劉軼，謝四喜

（1.邯鄲市卓立精細(xì)板材有限公司，河北 邯鄲 056700；2.天津市先導(dǎo)倍爾電氣有限公司，天津 300300）

1 引言

某二期工程新建一個35kV變電站，向新設(shè)備供電。該變電站進(jìn)線電壓為35kV，向新區(qū)供電電壓采用10kV電壓。其主要負(fù)荷為可逆冷軋機組和電鍍錫生產(chǎn)線，還包含若干其他輔助設(shè)備。

各機組的負(fù)荷情況簡介如下。

1）可逆冷軋機組采用直流電機驅(qū)動，通過多臺10／0.63kV以及10／0.4kV 整流變壓器分別向各機組直流電機的整流單元供電，整流單元采用的是反并聯(lián)三相全控橋式整流電路。各冷軋機組的主要驅(qū)動電機從316kW到1250kW共有21臺，總裝機容量為11234kW。

2）電錫生產(chǎn)線的總裝機容量約15500kW，傳動部分除個別小容量設(shè)備采用了直流電機，大多為矢量控制的交流變頻驅(qū)動裝置。生產(chǎn)線的工藝段采用了容量很大的低壓大電流的整流設(shè)備，整流設(shè)備采用的是雙反星形的電路方式；涂鍍后段還有大容量的軟熔設(shè)備，該設(shè)備采用了V／v連接組別的變壓器，原邊為三相供電，副變輸出為單相。

可逆冷軋設(shè)備運行的特點導(dǎo)致了機組的功率因數(shù)和諧波含量在一個軋制周期中頻繁變化，而且波動范圍極大。卷取機的功率因數(shù)反映到變壓器的原邊基本在0.2左右甚至更低，主機功率因數(shù)最高時能夠達(dá)到0.8，一般也會在0.5左右，根據(jù)以往統(tǒng)計數(shù)據(jù)估算，月平均自然功率因數(shù)為0.59～0.73之間。諧波主要含有5，7，11，13次諧波，諧波含量大約在10%～20%之間。

電鍍錫生產(chǎn)線上雖然工藝整流設(shè)備用了多重化的技術(shù)能夠有效降低諧波，但是電阻軟溶設(shè)備的使用會導(dǎo)致2個方面的問題，1）三相不平衡；2）負(fù)荷不穩(wěn)定，諧波很大，而且無規(guī)律。

根據(jù)公司的發(fā)展規(guī)劃，先期上一臺容量為20 000kV·A，35kV／10kV動力變壓器供電，供電系統(tǒng)為2段10kV母線，中間通過母聯(lián)開關(guān)，實現(xiàn)在一臺20 000kV·A，35kV／10kV動力變壓器時實現(xiàn)10kV母線I，II段同時供電。

2 SVG的原理、特點及發(fā)展過程

由于SVG通過電力半導(dǎo)體開關(guān)的通斷將直流側(cè)電壓轉(zhuǎn)換成交流側(cè)與電網(wǎng)同頻率的輸出電壓，如圖1所示，SVG就像一個電壓型逆變器，其交流側(cè)輸出接的不是無源負(fù)載，而是電網(wǎng)。因此SVG可以等效地被視為幅值和相位均可以控制的一個與電網(wǎng)同頻率的交流電壓源。它通過交流電抗器接到電網(wǎng)上。連接電抗的電流是可以由其電壓來控制的。這個電流就是SVG從電網(wǎng)吸收的電流，因此改變SVG交流側(cè)輸出電壓的幅值及其相對于系統(tǒng)的相位，就可以改變連接電抗上的電壓，從而控制SVG從電網(wǎng)吸收電流的相位和幅值，也就控制了SVG吸收無功功率的性質(zhì)和大小。

圖1 SVG電氣原理簡圖Fig.1 SVG electrical principle diagram

靜止無功補償技術(shù)經(jīng)歷了3代：第1代為機械式投切的無源補償裝置，屬于慢速無功補償裝置，在電力系統(tǒng)中應(yīng)用較早，目前仍在應(yīng)用；第2代為晶閘管控制電抗器（thyristor controlled reactor，TCR）與和固定電容器（fixd capacitor，F(xiàn)C）共同構(gòu)成為代表的靜止型無功補償裝置（static var compensator，SVC），出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代，國外應(yīng)用普遍，我國目前主要用于配電系統(tǒng)中，輸電系統(tǒng)中應(yīng)用很少；第3代為基于電壓源換流器的靜止同步補償器（static synchronous compensator，STATCOM），亦稱SVG，屬快速的動態(tài)無功補償裝置，國外從20世紀(jì)80年代開始研究，90年代末得到較廣泛的應(yīng)用。

