SVG工作原理、控制系统及关键技术说明

SVG工作原理、控制系统及关键技术说明SVG(StaticVarGenerator,动态无功补偿装置)是一种采用自换相变流电路的现代无功补偿装置，是当今无功补偿领域最新技术，又称为STATCOM（StaticSynchronousCompensator,动态无功补偿装置）。SVG动态无功补偿装置在响应速度、稳定电网电压、降低系统损耗、增加传输能力、提高瞬变电压极限、降低谐波和减少占地面积等多方面更具优势。SVG产品技术特点：※触发、监控单元分相独立化设计，运行速度快，抗干扰性强；※基于瞬时无功功率理论的无功检测技术；※直流侧电压平衡控制；※完善的保护功能；※专用的IGBT驱动电路，保证了IGBT高频开断的可靠性，并将状态监控信息实时上传至上层监控系统；※链节自取能设计，可靠性高；※链式结构模块化设计，满足系统高可靠性的要求，维护方便；※叠层铜排应用，满足IGBT高频触发的要求；※响应时间可达5ms。※能够提供从感性到容性的连续、平滑、动态、快速的无功功率补偿；※能够解决负荷的不平衡问题；※电流源特性，输出无功电流不受母线电压影响；※对系统阻抗参数不敏感。电网电能质量存在的问题1.1非线性负荷大量接入电网和负载的频繁波动，对电能质量产生严重影响：(1)输电系统缺乏及时的无功调节，系统振荡容易扩大，降低输电系统的稳定性；(2)负荷中心缺乏快速的无功支撑，容易造成电压偏低；(3)功率因数低，增加电网损耗，加大生产成本，降低生产效率；(4)产生的无功冲击引起电网电压降低、电压波动及闪变，严重时导致传动装置及保护装置无法正常工作甚至停产；(5)产生大量谐波电流，导致电网电压畸变，引起：①保护及安全自动装置误动作；②电容器组谐波电流放大，使电容器过负荷或过电压，甚至烧毁；③增加变压器损耗，引起变压器发热；④导致电力设备发热，电机力矩不稳甚至损坏；⑤加速电力设备绝缘老化；⑥降低电弧炉生产效率，增加损耗；⑦干扰通讯信号；(6)导致电网三相电压不平衡，产生负序电流使电机转子发生振动。解决方案针对以上问题，推荐以下最佳解决方案:采用SVG动态无功补偿装置，用以提高电网稳定性，增加输电能力，消除无功冲击，滤除谐波，平衡三相电压。加装SVG动态无功补偿装置后，能起到以下作用：（1）提高线路输电能力在长距离输电线路上安装SVG动态无功补偿装置，不但可以在正常运行状态下补偿线路的无功功率，稳定线路电压，提高有效输电容量，而且可以在系统故障情况下及时进行无功调节，阻尼系统振荡，提高输电系统稳定性。（2）维持受电端电压，加强系统电压稳定性对于负荷中心而言，由于负载容量大，又没有大型的无功电源支撑，因此容易造成电网电压偏低甚至发生电压崩溃的事故。而SVG动态无功补偿装置具有快速的无功功率调节能力，可以维持负荷侧电压，提高负荷侧供电系统的电压稳定性。（3）补偿系统无功功率，提高功率因数，降低线损，节能降耗配电系统中的大量负荷，如异步电动机、感应电炉以及大容量整流设备、电力机车等，在运行中都表现为感性，需要消耗大量的无功，增加了供电线路上的电能损失，降低了电压质量，同时无功电流也降低了发、输、供电设备的有效利用率；对电力用户而言，低功率因数会增加电费支出，增加变压器损耗，加大生产成本。SVG可跟随负荷无功的变化，实现无功功率的动态补偿，使线路损耗降到最低，并且充分提高了发、输、供、用电设备的利用率。（4）抑制电压波动和闪变非线性负荷，如电弧炉、轧钢机、电气化铁路等，负荷的快速变化引起电压波动和闪变，不能满足用户对电压质量的要求，会导致设备运行性能不良，出现过电流、过热、保护装置误动及设备烧坏等事故，并且设备性能、生产效率和产品质量都将受到影响。电压波动和闪变对安全生产及人体健康都是极为不利的。SVG的快速响应使其特别适合于电压波动与闪变的抑制。