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1.裝置技術(shù)說明
1.1 概述
SVG（Static Var Generator），即高壓靜止無功發(fā)生器，又稱作高壓靜止無功補(bǔ)償器 ASVC(Advanced Static Var Compensator)或靜止同步補(bǔ)償器 STATCOM（Static Synchronous Compensator）,是當(dāng)今無功補(bǔ)償領(lǐng)域新技術(shù)的代表，屬于靈活柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）的重要組成部分。它利用可關(guān)斷大功率電力電子器件（如 IGBT）組成自換相橋式電路，通過電抗器并聯(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>
在電力系統(tǒng)中，將 SVG 安裝在變電站或負(fù)荷附近，可以顯著地改善負(fù)荷與公共電網(wǎng)連接點(diǎn)處的電能質(zhì)量，例如提高功率因數(shù)、克服三相不平衡、消除電壓閃變和電壓波動(dòng)、抑制諧波污染等，保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定、高效地
運(yùn)行。
1.2 技術(shù)條件
1.2.1 環(huán)境要求
裝置正常工作的環(huán)境條件為：
a） 工作環(huán)境溫度：-10℃~+40℃，貯存環(huán)境溫度-25℃~+55℃，超過允許溫度值，應(yīng)加裝安全可靠的通風(fēng)散熱裝置；
b） 相對(duì)濕度：濕月的月平均最大濕度為 75%，同時(shí)該月的月平均最低溫度為 25℃且表面無凝露；
c） 大氣壓力：80kPa~110kPa(相對(duì)于海拔高度為 2km 及以下)；
d） 工作在無腐蝕性氣體、無易燃性氣體、無導(dǎo)電粉塵，無滴水、無鹽份、無油煙和無粉塵的環(huán)境中；
1.2.2 主要技術(shù)參數(shù)
a) 額定工作電壓：6kV，10kV；
b) 額定容量：1～10Mvar；
c) 輸出無功范圍：從感性額定無功到容性額定無功范圍內(nèi)連續(xù)變化；
d) 控制器響應(yīng)時(shí)間：＜1ms；
e) 輸出電流諧波畸變率：＜3%；
f) 整機(jī)效率：＞99%；
g) 人機(jī)界面： 中文顯示用戶操作界面；
1.2.3 基本原理
SVG 的主電路主要包括控制系統(tǒng)、IGBT 功率變換器和濾波電抗器三部分。SVG 首先通過軟起電阻進(jìn)行軟啟動(dòng)，當(dāng)電容電壓升至 80%額定值時(shí)，主接觸器閉合，再通過 PWM 調(diào)制使電容電壓升至額定值。SVG 正常工作時(shí)通過外部 CT、PT 實(shí)時(shí)采集電網(wǎng)電流和電壓信號(hào)送至信號(hào)調(diào)理電路，再通過 FPGA 控制器提取出所有的諧波或無功電流，經(jīng)過調(diào)制后輸出到驅(qū)動(dòng)電路觸發(fā)級(jí)聯(lián)多電平 IGBT變換器，通過對(duì)功率變換器的控制，可以調(diào)節(jié)功率變換器的輸出電壓，進(jìn)而調(diào)節(jié)電抗器上的電流，使 SVG 發(fā)出滿足需求的無功電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康?；同時(shí)可以使 SVG 產(chǎn)生與指令諧波電流大小相等、相位相反的電流注入電網(wǎng)，使電網(wǎng)電源側(cè)電流波形成正弦波，實(shí)現(xiàn)濾除諧波的功能。
1.2.4 裝置構(gòu)成
單臺(tái) SVG 結(jié)構(gòu)裝置如下圖（以 5M/10kV 為例）所示，裝置主要由啟動(dòng)柜、功率柜、控制柜三部分組成。
表 1-1 裝置的構(gòu)成
| 名稱 | 主要部件 | 作用 |
| 啟動(dòng)柜 | 連接電抗器、主接觸器、軟起電阻、避雷器等 | SVG 與 10kV 母線的連接 SVG 啟動(dòng)充電控制 |
| 功率柜 | 功率模塊 | SVG 的功率單元 |
| 控制柜 | 控制器、控制電源、互感器、二次控制電纜等 | SVG 裝置控制、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和異常 保護(hù) |
| 冷卻系統(tǒng) | 交流風(fēng)機(jī) | 啟動(dòng)柜和功率柜冷卻 |
| 輔助部分 | 連接光纖 | SVG 功率柜與控制柜信號(hào)連接 |
1.3 型號(hào)規(guī)格
SVG 系列產(chǎn)品的型號(hào)命名規(guī)則如下所示：
表 1-2 SVG 選型表
| 額定電壓 | 6KV(-15%~+15%) | 10KV(-15%~+15%) | ||
| 額定容量 | 1~3Mvar | 1~3Mvar | 4~5Mvar | |
| 安裝方式 | 直掛式 | |||
| 尺寸 mm (W*D*H) | 控制柜 | 400*1100*2100 | 800*1200*2200 | 800*1200*2200 |
