SVG成套裝置的應用與研究

安 鴿

（西安隆基清潔能源有限公司，陜西西安710000）

0 引言

SVG作為新一代的無功補償裝置，在補償效果、功率密度和運行效率等技術指標上具有傳統無功補償設備無法比擬的優勢，是目前解決配電網尤其是快速變化的電網無功補償問題的重要手段。

1 SVG裝置的原理

SVG裝置將自換相橋式電路組成的電壓源型變流器通過變壓器或者電抗器并聯到電網中，然后通過調節逆變橋中IGBT器件的開關，控制直流電壓逆變到交流電壓的幅值和相位。因此，對于無功率損耗的SVG，僅改變其輸出電壓的幅值即可調節與系統的無功交換：當輸出電壓小于系統電壓時，SVG工作于“感性”區，吸收無功功率（相當于電抗器）；反之，SVG工作于“容性”區，發出無功功率（相當于電容器），通過控制連接電抗器兩端的端電壓即可控制SVG發出的無功功率性質以及容量。將自換相橋式電路通過電抗器并聯在電網上，適當調節橋式電路交流側輸出電壓的相位和幅值，或控制其交流側電流，就可以使該電路吸收或發出無功電流，實現動態無功補償，具體實現過程如式（1）所示。

2 SVG裝置數學建模及可靠性分析

經過對SVG裝置的原理分析，可對SVG裝置進行時域數學建模。將SVG裝置中各種損耗及電阻包括開關器件等用等效電阻R表示，連接變壓器閥側至同步信號采樣點的電感L。SVG裝置輸出電壓由多個單相橋輸出電壓疊加而成，諧波含量低，因此只考慮SVG輸出電壓的基波分量而忽略諧波分量?；谏鲜黾僭O及對單相橋輸出電壓的分析，將多個單相橋的輸出電壓ULR（t）按照一定規律串聯起來，取其基波分量，可以得到SVG裝置總的輸出電壓。

SVG裝置常系數微分方程的數學模型為：

SVG裝置注入系統的順時三相有功功率和無功功率為：

穩態電流和直流側電壓為：

穩態功率為：

可見，SVG裝置穩態時輸出無功功率與控制量δ成正比關系，δ=0時，q=0，且正負方向對稱；當δ＜0時，SVG裝置輸出無功功率為負，相當于電感；當δ＞0時，SVG裝置輸出無功功率為正，相當于電容。只要δ≠0，SVG裝置輸出有功功率為負，說明裝置本身消耗有功功率。同時，根據對換流鏈和主電路拓撲結構的可靠性分析與建模得出：SVG裝置系統平均使用壽命的計算公式如式（6）所示，將參數代入方程計算出SVG裝置平均使用壽命為10年。

3 工程項目的SVG裝置設計

本期光伏電站發電工程項目裝設2套容量為10.0 Mvar、35 kV的SVG裝置，并配備相應的自動控制監控和保護系統等，SVG裝置采用戶外集裝箱式安裝方式。

SVG成套裝置以母線側功率因數、母線電壓作為控制目標，用額定頻率50 Hz 工作，SVG 裝置額定補償容量：在-10～10 Mvar連續平滑調節，動態響應時間小于5 ms。注入系統公共連接點（PCC點）母線的諧波電壓總畸變率、奇次諧波電壓含有率、偶次諧波電壓含有率及各次諧波電流均滿足國標《電能質量公用電網諧波》（GB/T 14549－93）的要求。公共連接點母線引起的電壓不平衡度≤2%，滿足國家標準《電能質量 三相電壓不平衡》（GB/T 15543—2008）的要求。SVG裝置損耗小于0.8%；諧波特性小于3%IN；戶外箱體防護等級≥IP54。SVG成套裝置采用進口全控型器件IGBT，開關頻率不低于500 Hz。裝置主回路元件留有足夠的電壓、電流裕度，元件應有良好的dv/dt、di/dt特性。換流元件IGBT芯片選用原裝進口的英飛凌器件，考慮過電壓、過電流裕度及系統沖擊尖峰毛刺后，選取英飛凌全進口的全控型器件IGBT，模塊耐壓1 700 V，300 A，每個模塊與DC-Link電容器并聯。系統主電路采用鏈式結構，星型連接，每相由多個換流鏈模塊組成，并采用冗余設計，滿足運行要求。主控制器根據系統電壓/無功的變化情況，實現脈沖發生和分配功能，自動調節裝置無功輸出。成套裝置具有參數設置功能，設置的內容不受停電和干擾信號的影響。

該SVG裝置可實現以下功能：實時電壓、電流、功率因數等參數顯示；實時曲線和歷史曲線（電流、電壓、功率）顯示；歷史事件記錄（故障記錄、操作記錄、停機原因記錄）；運行數據記錄；故障錄波；無功階躍錄波；電壓階躍錄波；在線電能監測；鏈式裝置單元狀態監視；軟件版本查詢；HMI存儲空間查詢；顯示當前時間、保護動作時間，顯示保護類型、保護動作時間等信息。SVG裝置具有母線過壓、母線欠壓、過流、速斷、直流過壓、電力電子元件損壞檢測保護、丟脈沖、觸發異常、過壓擊穿、單元模塊功率柜超溫、保護輸入接口/保護輸出接口控制和系統電源異常等保護功能。控制器內部電路的保護功能較為完善，內部出現任何電路故障均不會有誤動作輸出。控制器還具有CT、PT斷線檢測及閉鎖調節功能。SVG開關跳閘時，控制器報警并閉鎖微機控制器的無功出口。SVG裝置一般配備12%或者15%電抗率的電抗器。集裝箱用于安裝鏈式SVG裝置的電器設備，按變電站現場位置及平面來設計門及接口。

4 結語

本文采用恒考核點功率因數模式和恒考核點電壓模式，進行80 MW光伏發電項目設計，通過對光伏電站中負荷情況的充分分析，對SVG裝置進行時域數學建模、計算、試驗調試等。SVG裝置動態提供電壓支撐，畸變率為1.3%，滿足公用電網諧波電壓（相電壓）要求。針對光伏電站特點，SVG裝置需具備容性、感性突變性能。SVG采用低損耗IGBT功率器件，輸出電壓范圍為1～35 kV，不用連接變壓器，裝置效率可達99%以上；裝置損耗≤0.8%。SVG裝置實現了對三相不平衡負荷的補償，消除了負序電流；采用重構電流法實現對SVG三相輸出分別進行控制，提高了不平衡狀態下的控制效果；當電網電壓降低10%以上時，電壓每跌1%，SVG多輸出2%額定電流，電網電壓2 s后恢復，切換到正常工作狀態。SVG裝置可滿足并機無功補償擴容的需求，采用背掛電容方式，支持多種通信接口，單元安裝靈活，占地面積少，對于19次及以下諧波可濾除掉95%及以上，對于19次以上諧波可以濾除掉85%。SVG特有的開機自檢功能大幅降低了調試難度，加快了整機調試進度?，F場運行結果顯示，SVG裝置達到預期目標，進線側功率因數達到0.98～0.99，PCC點諧波考核指標達到《電能質量公用電網諧波》的考核要求，同時克服了強烈負荷對電網的沖擊，能夠實現-10～10 MVar動態補償調節。光伏電站利用SVG的穩壓能力，降低了電壓波動，提高了光伏電站低電壓穿越能力，成功并網運行。