一種靜止無功發(fā)生器（SVG）的容量擴展方法和裝置

鄭建新 潘勝玉 郭培圇 張慶舟 李雄偉

（ 1.遼寧意思德電氣有限公司，遼寧 鞍山 114051；2.鞍鋼股份鮁魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口 115007）

柔性交流輸電技術(shù)（FACTS）又稱為基于電力電子技術(shù)的靈活柔性交流輸電系統(tǒng)，是由美國著名的電力專家N.G.Hingorani 于1986年首次提出的。根據(jù)ΙEEE 及國際大電網(wǎng)會議（CΙGRE）于1995年共同認定的定義是：“一類以電力電子技術(shù)為基礎(chǔ)并具有其他靜止控制器的交流輸電設(shè)備，它們能增強可控能力并增大輸電容量”。因此，柔性交流輸電技術(shù)作為FACTS 領(lǐng)域的靜止無功發(fā)生器（SVG），就是基于電力電子變換器技術(shù)并直接作用于輸電系統(tǒng)的一些快速控制設(shè)備的集合群。作為新一代FACTS 領(lǐng)域的靜止無功發(fā)生器（SVG）設(shè)備，已被現(xiàn)代電力系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量[1-3]，通過與電力系統(tǒng)進行無功功率交換，抑制系統(tǒng)電壓波動、閃變和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等等方面，其推應(yīng)用的速度更快。

柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）能夠增強電網(wǎng)的穩(wěn)定性，并能降低電力傳輸?shù)某杀尽Ｋ峭ㄟ^調(diào)整變流器交流側(cè)電壓的幅值和相位來改變輸出電流的，因其核心技術(shù)不受電抗器或電容器的阻抗特性限制，所以在其欠壓條件下的補償能力非常強，并且具有響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)平滑、控制靈活、運行范圍大等特點，被廣泛的應(yīng)用于現(xiàn)代電力、冶金、機械、礦山、港口、煤炭、化工、電氣化鐵路、建筑等各個領(lǐng)域。

靜止無功發(fā)生器（SVG）功率單元在其結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，近幾年已有較大的創(chuàng)新突出設(shè)計，如一體化和功率單元抽屜式全模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其靜止無功發(fā)生器（SVG）體積顯著減小，結(jié)構(gòu)更加緊湊，運行維護更為方便。那么如何適應(yīng)現(xiàn)代電網(wǎng)的擴容需求，是當前期待急需解決的新問題，其核心是如何簡便實現(xiàn)靜止無功發(fā)生器(SVG) 容量擴展。傳統(tǒng)方法是一種容量一個規(guī)格，需要一次新的系統(tǒng)設(shè)計。這樣會提高成本，延遲設(shè)計時間，如需新開模具，重新設(shè)計功率単元、控制系統(tǒng)等等。為更好的解決靜止無功發(fā)生器（SVG）容量擴展問題，本文介紹了一種可以快速實現(xiàn)靜止無功發(fā)生器（SVG）1+N的容量擴展裝置及方法。

1 容量擴展設(shè)計方案

1.1 主接線

一種可實現(xiàn)容量擴展并列運行的高壓靜止無功發(fā)生器（SVG），是采用全控型大功率電力電了器件ΙGBT 組成雙H 橋功率單元[4]，多個結(jié)構(gòu)相同的雙H橋功率單元組成變流鏈，每一個支路（或兩個、N個并聯(lián)支路）變流鏈為一相，每一相經(jīng)過連接電抗器直掛在電網(wǎng)上;通過調(diào)節(jié)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，使高壓靜止無功發(fā)生器SVG 裝置吸收或發(fā)出滿足要求的無功電流，實現(xiàn)容量擴展并列運行和動態(tài)無功補償?shù)哪康摹Ｈ鐖D1至圖3所示。

