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1.裝置技術說明
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償器 ASVC(Advanced Static Var Compensator)或靜止同步補償器 STATCOM（Static Synchronous Compensator）,是當今無功補償領域新技術的代表，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?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側電流，就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實現(xiàn)動態(tài)無功補償?shù)哪康摹?/p>
在電力系統(tǒng)中，將 SVG 安裝在變電站或負荷附近，可以顯著地改善負荷與公共電網(wǎng)連接點處的電能質(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、抑制諧波污染等，保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定、高效地
運行。
1.2 技術條件
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，應加裝安全可靠的通風散熱裝置；
b） 相對濕度：濕月的月平均最大濕度為 75%，同時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) 控制器響應時間：＜1ms；
e) 輸出電流諧波畸變率：＜3%；
f) 整機效率：＞99%；
g) 人機界面： 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行軟啟動，當電容電壓升至 80%額定值時，主接觸器閉合，再通過 PWM 調(diào)制使電容電壓升至額定值。SVG 正常工作時通過外部 CT、PT 實時采集電網(wǎng)電流和電壓信號送至信號調(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)動電路觸發(fā)級聯(lián)多電平 IGBT變換器，通過對功率變換器的控制，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，實現(xiàn)動態(tài)無功補償?shù)哪康?；同時可以使 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)電源側電流波形成正弦波，實現(xiàn)濾除諧波的功能。
1.2.4 裝置構成
單臺 SVG 結構裝置如下圖（以 5M/10kV 為例）所示，裝置主要由啟動柜、功率柜、控制柜三部分組成。
表 1-1 裝置的構成
| 名稱 | 主要部件 | 作用 |
| 啟動柜 | 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、運行狀態(tài)監(jiān)測和異常 保護 |
| 冷卻系統(tǒng) | 交流風機 | 啟動柜和功率柜冷卻 |
| 輔助部分 | 連接光纖 | SVG 功率柜與控制柜信號連接 |
1.3 型號規(guī)格
SVG 系列產(chǎn)品的型號命名規(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 | 機架 | |||
| 防護等級 | IP30（其它防護等級可定制） | |||
1.4 產(chǎn)品配置
作為標準產(chǎn)品，SVG 裝置提供了標準配置表中列出的各個組件?？蛇x配置中的組件則由用戶根
據(jù)自己需要選用，不在標準產(chǎn)品的提供范圍，需另外采購。
1.4.1 產(chǎn)品標準配置
表 1-3 標準配置
| 名稱 | 配置數(shù)量 | 備注 |
| 啟動柜 | 1 | |
| 功率柜 | 1~6 | 視功率范圍可分為多柜 |
| 控制柜 | 1 | |
| 技術文件 | 見裝箱清單 | 用戶手冊及必要的圖紙資料 |
| 冷卻系統(tǒng) | 1 | 風冷 |
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 |
| 保護柜 | 1 | 作為變壓器或固定電容器補償?shù)谋Ｗo |
| 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 |
| 連接電纜 | 用戶自選 | 視柜外連接需要時選用 |
| 遠程監(jiān)控系統(tǒng) | 1 | 需要遠程操作控制時選用 |
| 其他 | 用戶其他特殊要求可進行協(xié)商 |
2.裝置運行特性與組成
2.1 裝置運行特性
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)；對電流型橋式電路，需在交流側并聯(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)生器工作時通過電力半導體開關的通斷將直流側電壓轉(zhuǎn)換成與交流側電網(wǎng)同頻率的輸出電壓，類似一個電壓型逆變器，只不過其交流側輸出接的不是無源負載，而是電網(wǎng)。因此，當僅考慮基波頻率時，SVG 可以等效地被視為幅值和相位均可以控制的一個與電網(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 詳細的工作模式及其補償特性如下表所示。
2.2 裝置拓撲結構
鏈式高壓靜止無功發(fā)生器采用 H 橋式功率單元串聯(lián)技術，通過三相星形接法或角形接法實現(xiàn)高壓輸出。其根據(jù)電網(wǎng)電壓等級，確定是否通過變壓器接入系統(tǒng)。鏈式 SVG 其系統(tǒng)結構如圖 2-3 所示。
采用 H 橋級聯(lián)多電平電路架構，直接接入 6KV、10KV 電網(wǎng)。采用 N+1 冗余結構，當一個 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)滿負荷運行，因此裝置運行可靠性極高。
該方案的優(yōu)點如下：
?。?）在 10KV 及以下電網(wǎng)中，無需變壓器，直掛電網(wǎng)；
?。?）模塊化設計，便于產(chǎn)業(yè)化，維護方便；
?。?）體積小并且損耗??；
（4）自身不產(chǎn)生諧波電流，無需配備濾波器。
?。?）冗余一級，可靠性高。