早期的無功補償裝置主要是無源裝置，方法是在系統(tǒng)母線上并聯(lián)或者在線路中串聯(lián)一定容量的電容器或者電抗器。這些補償措施改變了網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，特別是改變了諧波阻抗、電氣距離和系統(tǒng)母線上的輸入阻抗。無源裝置使用機械開關(guān)，它不具備快速性、反復(fù)性、連續(xù)性的特點，因而不能實現(xiàn)短時糾正電壓升高或降落的功能。

20世紀(jì)70年代以來，以晶閘管控制的電抗器（TCR）、晶閘管投切的電容器（TSC）以及二者的混合裝置（TCR＋TSC）等主要形式組成的靜止無功補償器（SVC）得到快速發(fā)展。SVC可以看成是電納值能調(diào)節(jié)的無功元件，它依靠電力電子器件開關(guān)來實現(xiàn)無功調(diào)節(jié)。SVC作為系統(tǒng)補償時可以連續(xù)調(diào)節(jié)并與系統(tǒng)進(jìn)行無功功率交換，同時還具有較快的響應(yīng)速度，它能夠維持端電壓恒定。

SVC雖然能對系統(tǒng)無功進(jìn)行有效的補償，但是由于換流元件關(guān)斷不可控，因而容易產(chǎn)生較大的諧波電流，而且其對電網(wǎng)電壓波動的調(diào)節(jié)能力不夠理想。隨著大功率全控型電力電子器件GTO，IGBT及IGCT的出現(xiàn)，特別是相控技術(shù)、脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）、4象限變流技術(shù)的提出使得電力電子逆變技術(shù)得到快速發(fā)展，以此為基礎(chǔ)的無功補償技術(shù)也得以迅速發(fā)展。電壓型的STATCOM（SVG）直流側(cè)采用直流電容為儲能元件，通過逆變器中電力半導(dǎo)體開關(guān)的通斷將直流側(cè)電壓轉(zhuǎn)換成交流側(cè)與電網(wǎng)同頻率的輸出電壓。當(dāng)只考慮基波頻率時，STATCOM 可以看成一個與電網(wǎng)同頻率的交流電壓源通過電抗器聯(lián)到電網(wǎng)上。由于STATCOM 直流側(cè)電容僅起電壓支撐作用，所以相對于SVC中的電容容量要小得多。此外，SVG和SVC相比，SVG的調(diào)節(jié)速度更快，運行范圍更寬，而且在采用多重化、多電平或PWM技術(shù)等措施后大大減少補償電流中的諧波含量，更重要的是，SVG使用的電抗器和電容器元件比SVC中使用的電抗器和電容器要小，這將大大縮小裝置的體積和成本，SVG具有如此優(yōu)越的性能，顯示了動態(tài)無功補償裝置的發(fā)展方向。

3 SVG的特點及組成

3.1 SVG的命名及產(chǎn)品選型

SVGR有源動態(tài)無功和諧波補償裝置是由鏈?zhǔn)届o止同步補償（STATCOM／DSTATCOM，又稱為SVG）和固定電容器（FC）共同構(gòu)成的，按各自容量的不同可組合成各種補償范圍的有源動態(tài)無功和諧波補償裝置。

以產(chǎn)品型號 SVG－L10／03－03／H 示例：L 用于負(fù)荷（配電）側(cè)補償。如果是S則表示用于系統(tǒng)（供電）側(cè)補償。其他代表額定電壓為10kV、補償容性容量3Mvar、補償感性容量3Mvar、具有濾波功能。

根據(jù)新建35kV變電所發(fā)展要求，結(jié)合SVGL10系列動態(tài)有源動態(tài)無功和諧波補償裝置的特點，考慮現(xiàn)場安裝場地及今后擴容發(fā)展等因素，在10kV母線上通過高壓開關(guān)柜接入固定補償容量6 000kvar的FC，串聯(lián)電抗器做成LC 5次濾波支路；提供一套動態(tài)補償通過高壓開關(guān)柜接入10 kV的SVG裝置，SVG的容量為±6Mvar（可以發(fā)6Mvar的感性無功和6Mvar的容性無功），并可以濾除13次以內(nèi)的諧波，設(shè)備型號為SVG－L10／12－0／H，組成無功功率補償范圍0～12Mvar的有源動態(tài)無功和諧波補償裝置。圖2為主回路電氣原理圖。