圖1 雙H 橋功率單元原理接線圖

本功率柜采用抽屜式功率單元，每個功率單元有4 只ΙGBT 功率組件，每個功率組件中，包含2只ΙGBT[5-6]，可組成雙H 橋功率單元。

圖2 SVG 1+1 雙功率單元柜并列運行原理接線圖

圖3 SVG 雙切換柜和雙功率單元柜原理接線圖

1.2 控制系統(tǒng)容量擴展方法

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本文介紹一種可以快速實現(xiàn)靜止無功發(fā)生器的容量擴展裝置及方法，可實現(xiàn)通過一套控制系統(tǒng)擴容為若干個功率柜目的，具體技術(shù)方案如下：

1）一種靜止無功發(fā)生器的容量擴展裝置，包括切換柜、控制柜，其中切換柜中設(shè)有1+N個接觸器，控制柜設(shè)有1+N套供功率單元使用的光纖分配驅(qū)動控制系統(tǒng)，切換柜通過母排與1+N個功率柜相連接，控制柜通過光纖與1+N個功率柜相連接（N≥1）。

2）光纖分配驅(qū)動控制系統(tǒng),包括DSP 系統(tǒng)控制器、信號調(diào)理、顯示屏、光纖驅(qū)動分配器、GPRS模塊、智能數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)；DSP 系統(tǒng)控制器分別與顯示屏、光纖驅(qū)動分配器、GPRS 模塊相連接；DSP系統(tǒng)控制器包括A/D 轉(zhuǎn)換、信息運算、PWM 脈沖產(chǎn)生，系統(tǒng)采樣主要采集電流、電壓信息，后由信號調(diào)理單元處理，處理后的信號依次通過A/D 轉(zhuǎn)換、信息運算到PWM 脈沖產(chǎn)生器[7]，信號由PWM 脈沖產(chǎn)生器發(fā)到光纖驅(qū)動分配器；光纖分配驅(qū)動控制系統(tǒng)配備有RS-485 接口、USB 接口、Profibus 現(xiàn)場總線及Mdbus 現(xiàn)場總線。

SVG 1+N控制系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。

圖4 SVG 1+N 控制系統(tǒng)原理框圖。

3）系統(tǒng)采樣主要包括電壓、電流采樣，其中電壓采樣取自電壓互感器（PT）二次，電網(wǎng)的電壓通過電壓互感器傳到調(diào)理電路，功率柜的電壓通過電壓互感器也傳到調(diào)理電路；電流采樣取自電流互感器（CT）二次，電網(wǎng)供電的電流通過電流互感器傳到調(diào)理電路，功率柜的電流通過本身電流互感器也傳到調(diào)理電路見圖5。

圖5 采樣與控制原理框圖。

4）信號調(diào)理單元主要包括隔離放大電路，其中隔離放大電路包括輸入端B1、B2 和B3，轉(zhuǎn)換電容C1 和C2，微電子數(shù)字單刀雙擲開關(guān)KC11、KC12、KC21 和KC22，選通信號GL，微電子數(shù)字開關(guān)的控制信號D0、可編程增益放大電路等；可編程增益放大電路包括精密集成運算放大器U2，可編程電阻網(wǎng)絡(luò)U3，增益測量電路U4，其中可編程電阻網(wǎng)絡(luò)U3 由數(shù)字電位器SD1，SD2 和SD3 所組成，增益測量電路U4 包括數(shù)字開關(guān)K1、K2,標準電壓Vb，數(shù)字開關(guān)的控制信號D1。

信號調(diào)理單元原理框圖如圖6所示。

圖6 信號調(diào)理單元原理框圖。

5）隔離放大電路信號由B1、B2 和B3 端輸入，與轉(zhuǎn)換電容C1 和C2 并聯(lián)，微電子數(shù)字單刀雙擲開關(guān)KC11、KC12、KC21 和KC22，在選通信號GL和微電子數(shù)字開關(guān)的控制信號D0 的控制下，先將微電子數(shù)字單刀雙擲開關(guān)KC11、KC12、KC21 和KC22，投入左邊接收輸入信號，并存在轉(zhuǎn)換電容C1 和C2 上，再將微電子數(shù)字單刀雙擲開關(guān)KC11、KC12、KC21 和KC22 投入右邊，將電容C1 和C2上輸入信號，再轉(zhuǎn)給放大電路放大，如圖7所示。

