呂衍國(guó) 郭培圇 潘勝玉 鄭建新 張慶舟

（1.高新技術(shù)創(chuàng)業(yè)中心，遼寧 鞍山 114051； 2.遼寧意思德電氣有限公司，遼寧 鞍山 114051；3.鞍鋼股份鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營(yíng)口 115007）

定制電力也被稱為定質(zhì)電力，它是針對(duì)信息電力時(shí)代產(chǎn)生的復(fù)雜的電能質(zhì)量需求問題，應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)和控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的控制和改善，為電力用戶提供電能質(zhì)量特定需求的電力供應(yīng)技術(shù)[1-2]。

實(shí)現(xiàn)定質(zhì)電力的前提是電力電子技術(shù)發(fā)展的水平，尤其是晶閘管器件的先進(jìn)性、穩(wěn)定性和可靠性，以及經(jīng)濟(jì)實(shí)用性水平?，F(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展對(duì)提高供電可靠性、改善電能質(zhì)量提出了越來越高的要求[3]。在現(xiàn)代企業(yè)中，由于變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)器、微電子技術(shù)控制的自動(dòng)化生產(chǎn)線、半導(dǎo)體芯片制造、計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)等等日益廣泛應(yīng)用，對(duì)電能質(zhì)量的控制也提出了越來越高的要求。這些設(shè)備對(duì)電源的波動(dòng)和各種干擾十分敏感，任何供電質(zhì)量問題的影響和惡化都有可能引起產(chǎn)品質(zhì)量的下降，儀器設(shè)備的損壞，甚至給企業(yè)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，根據(jù)現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的實(shí)際需求和企業(yè)的實(shí)際需要，便產(chǎn)生了以電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)為基礎(chǔ)的定制電力技術(shù)（Custom Power Technology）。

定制電力是現(xiàn)代電力電子技術(shù)及相關(guān)的檢測(cè)和控制技術(shù)在配電領(lǐng)域的應(yīng)用，其運(yùn)行的可靠性、不斷降低的成本和均衡其應(yīng)用帶來的效益是實(shí)現(xiàn)定制電力的基礎(chǔ)。為提高配電系統(tǒng)無功調(diào)節(jié)的質(zhì)量，目前已開發(fā)并應(yīng)用于配電系統(tǒng)且投入運(yùn)行的系統(tǒng)設(shè)備靜止無功發(fā)生器SVG，是定制電力的關(guān)鍵設(shè)備之一[4]。它主要由變壓器、連接電抗器和 IGBT變換電路、控制柜組成，主要功能是快速調(diào)節(jié)電壓，發(fā)生和吸收電網(wǎng)的無功功率，同時(shí)也可以抑制電網(wǎng)諧波、電壓閃變等等。SVG并聯(lián)于電網(wǎng)中，相當(dāng)于一個(gè)可變的無功電流源，其無功電流可以快速地跟蹤負(fù)荷無功電流的變化而變化，自動(dòng)快速補(bǔ)償系統(tǒng)所需無功功率，提高功率因數(shù)，大幅提高電力系統(tǒng)中有功輸送能力，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的電壓控制，提高電能質(zhì)量，節(jié)能效果顯著。

由于近年來，高壓大容量半導(dǎo)體功率器件的快速發(fā)展，微電子器件集成度的擴(kuò)大，微電腦和軟件的升級(jí)，隨之也開發(fā)出了現(xiàn)代的高壓大容量的新型無功補(bǔ)償置。鑒于目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于高壓大容量SVG功率柜結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀，筆者總結(jié)了SVG功率柜結(jié)構(gòu)缺陷，大膽地提出結(jié)構(gòu)單元設(shè)計(jì)改造，設(shè)計(jì)出高功率密度模塊式靜止無功發(fā)生器SVG，可廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電力、冶金、機(jī)械、礦山、港口、化工、電氣化鐵路、建筑等各個(gè)領(lǐng)域。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)原理

靜止無功發(fā)生器（SVG）是目前國(guó)際上最先進(jìn)的第三代無功補(bǔ)償產(chǎn)品，是基于電壓源型變流器無功補(bǔ)償裝置的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了無功補(bǔ)償創(chuàng)新改革質(zhì)的飛躍。SVG不再采用大容量的電容、電感器件，而是通過大功率電力電子器件的高頻開關(guān)實(shí)現(xiàn)無功能量的變換，與傳統(tǒng)高壓動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置（SVC）相比，SVG在響應(yīng)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、降低諧波和減小占地面積等諸多方面具有更加優(yōu)越的性能和優(yōu)勢(shì)，在世界范圍內(nèi)已成為 SVC的升級(jí)產(chǎn)品。