圖2 主回路電氣原理圖Fig.2 Schematic diagram of main circuit

3.2 SVG部分的設(shè)備組成

SVG由控制柜、功率柜、啟動柜及聯(lián)接電抗器4部分組成。如圖3所示。

圖3 SVG部分電氣原理圖Fig.3 SVG parts electrical principle diagram

控制柜內(nèi)安裝有SVG控制系統(tǒng)，包括：控制器、脈沖發(fā)生器和脈沖分配器。

主控制器安裝于控制柜中，由主控機箱、PLC（可編程邏輯控制器）和觸摸屏等幾個主要部分組成，如圖4所示。各部分功能如下。

1）觸摸屏：人機界面。

2）PLC：控制觸摸屏的顯示與操作，并完成濾波電容器組的投切控制。其中一個RS485串口與主控機箱連接，另一個RS485口與觸摸屏連接。

3）主控機箱：由各功能板卡組成，完成核心的控制功能，采用6U21槽機箱。

圖4 控制器的基本構(gòu)成圖Fig.4 The basic structure of controller

3.2.2 功率柜——換流鏈

SVG功率模塊如圖5所示。每相采用12個功率模塊串聯(lián)（星接），串聯(lián)在一起的功率模塊組成換流鏈，三相共36個功率模塊，其中每相有1個是冗余模塊。換流鏈通過連接電抗器接入電網(wǎng)。SVG采用自勵啟動及鏈節(jié)自取電技術(shù)，每個鏈節(jié)從自身和相鄰鏈節(jié)取得控制電源，使得可以實現(xiàn)N＋1冗余運行。

1）模塊控制采用大規(guī)模FPGA芯片載波移相多電平空間矢量PWM控制策略，電路簡單，抗干擾能力強，可靠性高。

2）采用自勵啟動技術(shù)，使得裝置投入時沖擊電流小。

3）模塊面板共4個電氣端子，4個光纖端子，接線簡單，還設(shè)有若干狀態(tài)及故障指示燈，方便維護及檢修。

4）由IGBT組成的H橋電路輸出的交流逆變電壓相位和幅值可靈活控制，從而實現(xiàn)動態(tài)提供容性或者感性無功的功能。

功率模塊如圖6所示。

圖6 功率模塊的聯(lián)接示意圖Fig.6 Schematic diagram of power module

通過數(shù)字信號處理器（DSP）根據(jù)主控制器的調(diào)制比M和相角差δ生成參考電壓矢量，按照參考電壓分解的調(diào)制方法計算各開關(guān)狀態(tài)和作用時間，并通過數(shù)據(jù)總線發(fā)送給FPGA，從而決定各橋臂開關(guān)的脈沖，脈沖經(jīng)分配處理后驅(qū)動IGBT。如果采用基于載波移相的SVM，N個逆變橋載波相互錯開2π／N角度，總的輸出電壓可以有效地消除低次諧波。其輸出波形如圖7所示。

圖7 單個功率模塊的輸出波形Fig.7 The single power module output waveforms

經(jīng)疊加后形成的波形如8所示。

圖8 經(jīng)疊加后形成的波形圖Fig.8 Superposed waveform graph

3.2.3 連接電抗器

SVG的連接電抗器（將裝置接入系統(tǒng)的連接橋梁）由3臺單相空心電抗器組成，戶內(nèi)安裝，電抗器的額定容量為SVG裝置額定容量的12%。

3.2.4 啟動柜

SVG啟動部分結(jié)構(gòu)簡單，由電動隔離開關(guān)和電阻并聯(lián)構(gòu)成。啟動柜僅在SVG投運前投入工作，SVG投運后啟動柜內(nèi)隔離開關(guān)閉合，啟動柜被旁路。啟動柜主要作用是限制SVG送電時每個鏈節(jié)上直流電容的充電電流，避免電流過大導(dǎo)致IGBT模塊或直流電容損壞。

3.3 產(chǎn)品特點

3.3.1 動態(tài)補償裝置采用了鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)

將多個兩電平H橋電路串聯(lián)起來，達(dá)到電壓疊加的目的。與傳統(tǒng)的多重化變流器技術(shù)方案相比，鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的SVG省略了多重化連接變壓器，不但減小了占地面積，降低了裝置成本，而且避免了多重化逆變變壓器激磁回路中剩磁和飽和非線性導(dǎo)致的裝置過電壓和過電流。在接入系統(tǒng)受到擾動時，鏈?zhǔn)诫娐房梢苑窒噙M(jìn)行控制以便更好地提供電壓支撐作用。不僅如此，采用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的SVG還可以降低功率器件的開關(guān)頻率，降低開關(guān)損耗。

鏈?zhǔn)降闹C波特性優(yōu)于其它結(jié)構(gòu)。采用SP－WM（正弦脈寬調(diào)制）或SHEPWM（特定消諧），通過高的開關(guān)頻率或優(yōu)化的IGBT開關(guān)角極大降低了諧波含量，有效利用直流側(cè)電壓、減小對電網(wǎng)的污染和裝置自身損耗，并能做到短時有功及諧波補償，諧波完全符合國標(biāo)。

3.3.2 SVG的鏈?zhǔn)侥K串聯(lián)的均壓特點

鏈節(jié)模塊的串聯(lián)是多個逆變電源的串聯(lián)，而不是IGBT的直接串聯(lián)，所以并不需要模塊的一致性，而且每個模塊的脈沖錯開一定的角度，即IGBT并非同時導(dǎo)通，所以產(chǎn)生過電壓的機會并不多。采用脈沖循環(huán)控制機制，直流側(cè)電壓波動在5%范圍之內(nèi)。