| 功率柜 | 1000*1100*2485*2 | 1200*1200*2610*3 | 1200*1200*2650*3 | |
| 啟動(dòng)柜 | 1000*1100*2485 | 1800*1200*2610 | 1800*1200*2650 | |
| 總尺寸 | 3400*1100*2485 | 6200*1200*2610 | 6200*1200*2650 | |
| 安裝方式 | 機(jī)架 | |||
| 防護(hù)等級(jí) | IP30（其它防護(hù)等級(jí)可定制） | |||
1.4 產(chǎn)品配置
作為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，SVG 裝置提供了標(biāo)準(zhǔn)配置表中列出的各個(gè)組件?？蛇x配置中的組件則由用戶根
據(jù)自己需要選用，不在標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的提供范圍，需另外采購(gòu)。
1.4.1 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)配置
表 1-3 標(biāo)準(zhǔn)配置
| 名稱 | 配置數(shù)量 | 備注 |
| 啟動(dòng)柜 | 1 | |
| 功率柜 | 1~6 | 視功率范圍可分為多柜 |
| 控制柜 | 1 | |
| 技術(shù)文件 | 見裝箱清單 | 用戶手冊(cè)及必要的圖紙資料 |
| 冷卻系統(tǒng) | 1 | 風(fēng)冷 |
1.4.2 產(chǎn)品可選配置
表 1-4 可選配置
| 名稱 | 配置數(shù)量 | 備注 |
| 保護(hù)柜 | 1 | 作為變壓器或固定電容器補(bǔ)償?shù)谋Ｗo(hù) |
| 斷路器柜 | 1 | 無斷路器的用戶或新用戶選 |
| 功率單元 | 用戶自選 | 方便維護(hù) |
| 連接電纜 | 用戶自選 | 視柜外連接需要時(shí)選用 |
| 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng) | 1 | 需要遠(yuǎn)程操作控制時(shí)選用 |
| 其他 | 用戶其他特殊要求可進(jìn)行協(xié)商 |
2.裝置運(yùn)行特性與組成
2.1 裝置運(yùn)行特性
SVG 分為電壓型橋式電路和電流型橋式電路兩種類型。對(duì)電壓型橋式電路，還需再串聯(lián)上連接電抗器才能并入電網(wǎng)；對(duì)電流型橋式電路，需在交流側(cè)并聯(lián)上吸收換相產(chǎn)生的過壓的電抗器。
SVG 系列高壓靜止無功發(fā)生器工作時(shí)通過電力半導(dǎo)體開關(guān)的通斷將直流側(cè)電壓轉(zhuǎn)換成與交流側(cè)電網(wǎng)同頻率的輸出電壓，類似一個(gè)電壓型逆變器，只不過其交流側(cè)輸出接的不是無源負(fù)載，而是電網(wǎng)。因此，當(dāng)僅考慮基波頻率時(shí)，SVG 可以等效地被視為幅值和相位均可以控制的一個(gè)與電網(wǎng)同頻率的交流電壓源。它通過交流電抗器連接到電網(wǎng)上，無功的性質(zhì)和大小靠調(diào)節(jié)電流來實(shí)現(xiàn)。
SVG 的工作原理可以用下圖所示的單相等效電路圖與電流超前和滯后工作的相量圖來說明。
連接電抗器的損耗和變流器本身的損耗（如管壓降、線路電阻等），并將總的損耗集中作為連接電抗器的電阻考慮，則 SVG 的實(shí)際等效電路圖與其電流超前和滯后工作的相量圖如下圖所示。
SVG 詳細(xì)的工作模式及其補(bǔ)償特性如下表所示。
2.2 裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
鏈?zhǔn)礁邏红o止無功發(fā)生器采用 H 橋式功率單元串聯(lián)技術(shù)，通過三相星形接法或角形接法實(shí)現(xiàn)高壓輸出。其根據(jù)電網(wǎng)電壓等級(jí)，確定是否通過變壓器接入系統(tǒng)。鏈?zhǔn)?SVG 其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 2-3 所示。
采用 H 橋級(jí)聯(lián)多電平電路架構(gòu)，直接接入 6KV、10KV 電網(wǎng)。采用 N+1 冗余結(jié)構(gòu)，當(dāng)一個(gè) H 橋鏈節(jié)損壞后，通過旁路電路切除故障模塊并啟用第 N+1 備用功率模塊，裝置仍可繼續(xù)滿負(fù)荷運(yùn)行，因此裝置運(yùn)行可靠性極高。
該方案的優(yōu)點(diǎn)如下：
（1）在 10KV 及以下電網(wǎng)中，無需變壓器，直掛電網(wǎng)；
（2）模塊化設(shè)計(jì)，便于產(chǎn)業(yè)化，維護(hù)方便；
（3）體積小并且損耗??；
?。?）自身不產(chǎn)生諧波電流，無需配備濾波器。
（5）冗余一級(jí)，可靠性高。