功率單元采用 H 式拓撲結構，技術可靠。SVG 系列鏈式高壓靜止無功發(fā)生器的這種拓撲結構，極大的提高了高壓靜止無功發(fā)生器的可靠性、靈活性和可維護性。圖 2-4 為鏈式高壓靜止無功發(fā)生器功率單元的拓撲結構圖。
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、功率柜和啟動柜組成。
2.3.1 控制柜
SVG 的控制柜用來控制 SVG 實現(xiàn)預期控制目標、監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)、與上位機進行通訊等，其穩(wěn)定的工作特性保證了整個系統(tǒng)的安全、可靠運行。
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、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。
控制器開關功能如下表所示：
| 開關 | 功能 |
| QF1 | 交流 380V 電源總開關 |
| QF2 | 直流 220V 電源總開關 |
| QF3 | 加熱器開關（功率柜及控制柜） |
| QF4 | 系統(tǒng)電壓采樣開關 |
觸摸屏是 SVG 人機交互的接口，除了用來設置 SVG 系統(tǒng)運行參數(shù)外，還用來監(jiān)控、顯示系統(tǒng)運行狀態(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)，利用兩個獨立電源同時給控制系統(tǒng)供電，實現(xiàn)供電系統(tǒng)的冗余設計。
SVG 的控制器硬件由主控板、采樣板、通訊板和電源板組成。
控制柜采用柜式結構，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?？刂破骱诵脑骷捎妹绹?Xilinx 公司軍工級 FPGA 芯片，F(xiàn)PGA 時鐘頻率最高可到 200MHz，內(nèi)部有 84 個硬件 DSP 單元，DSP 并行運行，運算速率遠高于單個 DSP 控制方式，通訊延遲小，響應速度更快。并且 FPGA 燒錄程序后，相當于一個硬件電路，運行可靠性極高。
? 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，進行信息交互。通過觸摸屏可以進行系統(tǒng)參數(shù)設置、設備參數(shù)設置、監(jiān)控設備通訊狀態(tài)、開關量狀態(tài)及采樣值數(shù)值、設備運行信息、完成設備開關機等。
? 采樣板
對模擬信號進行處理，將接收到的外部模擬信號傳送至主控板進行處理，并接受主控板指令直接輸出模擬信號；對開關量信號進行處理，將接收到的外部數(shù)字輸入信號傳送至主控板進行處理，并接受主控板指令輸出數(shù)字信號，通過外部繼電器控制外部設備。
? 通訊板
主要接收功率單元光信號，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 導通與關斷，實現(xiàn)無功補償?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，經(jīng) IGBT 驅(qū)動板解碼生成觸發(fā)脈沖控制 IGBT 的開通與關斷，產(chǎn)生預期的補償電流。功率板同時還有直流側電壓檢測、故障檢測以及通訊功能等。功率板檢測的直流電壓、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包括 IGBT 過流、直流側電壓過壓、通訊故障和功率單元超溫，實現(xiàn)對功率單元主要直接的保護。檢測到功率單元故障時，會在第一時間實現(xiàn)對設備的保護，并將故障信息反饋給控制器。功率單元是 SVG 的核心主電路，其采用模塊化設計，結構和電氣性能完全一致，用以實現(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 Xilinx 公司軍工級 FPGA 芯片。其主要功能是監(jiān)測功率單元直流側電壓，檢測 IGBT 過壓、過流信號及散熱器溫度保護信號；輸出 IGBT驅(qū)動脈沖信號、IGBT 狀態(tài)信號及單元狀態(tài)信號；通過光纖連接完成與控制器間信號的收發(fā)。
2.3.3 啟動柜
啟動柜是 SVG 系列鏈式高壓靜止無功發(fā)生器與電網(wǎng)連接點，用來給功率單元內(nèi)部的直流電容充電，同時向系統(tǒng)注入容性或感性無功電流。啟動柜由電抗器、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)
裝置采用風冷系統(tǒng)，由散熱風機以及控制電路組成。
2.4 SVG 設備的功能特點
SVG 是當今無功補償領域新技術的代表。SVG 并聯(lián)在電網(wǎng)中，相當于一個可變的無功電流源，其無功電流可以快速地跟隨負荷無功電流的變化而變化，自動補償系統(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，加強系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性
（3）補償系統(tǒng)無功功率，提高功率因數(shù)
（4）諧波動態(tài)補償，改善電能質(zhì)量
（5）抑制電壓波動和閃變
（6）抑制三相不平衡
SVG 是基于電壓源型變流器的補償裝置，實現(xiàn)了無功補償方式質(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實現(xiàn)無功功率的變換。SVG 較傳統(tǒng)的無功補償裝置有如下特點：
? 控制系統(tǒng)采用基于 FPGA 的全數(shù)字控制系統(tǒng)，響應控制速度快，最快可達 5ms
? SVG 的控制系統(tǒng)是在 SVC 的控制系統(tǒng)的基礎上進行改進的，該控制系統(tǒng)已在上千套 SVG 設備中成熟應用，保證了 SVG 運行的穩(wěn)定性
? SVG 采用了 PWM 波技術，不僅自身不產(chǎn)生諧波，還能夠?qū)ω撦d的諧波和無功進行補償，實現(xiàn)有源濾波的功能，真正做到多功能化
? 采用國際的系統(tǒng)仿真軟件（RTDS，PSCAD，MATHCAD，matlab 等），結合公司已有數(shù)據(jù)庫，對諧波潮流、諧波阻抗、系統(tǒng)設置、操作過電壓等進行仿真計算，保證 SVG 在不同運行工況條件下，所設計的濾波器不與系統(tǒng)產(chǎn)生并聯(lián)諧振和諧波放大
? 電壓閃變抑制能力更強，大于 80%
? 運行范圍更寬，-100%至+100%
? 補償功能多樣化，無功補償、諧波補償、負序補償、綜合補償
? 諧波含量極低，幾乎無諧波，還能濾波
? 占地面積小，現(xiàn)場施工量小