1）靜止無功補(bǔ)償器（SVG）基本原理及構(gòu)成

SVG利用全控大功率電力電子器件（如IGBT、IEGT）組成自換相橋式電路，經(jīng)過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側(cè)電流，就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

SVG系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 SVG系統(tǒng)原理圖

2）產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)

目前國(guó)內(nèi)外廠商生產(chǎn)的SVG功率柜，普遍存在著線路連接復(fù)雜，進(jìn)出線電纜并接根數(shù)多，內(nèi)部元器件更換、維護(hù)困難，功率柜體積較大，容量不易擴(kuò)展，生產(chǎn)成本高等諸多缺陷。本產(chǎn)品研究的重點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)在于開發(fā)一種結(jié)構(gòu)緊湊、功率柜體單元之間連接線方便、容量便于擴(kuò)展的基于高功率密度模塊化的靜止無功發(fā)生器功率柜，以解決國(guó)內(nèi)、外現(xiàn)有 SVG產(chǎn)品的上述問題。具體研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)如下。

（1）功率單元全模塊化標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

該技術(shù)效果不僅在于運(yùn)行方便，縮小整機(jī)體積，更重要的是取消了傳統(tǒng)連接線，大大減少了元器件之間的連接接觸點(diǎn)，降低了元器件的故障率，從而提高了整機(jī)系統(tǒng)的可靠性。

設(shè)計(jì)開發(fā)的功率單元包括IGBT模塊、驅(qū)動(dòng)板、電力電容器模塊、阻容吸收電路以及專用鋁型材散熱器等。電力電容器為功率單元直流側(cè)提供直流電壓，驅(qū)動(dòng)板接收主控單元發(fā)送來的IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)，加入死區(qū)時(shí)間后控制 IGBT的開通與關(guān)斷，從而產(chǎn)生預(yù)期的補(bǔ)償電流。

制板主要完成了功率單元直流電壓轉(zhuǎn)換、電壓、電流采樣、故障保護(hù)以及通信功能。功率單元原理如圖2所示，功率系統(tǒng)主接線如圖3所示。

功率單元模塊結(jié)構(gòu)按八個(gè) IGBT功率件，組成兩個(gè)H橋結(jié)構(gòu)封裝布置設(shè)計(jì)[5-7]，IGBT功率件連線采用復(fù)合母排連接，IGBT功率件散熱器采用同體積重量輕、熱阻小的優(yōu)化設(shè)計(jì)，模塊插拔采用上下雙軌滑道技術(shù)設(shè)計(jì)。

模塊化功率柜設(shè)計(jì)方案如圖4—9所示。

圖4中：框架結(jié)構(gòu)分三層，上層為A相功率單元，中、下層分別為B、C兩相功率單元。

圖2 雙H橋功率單元原理接線圖

圖3 功率系統(tǒng)主接線圖

圖4 模塊化功率柜內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)圖

圖5 模塊化功率柜抽屜式功率單元和電容單元結(jié)構(gòu)圖

圖6 柜體外部設(shè)計(jì)圖

圖7 抽屜式功率單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖8 抽屜式電容結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖9 抽屜式功率單元與電容單元插接的設(shè)計(jì)圖

1.2 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）先進(jìn)的模塊化抽屜式功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)

模塊化抽屜式雙H橋功率單元與電容抽屜式單元對(duì)插接結(jié)構(gòu)，將單元抽屜外框也做為導(dǎo)電體使用，使單元結(jié)構(gòu)更加緊湊合理無導(dǎo)線連接，實(shí)現(xiàn)柜體結(jié)構(gòu)全模塊化，可預(yù)先制作，適合標(biāo)準(zhǔn)化批量生產(chǎn)；對(duì)插接夾緊結(jié)構(gòu)彈簧片采用18對(duì)耐高溫合金斜插V形彈簧片，當(dāng)電應(yīng)力越大插接夾緊彈簧片把插接母排夾的越緊，即線接觸結(jié)構(gòu)的專利技術(shù)。

（2）高功率密度的模塊式SVG功率柜

高功率密度，是指整個(gè)功率單元柜全抽屜式結(jié)構(gòu)，對(duì)高壓大容量電力電子器件結(jié)構(gòu)的一次重大創(chuàng)新，高功率密度功率柜體積小是傳統(tǒng)同容量SVG體積占地面積的48%。

（3）整柜中連線均采用復(fù)合母排連接，復(fù)合母排薄膜采用美國(guó)勝達(dá)公司產(chǎn)品，薄膜柔軟厚度均勻，絕緣耐壓水平高，雜散電感低，可保證 IGBT絕對(duì)安全，整柜中無軟導(dǎo)線連接，復(fù)合母排走線標(biāo)準(zhǔn)平整占空間小，便于預(yù)生產(chǎn)、維護(hù)、容量。擴(kuò)展和新型號(hào)產(chǎn)品的研制。