功率單元采用 H 式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，技術(shù)可靠。SVG 系列鏈?zhǔn)礁邏红o止無功發(fā)生器的這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，極大的提高了高壓靜止無功發(fā)生器的可靠性、靈活性和可維護(hù)性。圖 2-4 為鏈?zhǔn)礁邏红o止無功發(fā)生器功率單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
2.3 裝置的組成
SVG 系列高壓靜止無功發(fā)生器主要由控制柜、功率柜和啟動(dòng)柜組成。
2.3.1 控制柜
SVG 的控制柜用來控制 SVG 實(shí)現(xiàn)預(yù)期控制目標(biāo)、監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、與上位機(jī)進(jìn)行通訊等，其穩(wěn)定的工作特性保證了整個(gè)系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行。
如圖 2-7 所示，控制柜由控制器、顯示操作面板、控制電源、繼電器、空氣開關(guān)等部件組成。
控制器分為主控制器與從控制器。
顯示操作面板上布置有主控制器觸摸屏、從控制器觸摸屏、空氣開關(guān)、急停按鈕、指示燈等部件。具體功能見第四章。
控制器電源提供 DC24V 和 DC5V 電源系統(tǒng)，為控制器和繼電器操作供電。
控制器開關(guān)功能如下表所示：
| 開關(guān) | 功能 |
| QF1 | 交流 380V 電源總開關(guān) |
| QF2 | 直流 220V 電源總開關(guān) |
| QF3 | 加熱器開關(guān)（功率柜及控制柜） |
| QF4 | 系統(tǒng)電壓采樣開關(guān) |
觸摸屏是 SVG 人機(jī)交互的接口，除了用來設(shè)置 SVG 系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)外，還用來監(jiān)控、顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。
為保證 SVG 的供電可靠性，在控制柜內(nèi)還配備了電源系統(tǒng)，利用兩個(gè)獨(dú)立電源同時(shí)給控制系統(tǒng)供電，實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)。
SVG 的控制器硬件由主控板、采樣板、通訊板和電源板組成。
控制柜采用柜式結(jié)構(gòu)，表面采用靜電噴塑工藝處理，柜體采用“三防”產(chǎn)品，抗電磁干擾能力強(qiáng)?？刂破骱诵脑骷捎妹绹?guó) Xilinx 公司軍工級(jí) FPGA 芯片，F(xiàn)PGA 時(shí)鐘頻率最高可到 200MHz，內(nèi)部有 84 個(gè)硬件 DSP 單元，DSP 并行運(yùn)行，運(yùn)算速率遠(yuǎn)高于單個(gè) DSP 控制方式，通訊延遲小，響應(yīng)速度更快。并且 FPGA 燒錄程序后，相當(dāng)于一個(gè)硬件電路，運(yùn)行可靠性極高。
? 主控板
主控板是控制器的核心組件，主要完成 SVG 控制系統(tǒng)的核心控制功能，以及與觸摸屏通信功能，進(jìn)行信息交互。通過觸摸屏可以進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、設(shè)備參數(shù)設(shè)置、監(jiān)控設(shè)備通訊狀態(tài)、開關(guān)量狀態(tài)及采樣值數(shù)值、設(shè)備運(yùn)行信息、完成設(shè)備開關(guān)機(jī)等。
? 采樣板
對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行處理，將接收到的外部模擬信號(hào)傳送至主控板進(jìn)行處理，并接受主控板指令直接輸出模擬信號(hào)；對(duì)開關(guān)量信號(hào)進(jìn)行處理，將接收到的外部數(shù)字輸入信號(hào)傳送至主控板進(jìn)行處理，并接受主控板指令輸出數(shù)字信號(hào)，通過外部繼電器控制外部設(shè)備。
? 通訊板
主要接收功率單元光信號(hào)，經(jīng)過處理后傳輸?shù)街骺匕?，將主控板指令處理后通過光纖傳送到功率單元，控制功率單元內(nèi)部 IGBT 導(dǎo)通與關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償?shù)墓δ堋?/p>
2.3.2 功率柜
功率柜主要由功率單元組成，是 SVG 系列高壓靜止無功發(fā)生器的主體。
