行狀態(tài)下補償線路的無功功率，穩(wěn)定線路電壓，提高有效輸電容量，而且可以在系統(tǒng)故障情況下及時進行無功調(diào)節(jié)，阻尼系統(tǒng)振蕩，提高輸電系統(tǒng)穩(wěn)定性。（2） 維持受電端電壓，加強系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性 對于負荷中心而言，由于負載容量大，又沒有大型的無功電源支撐，因此容易造成電網(wǎng)電壓偏低甚至發(fā)生電壓崩潰的事故。而 SVG 動態(tài)無功補償裝置具有快速的無功功率調(diào)節(jié)能力，可以維持負荷側電壓，提高負荷側供電系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。（3）補償系統(tǒng)無功功率，提高功率因數(shù)，降低線損，節(jié)能降耗 配電系統(tǒng)中的大量負荷，如異步電動機、感應電爐以及大容量整流設備、電力機車等，在運行中都表現(xiàn)為感性，需要消耗大量的無功，增加了供電線路上的電能損失，降低了電壓質量，同時無功電流也降低了發(fā)、輸、供電設備的有效利用率；對電力用戶而言，低功率因數(shù)會增加電費支出，增加變壓器損耗，加大生產(chǎn)成本。 SVG可跟隨負荷無功的變化，實現(xiàn)無功功率的動態(tài)補償，使線路損耗降到最低，并且充分提高了發(fā)、輸、 供、用電設備的利用率。 （4）抑制電壓波動和閃變 非線性負荷，如電弧爐、軋鋼機、電氣化鐵路等，負荷的快速變化引起電壓波動和閃變，不能滿足用戶 對電壓質量的要求，會導致設備運行性能不良，出現(xiàn)過電流、過熱、保護裝置誤動及設備燒壞等事故，并且設備性能、生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量都將受到影響。電壓波動和閃變對安全生產(chǎn)及人體健康都是極為不利的。SVG的快速響應使其特別適合于電壓波動與閃變的抑制。 （5）抑制三相不平衡 SVG 動態(tài)無功補償裝置能夠快速地補償由于負載不平衡所產(chǎn)生的負序電流，始終保證流入電網(wǎng)的三相電流平衡，大大提高供用電的電能質量。（6） 其他多種補償功能 面向電網(wǎng)的應用： 抑制系統(tǒng)振蕩，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性，為電網(wǎng)安全保駕護航。 由于區(qū)域電網(wǎng)的容量越來越大，這就要求補償裝置的容量也相應增大。在幾百兆乏級的無功補償系統(tǒng)中，常用的方案是將 SVG 與 SVC 相結合，充分發(fā)揮 SVG 的快速特性，使系統(tǒng)在補償特性、造價、可靠性等方面達到最優(yōu)。 面向軋機、電弧爐、電氣化鐵路等領域的多種補償功能： 補償負載無功功率提高功率因數(shù)，是最有效的閃變抑制裝置。 補償負載無功和諧波即可以補償無功，又可同時補償諧波。 補償負載三相不平衡最有效的負序電流抑制裝置。 補償負載無功、諧波和三相不平衡既可以補償無功，又可同時補償諧波和三相不平衡，是負載電能質量問題的完美解決方案。SVG工作原理 SVG 動態(tài)無功補償裝置的基本原理就是將自換相橋式電路通過電抗器或變壓器并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當?shù)恼{(diào)節(jié)橋式電路交流側輸出電壓相對系統(tǒng)電壓的相位和幅值，迅速吸收或發(fā)出滿足要求的無功電流，實現(xiàn)快速動態(tài)無功補償?shù)哪康?。