3.3.3 具備諧波補償功能

當(dāng)需要補償負(fù)載所產(chǎn)生的諧波電流時，SVG檢測出補償對象負(fù)載電流的諧波分量，將其反極性后作為補償電流的指令信號，由補償電流發(fā)生電路產(chǎn)生的補償電流與負(fù)載電流中的諧波分量大小相等、方向相反，因而兩者互相抵消，使得電源電流只含基波，不含諧波。諧波補償電氣原理簡圖見圖9。

3.3.4 SVG產(chǎn)品技術(shù)特點

圖9 諧波補償電氣原理簡圖Fig.9 Harmonic compensation electrical principle diagram

1）控制系統(tǒng)采用全數(shù)字化設(shè)計，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(jié)果精度高，響應(yīng)速度快。

2）控制系統(tǒng)和逆變器之間采用的光纖傳輸信號，徹底解決高低壓隔離問題，避免電磁信號的干擾，SVG工作更加穩(wěn)定可靠。

3）監(jiān)控系統(tǒng)具有友好的人機界面，便于控制和查詢故障類型和故障位置。監(jiān)控及保護系統(tǒng)通過通訊管理單元與上級自動化系統(tǒng)實現(xiàn)通訊，通訊管理單元主要完成規(guī)約轉(zhuǎn)換的功能，這樣可以實現(xiàn)遠(yuǎn)方監(jiān)視和控制，實現(xiàn)無人值守。

4）動態(tài)補償?？赏瑫r對無功功率和諧波進(jìn)行補償，且補償無功功率可做到連續(xù)平滑雙向調(diào)節(jié)。

5）節(jié)能降耗。通過無功及諧波補償，不僅減少無功損耗，避免諧波在變壓器內(nèi)造成更大損耗，還可以提高電氣設(shè)備利用率，提高單位時間內(nèi)注入設(shè)備的有功功率，工作效率大大提高，節(jié)能降耗的效果顯著。

6）安全穩(wěn)定性好。傳統(tǒng)的補償系統(tǒng)均屬于阻抗型補償裝置，對系統(tǒng)參數(shù)很敏感，當(dāng)參數(shù)配置不合理、或者一段時間后，系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化，很容易引起系統(tǒng)諧振或諧波電流放大，這也是一些傳統(tǒng)補償設(shè)備經(jīng)常運行不正常的重要原因之一。諧振或諧波電流放大不僅危害補償系統(tǒng)自身的設(shè)備安全，對系統(tǒng)其他設(shè)備的安全也是隱患。

SVG是電流可控型，對系統(tǒng)參數(shù)不敏感，不會與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振，發(fā)生諧波放大的情況；即使補償對象電流過大，SVG也不會發(fā)生過載，并能正常發(fā)揮補償作用，動態(tài)連續(xù)平滑的發(fā)（吸）無功，補償電流完全可控，不存在過功率因數(shù)過補償現(xiàn)象，不會出現(xiàn)無功反送的情況。能夠跟蹤電網(wǎng)頻率的變化，故補償性能不受電網(wǎng)頻率變化的影響。

7）響應(yīng)時間短。SVG的響應(yīng)時間不大于10 ms，對于快速暫態(tài)過程，有著重要的響應(yīng)速度優(yōu)勢。對于閃變補償而言，在無功容量足夠的情況下，補償裝置輸出無功的響應(yīng)時間是閃變補償效果的主要決定因素。在相同的補償容量下，響應(yīng)時間越小的補償裝置對電壓閃變的補償效果越好；在同等閃變抑制要求下，響應(yīng)時間越小的補償裝置所需要的補償容量也越小。

8）占地面積小。SVG以半導(dǎo)體功率器件構(gòu)成的逆變器為核心，使用直流電容器儲能，無體積龐大的濾波支路和電抗器，特別適合于對占地面積要求較高的場合。

4 結(jié)論

通過使用XDSVG－L10系列動態(tài)有源動態(tài)無功和諧波補償裝置，10kV母線功率因數(shù)大于0.95，且無過補現(xiàn)象，電網(wǎng)電壓波動小于2%，諧波含量優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備運行穩(wěn)定可靠，占地面積小，今后擴容更加方便，投資更加節(jié)省。為使用單位創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益。

［1］王兆安，楊君，劉進(jìn)軍.諧波抑制和無功功率補償［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

［2］劉文華，宋強，滕樂天，等。基于鏈?zhǔn)侥孀兤鞯?0MV·A STATCOM的直流電壓平衡控制［J］.中國電機工程學(xué)報，2004，24（4）：145－150.