功率板接收控制器發(fā)來的控制信號(hào)，經(jīng) IGBT 驅(qū)動(dòng)板解碼生成觸發(fā)脈沖控制 IGBT 的開通與關(guān)斷，產(chǎn)生預(yù)期的補(bǔ)償電流。功率板同時(shí)還有直流側(cè)電壓檢測(cè)、故障檢測(cè)以及通訊功能等。功率板檢測(cè)的直流電壓、模塊電流、IGBT 模塊溫度、模塊狀態(tài)，通過通訊功能上傳到控制器并通過觸摸屏顯示。功率單元的故障檢測(cè)包括 IGBT 過流、直流側(cè)電壓過壓、通訊故障和功率單元超溫，實(shí)現(xiàn)對(duì)功率單元主要直接的保護(hù)。檢測(cè)到功率單元故障時(shí)，會(huì)在第一時(shí)間實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的保護(hù)，并將故障信息反饋給控制器。功率單元是 SVG 的核心主電路，其采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)和電氣性能完全一致，用以實(shí)現(xiàn)功率變換。
? 功率板
功率板為我公司自主研發(fā)，其核心元器件同樣采用了美國(guó) Xilinx 公司軍工級(jí) FPGA 芯片。其主要功能是監(jiān)測(cè)功率單元直流側(cè)電壓，檢測(cè) IGBT 過壓、過流信號(hào)及散熱器溫度保護(hù)信號(hào)；輸出 IGBT驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)、IGBT 狀態(tài)信號(hào)及單元狀態(tài)信號(hào)；通過光纖連接完成與控制器間信號(hào)的收發(fā)。
2.3.3 啟動(dòng)柜
啟動(dòng)柜是 SVG 系列鏈?zhǔn)礁邏红o止無功發(fā)生器與電網(wǎng)連接點(diǎn)，用來給功率單元內(nèi)部的直流電容充電，同時(shí)向系統(tǒng)注入容性或感性無功電流。啟動(dòng)柜由電抗器、充電電阻、接觸器、避雷器、高壓帶電指示器等器件組成。
充電電阻的主要作用是限制充電電流，充電完成后，接觸器閉合，將充電電阻旁路。避雷器的主要作用是保護(hù)靜止無功發(fā)生器本體免受雷電引起的過電壓或電力系統(tǒng)操作過電壓的損壞。電抗器起濾波作用，防止 SVG 的高頻電流注入電網(wǎng)。
2.3.4 冷卻系統(tǒng)
裝置采用風(fēng)冷系統(tǒng)，由散熱風(fēng)機(jī)以及控制電路組成。
2.4 SVG 設(shè)備的功能特點(diǎn)
SVG 是當(dāng)今無功補(bǔ)償領(lǐng)域新技術(shù)的代表。SVG 并聯(lián)在電網(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隨負(fù)荷無功電流的變化而變化，自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)所需無功功率。SVG 的主要功能如下：
（1）提高線路輸電穩(wěn)定性
（2）維持受電端電壓，加強(qiáng)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性
（3）補(bǔ)償系統(tǒng)無功功率，提高功率因數(shù)
（4）諧波動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，改善電能質(zhì)量
（5）抑制電壓波動(dòng)和閃變
（6）抑制三相不平衡
SVG 是基于電壓源型變流器的補(bǔ)償裝置，實(shí)現(xiàn)了無功補(bǔ)償方式質(zhì)的飛躍。它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)無功功率的變換。SVG 較傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償裝置有如下特點(diǎn)：
? 控制系統(tǒng)采用基于 FPGA 的全數(shù)字控制系統(tǒng)，響應(yīng)控制速度快，最快可達(dá) 5ms
? SVG 的控制系統(tǒng)是在 SVC 的控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的，該控制系統(tǒng)已在上千套 SVG 設(shè)備中成熟應(yīng)用，保證了 SVG 運(yùn)行的穩(wěn)定性
? SVG 采用了 PWM 波技術(shù)，不僅自身不產(chǎn)生諧波，還能夠?qū)ω?fù)載的諧波和無功進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)有源濾波的功能，真正做到多功能化
? 采用國(guó)際的系統(tǒng)仿真軟件（RTDS，PSCAD，MATHCAD，matlab 等），結(jié)合公司已有數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)諧波潮流、諧波阻抗、系統(tǒng)設(shè)置、操作過電壓等進(jìn)行仿真計(jì)算，保證 SVG 在不同運(yùn)行工況條件下，所設(shè)計(jì)的濾波器不與系統(tǒng)產(chǎn)生并聯(lián)諧振和諧波放大
? 電壓閃變抑制能力更強(qiáng)，大于 80%
? 運(yùn)行范圍更寬，-100%至+100%
? 補(bǔ)償功能多樣化，無功補(bǔ)償、諧波補(bǔ)償、負(fù)序補(bǔ)償、綜合補(bǔ)償
? 諧波含量極低，幾乎無諧波，還能濾波
? 占地面積小，現(xiàn)場(chǎng)施工量小