（4）功率單元雙 H橋設(shè)計(jì)，可串可并的高壓低耗鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，功率單元最大電流可達(dá)700A。

（5）設(shè)計(jì)方案可實(shí)現(xiàn)功率等級(jí)和電壓等級(jí)全系列優(yōu)化組合。

（6）功率部分：SVG的核心主電路，用以實(shí)現(xiàn)功率變換。模塊化設(shè)計(jì)，功率單元的結(jié)構(gòu)和電氣性能完全一致，可以互換。

（7）其產(chǎn)品規(guī)格可實(shí)現(xiàn)直掛6.3kV、10.5kV、27.5kV、37.5kV供電母線，37.5kV電壓等級(jí)容量最大可達(dá)±20Mvar。冷卻方式采用智能風(fēng)冷控制。

1.3 實(shí)際應(yīng)用與效果

1）高功率密度功率模塊單元的應(yīng)用

國(guó)內(nèi)率先將高功率密度功率模塊單元技術(shù)成功應(yīng)用于SVG裝置，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)、外空白。采用高功率密度功率模塊單元技術(shù)后的 SVG裝置抗干擾性和運(yùn)行可靠性比前分體式提高70%以上。且占地面積小，結(jié)構(gòu)緊湊，電氣絕緣水平高。

2）SVG電壓目前國(guó)內(nèi)最高

本功率模塊單元實(shí)現(xiàn)了在 35kV供電母線上直掛式SVG裝置，這是目前國(guó)內(nèi)用于電壓等級(jí)最高的SVG裝置，為66kV變電站應(yīng)用SVG裝置是一項(xiàng)重大突破。

3）全數(shù)字N+1功率模塊單元熱備用

采用全數(shù)字N+1功率模塊單元熱備用增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，也為系統(tǒng)的整體正常運(yùn)行提供了可靠的保證，降低了事故率。

總之，35kV直掛式SVG裝置經(jīng)過技術(shù)方案論證、理論分析、系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)品研制和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和運(yùn)行，驗(yàn)證了采用全數(shù)字N+1高功率模塊單元技術(shù)的35kV直掛SVG裝置運(yùn)行穩(wěn)定可靠，響應(yīng)速度快，提高了鞍鋼鲅魚圈煉鋼變66kV母線供電質(zhì)量，并具有冗余熱備功能，大大降低了由于故障導(dǎo)致系統(tǒng)停運(yùn)的可能性，對(duì)增加鞍鋼鲅魚圈煉鋼變 66kV母線電壓起到支撐作用，推動(dòng)了SVG整套裝置模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4）效果

綜上所述，采用高功率密度功率模塊單元技術(shù)的35kV直掛SVG是最新型接網(wǎng)方式，具有響應(yīng)速度快、可實(shí)現(xiàn)連續(xù)無功功率控制、控制靈活（可進(jìn)行單相和三相控制）、裝置的損耗小、減少占地面積、光控直掛35kV母線SVG主要設(shè)備噪聲低等特點(diǎn)，而且直掛35kV母線回路簡(jiǎn)單，提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

（1）綜合運(yùn)用全數(shù)字N+1高功率模塊單元控制系統(tǒng)、自動(dòng)控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)設(shè)備功能和可靠性進(jìn)行全面的整體設(shè)計(jì)。

（2）自診斷和自恢復(fù)功能，整套設(shè)備控制器開機(jī)后自動(dòng)檢查硬件電路。并作定值校驗(yàn)軟件失控后，自行復(fù)位，重新起動(dòng)運(yùn)行。

（3）整套裝置均按模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，安裝、維護(hù)、系統(tǒng)擴(kuò)展極其方便。實(shí)現(xiàn)了變電站電壓無功自動(dòng)控制的功能，保證供電系統(tǒng)電壓和功率因數(shù)合格，實(shí)現(xiàn)無功就地平衡，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)變電站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控等功能。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)先進(jìn)，性能優(yōu)越，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 結(jié)論

高功率密度模塊式靜止無功發(fā)生器 SVG功率柜單元結(jié)構(gòu)開發(fā)，是國(guó)家“十二五”科技支撐遼寧省重大科技示范項(xiàng)目，功率柜單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是目前國(guó)內(nèi)同容量體積小、技術(shù)領(lǐng)先的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置。研制過程中，攻克了上百個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，工程用較短的時(shí)間順利完成。這一工程的成功，為我國(guó)高壓大容量無功補(bǔ)償裝置的發(fā)展開辟了新路，也為我國(guó)高壓大容量電力電子裝備的研發(fā)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)[8]。

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