其基?VSC(Voltage Source Converter, 電壓源變流器 ) 的結構實現(xiàn)了無功補償方式質的飛躍，不需采用大容量的電容、電感器件，而是通過可關斷大功率電力電子器件 IGBT 將直流側電壓轉換成交流側與電網(wǎng)同頻率的輸出電壓，實現(xiàn)無功能量的交換，補償基波無功。此外在考慮諧波補償時，SVG 動態(tài)無功補償裝置相當于一個可控的諧波源，可根據(jù)系統(tǒng)情況，進行主動式跟蹤補償。采用電壓型自換相橋式變流器的SVG動態(tài)無功補償裝置電路基本結構如圖所示。SVG基本結構工作原理 SVG動態(tài)無功補償裝置的基本工作原理是將電壓型自換相橋式電路通過電抗器或變壓器并聯(lián)在電網(wǎng)上，當只考慮基波頻率時，SVG 動態(tài)無功補償裝置可等效視為幅值和相位均可控的一個與電網(wǎng)同頻率的交流電壓源，適當調(diào)節(jié)交流側輸出電壓的相位和幅值，實現(xiàn)該電路吸收或發(fā)出滿足要求的無功電流，實現(xiàn)動態(tài)無功補償。SVG動態(tài)無功補償裝置工作原理可用下圖所示的單相等效電路圖說明。SVG動態(tài)無功補償裝置具有以下技術特點：(1) 裝置由控制系統(tǒng)、電壓源變流器等部分組成，補償范圍寬，能夠實現(xiàn)連續(xù)感性和容性補償；(2) 采用鏈式結構，安裝調(diào)試周期短，運輸方便，將每相作為一個獨立的鏈；各鏈節(jié)結構一致，可實現(xiàn)模塊化設計，便于擴展裝置容量；鏈式 SVG 動態(tài)無功補償裝置可實現(xiàn)獨立分相控制，有利于解決系統(tǒng)的相間平衡問題，在系統(tǒng)受到擾動時，更好的提供電壓支撐;降低了可關斷器件的開關頻率和損耗；每相設有冗余鏈節(jié)，提高裝置的可靠性；在系統(tǒng)平衡及不平衡的狀態(tài)下，鏈式結構的諧波特性優(yōu)于其他結構形式；采用SPWM(正弦脈寬調(diào)制)控制技術，極大降低了諧波含量，有效利用直流側電壓、減小裝置自身損耗，并能做到短時有功及諧波補償。下圖所示為SVG動態(tài)無功補償裝置并網(wǎng)運行波形。(a)感性無功補償電流(滯后)(b) 容性無功補償電流 (超前) 實測SVG動態(tài)無功補償裝置并網(wǎng)運行電壓電流波形采用脈沖循環(huán)控制和單鏈節(jié)電壓補償機制，直流側電壓波動小。(3) 控制系統(tǒng)采用DSP+FPGA+CPLD 的硬件模式，能夠并行處理大量數(shù)據(jù)，實時數(shù)字運算，運算結果(4) 換流鏈裝置采用強制風冷散熱方式 ,效率高,體積緊湊,可以充分利用IGBT 等器件容量；(5) 控制系統(tǒng)和換流鏈之間采用光纖傳輸信號，徹底解決高低壓隔離問題，保證操作人員的安全，增強系統(tǒng)抗干擾性能；(6) 保護系統(tǒng)采用分級保護策略，將數(shù)字保護、邏輯硬件保護和繼電保護融為一體，為裝置的安全運行提供有力保障；站控系統(tǒng)采用一體化工作站，通過分層式的結構實現(xiàn)對多個監(jiān)控量的采集和監(jiān)控，實現(xiàn)系在各種異常狀況下的可靠保護，具有良好的人機界面，便于控制和查詢故障類型和位置；(7) 站控系統(tǒng)可提供遠方通訊接口，實現(xiàn)遠方監(jiān)控，并可作為 AVC終端。SVG動態(tài)無功補償裝置技術優(yōu)勢(1) SVG 動態(tài)無功補償裝置響應時間可達5ms；(2) 電壓閃變抑制力強。