圖7 信號調(diào)理單元的隔離放大原理圖。

這樣實現(xiàn)了高可靠隔離和可變增益精確放大。

6）一種靜止無功發(fā)生器的容量擴展方法[8]

在DSP 系統(tǒng)控制器控制下驅(qū)動相應(yīng)的光纖驅(qū)動分配器，光纖驅(qū)動分配器發(fā)出光纖觸發(fā)信號，光纖觸發(fā)信號觸發(fā)功率柜的各功率單元，各功率單元按次序驅(qū)動A、B、C 三相功率單元；1+N個功率柜通過切換柜的1+N個接觸器與電網(wǎng)相連接，1 個DSP 系統(tǒng)控制器通過1+N個光纖驅(qū)動器分配到1+N個功率柜。

2 實施例

本實施例以兩個功率柜為例，如圖8至圖11所示，功率柜一2和功率柜二7為由模塊式功率單元組成的集成結(jié)構(gòu)，功率柜上設(shè)有風機一1、風機二8，功率柜一2、功率柜二7 的門上分別設(shè)有進風口一6、進風口二9。在功率柜一2 和功率柜二7 之間安裝切換柜5 和控制柜3，功率柜一2、功率柜二7 與切換柜5 通過銅排相連接，功率柜一2、功率柜二7 與控制柜3 通過光纖相連接；設(shè)置在切換柜5 的光纖分配驅(qū)動控制系統(tǒng)4 通過DPS 系統(tǒng)控制器控制光纖驅(qū)動分配器一、光纖驅(qū)動分配器二，每個光纖驅(qū)動分配器與相應(yīng)的功率柜的功率單元相連接，從而實現(xiàn)功率擴容。方案如下：

2.1 雙功率單元柜布置方案1

圖8 SVG 1+1 雙功率單元柜結(jié)構(gòu)外形圖1

圖9 SVG 1+1 雙功率單元柜結(jié)構(gòu)外形圖2

2.2 雙功率單元柜布置方案2

圖10 SVG 1+1 雙功率單元柜結(jié)構(gòu)外形圖3

圖11 SVG 1+1 雙功率單元柜結(jié)構(gòu)外形圖4

方案2 切換柜5 和控制柜3 在中間的方式與方案1 圖4、圖5所示的切換柜5 和控制柜3 在一側(cè)的方式相比節(jié)省了連線的用量，配置更加合理。

因此與國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)相比，它的顯著特點是：①通過一套控制系統(tǒng)的一個DSP 系統(tǒng)控制器光纖驅(qū)動若干個功率柜，對相同的功率單元通過增加光纖進行擴容。在功率單元柜的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)SVG 容量擴展；②不需要一次新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（箱體和散熱系統(tǒng)）設(shè)計，可節(jié)省設(shè)計工作量；③不需新開大量模具，節(jié)省工時和資金；④不需要重新試制和試驗；⑤容量擴展不需要增加生產(chǎn)用件和備件種類；⑥生產(chǎn)、運輸、安裝、調(diào)試、維修方便；⑦縮短了生產(chǎn)時間和供貨期，降低了成本，增加了市場竟爭力；⑧SVG 容量擴展后，現(xiàn)場安裝方便、靈活、占地小。

3 結(jié)論

一種靜止無功發(fā)生器（SVG）的容量擴展方法和裝置的創(chuàng)新開發(fā)，是國家“十二五”科技支撐遼寧省重大科技示范項目，多個功率柜單元并列結(jié)構(gòu)設(shè)計是目前國內(nèi)同容量體積小、技術(shù)領(lǐng)先的創(chuàng)新技術(shù)。設(shè)計過程中，攻克了十幾個關(guān)鍵技術(shù)，工程用較短的時間順利完成。這一工程的成功，為我國高壓大容量無功補償裝置的發(fā)展開辟了新路，也為我國高壓大容量電力電子裝備的研發(fā)提供了寶貴經(jīng)驗[8]。

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