5Mvar 高壓SVG 產品的研制

◎許偉

（作者單位：日新電機（無錫）有限公司）

引言隨著大功率非線性負荷的增加，電網的無功消耗不斷上升。而大容量無功補償手段的不足，使電網母線電壓隨運行方式變化很大，導致系統穩定性降低，線路損耗增加。尤其是風力發電等大型電動機對電網無功的消耗更為嚴重。大規模風電并網必然會對電網的電能質量和穩定運行產生很不利的影響，因此，對大容量動態無功補償裝置的需求更加緊迫，本文介紹了自行研制的容量為5M Var 的補償裝置，對于提高大功率設備的功率因數，改善電網電能質量有重要意義。

一、高壓SVG 總體設計方案

1.基本原理。

圖1 為裝置與系統連接的等效原理圖，US為系統電壓，UI為裝置輸出電壓，兩者同相位。L 為連接電抗器，R 為線路阻抗和裝置損耗的等效阻抗。規定電流方向朝裝置側為正方向。

理想情況下，可將裝置等效成可控電壓源，系統視為理想電壓源，兩者相位一致。當UI>US時，從系統流向裝置的電流超前系統電壓90o，裝置工作于容性區，輸出感性無功；反之當UI

圖1 SVG 系統原理圖

2.主電路設計。

主電路采用單相橋串聯的方案，即所謂的鏈式結構，如圖2。對每個單相橋采用不同的驅動脈沖，是每個橋輸出電壓所含諧波大小和方向不同，最終疊加起來所含諧波量很小。針對10kV系統，相電壓有效值約為5773V，我們選擇每相12 個模塊串聯，采用11+1 的控制方式，由11 個模塊做脈沖疊加，1 個模塊用脈寬調制的方法跟蹤輸出電流，使輸出電流按照預先設定的形狀變化，達到穩定電流的作用。

3 控制系統設計。

高壓SVG 的控制系統分為主控、三相分控和光線發送接收三部分。各個模塊與控制器之間完全通過光線通信，以起到電氣隔離的作用。主控制器核心部分采用tms320c6713 DSP 芯片，通過采集到的系統電壓電流值及相為關系計算系統的無功量，完成裝置動態無功功率跟蹤和控制，直流側電壓平衡和PWM 脈沖角度數據的計算，發送到各相分控。分控控制器接收到主控計算出的數據控制對應相各模塊中IGBT 的開關狀態，輸出幅值和相位可調的電壓。此外，系統的過壓、過流保護，裝置的啟動也是由主控制器來負責。

二、脈寬調制跟蹤輸出電流

為了使輸出電流更加穩定，每相12 個模塊中的一個用來做電流跟蹤。這里要預先設定好一個標準正弦信號，用實測的電流信號與其比較，控制實際電流按照設定值變化。

如上圖，規定從系統流向裝置的電流方向為正方向，如果實際測量電流值大于設定電流值，使1、3 導通，使反向電流增大，抵消實際輸出電流；若實際測量電流值小于設定電流值，使2、4 導通，增大實際輸出，最終使輸出電流圍繞設定好的波形做鋸齒形變化。用標準正弦信號與實際輸出電流Im 的乘積就是最終得到的電流輸出波形，對標準正弦信號進行翻轉，就可以控制輸出無功的性質。

下圖中黃色、綠色、粉色分別代表A、B、C 三相電壓，藍色是B相電流波形，可見，電流跟蹤效果很好，手動使裝置輸出感性，所以電流滯后電壓90 度。這種控制方法直接電流控制方法引入了輸出電流的反饋控制回路，使得STATCOM 的輸出電流能夠實時跟隨指令電流的變化。直接電流控制方法動態響應速度快，輸出電流諧波小，實際應用中效果較好。

三、直流電容電壓平衡控制

級聯STATCOM 直流側電容互相獨立，在理想情況下直流側不消耗有功功率，能很好地維持各直流電壓平衡。由于各個開關器件的開關特性、并聯損耗，每個直流電容的充、放電時間不同等差異，造成各個模塊直流電壓不平衡，從而導致輸出電壓的畸變，影響輸出電壓和電流的質量，使各個開關器件電壓應力不均，以致燒毀開關器件危害裝置的安全運行，因此在級聯STATCOM 中必須對直流側不平衡進行控制。諧波和串聯型損耗的差異不會造成電容電壓不平衡；電容器容量差異會影響動態過程中電容電壓的分配，但不會造成穩態時電容電壓不平衡；穩態時電容電壓不平衡是由于混合型損耗、并聯型損耗差異以及脈沖延時不同造成的。