SVG 動態(tài)無功補償裝置對電壓閃變的抑制可以達到5:1，甚至更高；(3) SVG 為電流源特性，輸出無功電流不受母線電壓影響，欠壓條件下無功調(diào)節(jié)能力更強，同時具備一定的短期過載能力；(4) SVG 不僅自身輸出電壓中諧波含量很低，還能夠對負載的諧波和無功進行補償，實現(xiàn)有源濾波；(5) SVG 可以采用箱變安裝方式，占地面積小，為SVC的30%50%；(6) SVG 不改變電力系統(tǒng)的阻抗分布，安全穩(wěn)定；(7) SVG 能在一定范圍內(nèi)提供有功功率，減少有功功率沖擊；(8) SVG 中采用直流電容作為儲能元件，運行過程中電磁噪聲顯著降低。SVG產(chǎn)品關鍵技術說明(1)IGBT驅動 IGBT 在高頻率的交替開通和關斷時需要一定的動態(tài)驅動功率，柵極驅動電路設計的優(yōu)劣直接關系到IGBT長期運行的可靠性。驅動電路為 IGBT 提供一定幅值的柵極電壓、隔離的輸入輸出信號、過壓保護和du/dt保護能力。 SVG 選用 IGBT 專用驅動電路（集成保護、驅動、高低壓隔離等功能），適配板（主要進行柵極電阻、電容配置），可以有效提高 IGBT 在較高頻率工作狀態(tài)下穩(wěn)定性，防止 IGBT 誤觸發(fā)，控制IGBT 開斷速度，降低損耗。IGBT 專用驅動模塊 自主研發(fā)的適配板(2)鏈節(jié)單元結構及抗干擾設計 疊層母排的應用，減小了直流回路的導線雜散電感，配合良好的吸收回路設計，提高了 IGBT 穩(wěn)定運行可靠性； 合理的散熱器選型及散熱風道設計，保證了SVG的可靠運行； 獨特的自取能設計，有效提高一二次絕緣性能，簡化了接線； 三維結構設計軟件的應用，為上述技術應用提供了可靠保證。(3)無功及諧波的實時準確檢測 混合語言編程，提高程序的可靠性、通用性，保證了控制器長時間無故障運行；基于瞬時無功功率檢測算法及完善的無功、電壓控制方法，保證了無功及電壓合理控制。(4)軟硬件平臺 無功補償設備控制系統(tǒng)基于單片機、DSP、FPGA、ARM 等多代處理器為核心的軟硬件平臺。SVG采用基于DSP+FPGA+CPLD 高性能硬件平臺，運算速度快，精度高。(5)控制方案SVG 控制方法更加復雜，除系統(tǒng)無功檢測、觸發(fā)控制、脈沖分配等，對直流電容電壓平衡控制、逆變輸出諧波控制等方面也有嚴格要求。 SVG進行了全面升級，通過提高IGBT 開關頻率，采用脈沖循環(huán)、脈沖光電傳輸就地解碼、直流電壓就地調(diào)節(jié)、瞬時無功檢測等方法，實現(xiàn)了SVG裝置的穩(wěn)定運行。(6)保護、監(jiān)控系統(tǒng) 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、丟脈沖、觸發(fā)異常、過壓擊穿、閥室超溫、保護輸入接口、保護輸出接口控制和系統(tǒng)電源異常等保護功能。 采用工控機作為監(jiān)控后臺，友好的人機界面與監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)視與故障自診斷系統(tǒng)提供友好的全中文、基于 windows 操作系 統(tǒng)的監(jiān)控和操作界面，能實現(xiàn)作為電網(wǎng)無功電壓自動控制系統(tǒng)（AVC）的變電站終端，與電網(wǎng)AVC系統(tǒng)的調(diào)度端開環(huán)或閉環(huán)運行。(7)功率單元的性能測試 SVG結構復雜，對控制系統(tǒng)要求較高，采用鏈