（5）抑制三相不平衡SVG动态无功补偿装置能够快速地补偿由于负载不平衡所产生的负序电流，始终保证流入电网的三相电流平衡，大大提高供用电的电能质量。（6）其他多种补偿功能①面向电网的应用：抑制系统振荡，提高电网稳定性，为电网安全保驾护航。由于区域电网的容量越来越大，这就要求补偿装置的容量也相应增大。在几百兆乏级的无功补偿系统中，常用的方案是将SVG与SVC相结合，充分发挥SVG的快速特性，使系统在补偿特性、造价、可靠性等方面达到最优。②面向轧机、电弧炉、电气化铁路等领域的多种补偿功能：补偿负载无功功率——提高功率因数，是最有效的闪变抑制装置。补偿负载无功和谐波——即可以补偿无功，又可同时补偿谐波。补偿负载三相不平衡——最有效的负序电流抑制装置。补偿负载无功、谐波和三相不平衡——既可以补偿无功，又可同时补偿谐波和三相不平衡，是负载电能质量问题的完美解决方案。SVG工作原理SVG动态无功补偿装置的基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器或变压器并联在电网上，适当的调节桥式电路交流侧输出电压相对系统电压的相位和幅值，迅速吸收或发出满足要求的无功电流，实现快速动态无功补偿的目的。其基于VSC(VoltageSourceConverter,电压源变流器)的结构实现了无功补偿方式质的飞跃，不需采用大容量的电容、电感器件，而是通过可关断大功率电力电子器件IGBT将直流侧电压转换成交流侧与电网同频率的输出电压，实现无功能量的交换，补偿基波无功。此外在考虑谐波补偿时，SVG动态无功补偿装置相当于一个可控的谐波源，可根据系统情况，进行主动式跟踪补偿。采用电压型自换相桥式变流器的SVG动态无功补偿装置电路基本结构如图所示。SVG基本结构工作原理SVG动态无功补偿装置的基本工作原理是将电压型自换相桥式电路通过电抗器或变压器并联在电网上，当只考虑基波频率时，SVG动态无功补偿装置可等效视为幅值和相位均可控的一个与电网同频率的交流电压源，适当调节交流侧输出电压的相位和幅值，实现该电路吸收或发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿。SVG动态无功补偿装置工作原理可用下图所示的单相等效电路图说明。SVG动态无功补偿装置具有以下技术特点：(1)装置由控制系统、电压源变流器等部分组成，补偿范围宽，能够实现连续感性和容性补偿；(2)采用链式结构，安装调试周期短，运输方便，将每相作为一个独立的链；①各链节结构一致，可实现模块化设计，便于扩展装置容量；②链式SVG动态无功补偿装置可实现独立分相控制，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降低了可关断器件的开关频率和损耗；④每相设有冗余链节，提高装置的可靠性；⑤在系统平衡及不平衡的状态下，链式结构的谐波特性优于其他结构形式；⑥采用SPWM(正弦脉宽调制)控制技术，极大降低了谐波含量，有效利用直流侧电压、减小装置自身损耗，并能做到短时有功及谐波补偿。下图所示为SVG动态无功补偿装置并网运行波形。(a)感性无功补偿电流(滞后)(b)容性无功补偿电流(超前)实测SVG动态无功补偿装置并网运行电压电流波形⑦采用脉冲循环控制和单链节电压补偿机制，直流侧电压波动小。(3)控制系统采用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(4)换流链装置采用强制风冷散热方式,效率高,体积紧凑,可以充分利用IGBT等器件容量；(5)控制系统和换流链之间采用光纤传输信号，彻底解决高低压隔离问题，保证操作人员的安全，增强系统抗干扰性能；(6)保护系统采用分级保护策略，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有力保障；站控系统采用一体化工作站，通过分层式的结构实现对多个监控量的采集和监控，实现系在各种异常状况下的可靠保护，具有良好的人机界面，便于控制和查询故障类型和位置；(7)站控系统可提供远方通讯接口，实现远方监控，并可作为AVC终端。