目前，已有一些控制直流側電壓平衡的方法應用到級聯STATCOM 中，并取得了較好的效果，實際上直流側電壓平衡也一直是研究的熱點和重點。在最近的一些控制方法中，文獻[6]采用調節各個單元逆變器的輸出電壓的相位的方法來維持直流側電壓平衡，但是調節的相位范圍小，控制能力較弱；另外，角度的調節通常需要在控制中加入直流平衡PI 環，每個模塊的直流電容電壓需要一個控制環，PI 參數的調節非常復雜，隨著級聯個數的增加，算法的復雜程度急劇增加。文獻采用外部交換功率的方法來實現直流側電壓平衡，其缺點是在直流側有輔助的高頻耦合母排，帶有AC/DC 轉換電路，導致模塊結構復雜、布局困難以及成本的增加。循環交換觸發脈沖也能處理電容電壓不平衡，通過發脈沖的輪轉，使同一橋臂內各個模塊的導通時間基本相同，消除由調制方式造成的直流側電壓不平衡。理想情況下循環交換能夠平衡各個直流電壓，實際各個開關并不能等效為理想開關，因此并不能解決直流側電壓不平衡問題。

系統上電瞬間，系統通過IGBT 反向并聯的二極管，為直流側電容充電，自然充電理論上可充到系統相電壓最大值，約為670V。如圖，黃色、綠色、紅色分別代表系統線電壓（幅值較高）和系統相電壓（幅值較低）的ABC 三相。當A 相過零時，將A 相所有模塊短接，此時為B 相充電，理論上可充到系統線電壓最大值；同理，B 相過零時，將B 相所有模塊短接，為C 相充電，C 相過零時，將C 相所有模塊短接，為A 相充電。但根據實際運行需要，控制短路時間就可以控制充電的多少，這里將工作電壓設定為800V。

在理想情況下，直流側不消耗有功功率，能很好地維持各直流電壓平衡。但由于各個開關器件的開關特性、并聯損耗，每個直流電容的充、放電時間不同等差異，造成各個模塊直流電壓不平衡，從而導致輸出電壓的畸變，影響輸出電壓和電流的質量，造成電壓波動，會影響裝置的安全和穩定運行，必須加以控制。理想情況下，每個模塊的電容充放電是相等的，我們把輸出電壓波形等分成400 個點，每10 個點作為一個大點，每一個點作為一個小點，單個模塊中加一個循環比較，每個模塊跟設定電壓值進行比較，通過左右移點改變模塊的充放電，使每個模塊電壓穩定在設定值。

四、保護系統的設計

STATCOM 的保護系統既包含了傳統意義上保護的功能，也包含了在裝置瞬時性故障及電力系統故障或擾動發生時所采取的控制措施，稱為控制性保護[1]。只有通過兩者的有機結合，才能使STATCOM 在保證自身安全的前提下，充分發揮其在電力系統中應有的作用。分級動作的過電流、過電壓保護是整個裝置保護系統的核心，針對不同形式的過電流和過電壓，應該采用不同的保護方法。而分級保護體系設計的依據就是STATCOM 所處的工作狀態，即除了正常運行狀態之外的異常、緊急和故障3種狀態。

如果異常狀態下的控制性保護措施不能對裝置的電壓、電流進行有效限制，那么裝置便會進入緊急狀態。裝置進入緊急狀態的原因通常是系統發生了故障或大的擾動，或者是裝置自身出現了故障。如果裝置自身的故障是短時間的或瞬時的（主要包括同步信號的抖動、脈沖不對稱引起的偏磁飽和、突發干擾引起的誤觸發等），那么裝置可以停留在緊急狀態，當瞬時性故障消失后可以從緊急狀態回到異常狀態（如果系統仍處于故障期間）或正常狀態。此外，某些系統輔助設備如監測系統、水冷系統以及變壓器風機故障時，裝置也會處于緊急狀態，等待值班人員進行處理。進入緊急狀態后，裝置處于“封鎖脈沖運行方式”，即指關斷STATCOM 中所有的GTO 但卻不將STATCOM 與電力系統解列的運行方式。也就是說，該方式僅僅停止逆變器的逆變過程，而保留逆變器的整流過程。當封鎖GTO 但是STATCOM 不與系統解列時，系統電壓將通過由續流二極管構成的整流橋對直流側電容充電。

五、結論

文中介紹了±5Mvar STATCOM 在的應用背景，給出了大容量STATCOM 的總體方案設計方法及±5Mvar STATCOM 在系統中的接線，并給出了對裝置各部分的設計思路及功能，這些經驗為今后更大容量STATCOM 的設計提供了一定的參考。