SVG动态无功补偿装置技术优势(1)SVG动态无功补偿装置响应时间可达5ms；(2)电压闪变抑制力强。SVG动态无功补偿装置对电压闪变的抑制可以达到5:1，甚至更高；(3)SVG为电流源特性，输出无功电流不受母线电压影响，欠压条件下无功调节能力更强，同时具备一定的短期过载能力；(4)SVG不仅自身输出电压中谐波含量很低，还能够对负载的谐波和无功进行补偿，实现有源滤波；(5)SVG可以采用箱变安装方式，占地面积小，为SVC的30%～50%；(6)SVG不改变电力系统的阻抗分布，安全稳定；(7)SVG能在一定范围内提供有功功率，减少有功功率冲击；(8)SVG中采用直流电容作为储能元件，运行过程中电磁噪声显著降低。SVG产品关键技术说明(1)IGBT驱动IGBT在高频率的交替开通和关断时需要一定的动态驱动功率，栅极驱动电路设计的优劣直接关系到IGBT长期运行的可靠性。驱动电路为IGBT提供一定幅值的栅极电压、隔离的输入输出信号、过压保护和du/dt保护能力。SVG选用IGBT专用驱动电路（集成保护、驱动、高低压隔离等功能），适配板（主要进行栅极电阻、电容配置），可以有效提高IGBT在较高频率工作状态下稳定性，防止IGBT误触发，控制IGBT开断速度，降低损耗。IGBT专用驱动模块自主研发的适配板(2)链节单元结构及抗干扰设计叠层母排的应用，减小了直流回路的导线杂散电感，配合良好的吸收回路设计，提高了IGBT稳定运行可靠性；合理的散热器选型及散热风道设计，保证了SVG的可靠运行；独特的自取能设计，有效提高一二次绝缘性能，简化了接线；三维结构设计软件的应用，为上述技术应用提供了可靠保证。(3)无功及谐波的实时准确检测混合语言编程，提高程序的可靠性、通用性，保证了控制器长时间无故障运行；基于瞬时无功功率检测算法及完善的无功、电压控制方法，保证了无功及电压合理控制。(4)软硬件平台无功补偿设备控制系统基于单片机、DSP、FPGA、ARM等多代处理器为核心的软硬件平台。SVG采用基于DSP+FPGA+CPLD高性能硬件平台，运算速度快，精度高。(5)控制方案SVG控制方法更加复杂，除系统无功检测、触发控制、脉冲分配等，对直流电容电压平衡控制、逆变输出谐波控制等方面也有严格要求。SVG进行了全面升级，通过提高IGBT开关频率，采用脉冲循环、脉冲光电传输就地解码、直流电压就地调节、瞬时无功检测等方法，实现了SVG装置的稳定运行。(6)保护、监控系统母线过压、母线欠压、过流、速断、直流过压、电力电子元件损坏检测保护、丢脉冲、触发异常、过压击穿、阀室超温、保护输入接口、保护输出接口控制和系统电源异常等保护功能。采用工控机作为监控后台，友好的人机界面与监控系统，监视与故障自诊断系统提供友好的全中文、基于windows操作系统的监控和操作界面，能实现作为电网无功电压自动控制系统（AVC）的变电站终端，与电网AVC系统的调度端开环或闭环运行。(7)功率单元的性能测试SVG结构复杂，对控制系统要求较高，采用链式结构，其功率单元的性能决定了SVG的整体性能。我公司研发的背靠背链节单元试验平台，可模拟额定运行电流条件下工作状态，检测链节安装工艺、控制及通讯、耐压、抗干扰、散热、大电流稳定运行能力、链节保护、抗冲击等性能。(8)SVG原理性仿真仿真是对设计方案的验证及控制方法、试验现象深入研究的重要手段，结合试验数据分析，进一步提高了SVG试验分析能力。SVG系统组成SVG由启动柜、连接电抗器（变压器）、逆变柜、控制屏四部分构成。SVG成套系统结构图及主回路连接关系如下图所示。