摘  要：介紹了FGSVG的原理，結(jié)構(gòu)及可靠性設(shè)計(jì)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，分析了FGSVG在各行業(yè)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：SVG  多電平   級(jí)聯(lián)逆變器   多重化技術(shù)

1 前言

      隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和持續(xù)增長(zhǎng)，電力供需矛盾日益突出。由于電力用戶容量的不斷增長(zhǎng)，用戶容量與發(fā)電裝機(jī)容量的比例已經(jīng)上升到3.2：1，導(dǎo)致尖峰時(shí)期高峰時(shí)段的用電需求快速上升?！笆濉逼陂g，全國(guó)電力供需呈現(xiàn)緊平衡，季節(jié)性，地區(qū)供需矛盾加劇。為解決這一矛盾，發(fā)改委連同電監(jiān)會(huì)等六部委出臺(tái)了《電力需求側(cè)管理辦法》，明確指出：滿足電力需求應(yīng)堅(jiān)持節(jié)約與開發(fā)并舉、節(jié)約優(yōu)先的原則，在增加供應(yīng)的同時(shí)，統(tǒng)籌考慮并優(yōu)先采用需求側(cè)管理措施，鼓勵(lì)電網(wǎng)企業(yè)采用節(jié)能設(shè)備，增強(qiáng)無功補(bǔ)償，引導(dǎo)用戶加強(qiáng)無功管理，合理配置無功補(bǔ)償裝置，優(yōu)化用電方式。FGSVG系列產(chǎn)品是山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司自主研發(fā)的高壓動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償和諧波治理裝置，采用現(xiàn)代電力電子、自動(dòng)化、微電子及網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，采用先進(jìn)的瞬時(shí)無功功率理論和基于同步坐標(biāo)變換的功率解耦算法，以功率因數(shù)、電網(wǎng)電壓或者兩者分時(shí)間段作為控制目標(biāo)，動(dòng)態(tài)的跟蹤電網(wǎng)電能質(zhì)量變化來調(diào)節(jié)無功輸出，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的高質(zhì)量運(yùn)行。FGSVG以其較低的諧波，較高的效率，快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，成為輸電系統(tǒng)中的重要設(shè)備。

2 FGSVG系列產(chǎn)品的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

      FGSVG是目前國(guó)內(nèi)外最為先進(jìn)的無功補(bǔ)償裝置，這種基于電壓型PWM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，而是通過電力電子器件的高頻開關(guān)實(shí)現(xiàn)無功能量的變換。從技術(shù)上講，F(xiàn)GSVG系列產(chǎn)品較傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償裝置有如下優(yōu)勢(shì)：

（1）響應(yīng)速度更快

       FGSVG系列產(chǎn)品響應(yīng)時(shí)間：≤1ms。傳統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置響應(yīng)時(shí)間： ≥40ms。FGSVG系列產(chǎn)品可在極短的時(shí)間之內(nèi)完成從額定容性無功到額定感性無功的相互轉(zhuǎn)換，這種無可比擬的響應(yīng)速度完全可以勝任對(duì)沖擊性負(fù)荷的補(bǔ)償。

（2）諧波治理

      FGSVG系列產(chǎn)品不僅不產(chǎn)生諧波，而且同時(shí)具備諧波治理功能，在動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，可對(duì)諧波進(jìn)行濾除。而SVC中TCR在補(bǔ)償無功功率同時(shí)產(chǎn)生大量諧波，導(dǎo)致TCR必須與大容量濾波器同時(shí)使用。

（3）電壓閃變抑制能力更強(qiáng)

      SVC受到響應(yīng)速度的限制，其抑制電壓閃變的能力不會(huì)隨補(bǔ)償容量的增加而增加，而FGSVG系列產(chǎn)品由于響應(yīng)速度極快，增大裝置容量可以繼續(xù)提高抑制電壓閃變的能力。

（4）運(yùn)行范圍更寬

      FGSVG系列產(chǎn)品能夠在額定感性無功到額定容性無功的范圍內(nèi)工作，所以比SVC的運(yùn)行范圍寬很多。更重要的是，在系統(tǒng)電壓變低時(shí)，F(xiàn)GSVG系列產(chǎn)品還能夠輸出與額定工況相近的無功電流。

（5）補(bǔ)償功能多樣化

      FGSVG系列產(chǎn)品不僅具有快速補(bǔ)償系統(tǒng)無功的作用，還能夠根據(jù)用戶實(shí)際需要，對(duì)負(fù)荷進(jìn)行諧波電流補(bǔ)償、負(fù)序電流補(bǔ)償、綜合補(bǔ)償?shù)取?/p>

（6）占地面積小

      由于無需高壓大容量的電容器和電抗器做儲(chǔ)能元件，F(xiàn)GSVG系列產(chǎn)品的占地面積通常只有相同容量SVC的50%。

3 FGSVG系列產(chǎn)品的原理

      FGSVG系列產(chǎn)品的原理示意圖如圖1所示，基本原理就是將自換相橋式電路通過變壓器或者電抗器并聯(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>

圖1 FGSVG系列產(chǎn)品的原理示意圖

4 FGSVG的結(jié)構(gòu)

      FGSVG有進(jìn)線柜，功率柜和控制柜三部分組成：進(jìn)線柜是連接電網(wǎng)與裝置的樞紐，控制裝置的掛網(wǎng)與斷網(wǎng)，并預(yù)留與原無功補(bǔ)償設(shè)備(FC)的接口，方便現(xiàn)場(chǎng)的對(duì)接。

      功率柜采用模塊化設(shè)計(jì)，功率單元的結(jié)構(gòu)和電氣性能完全一致，單元可以互換，方便檢修和維護(hù)。

      控制柜人機(jī)界面優(yōu)化處理，人性化設(shè)計(jì)，全數(shù)字化控制，實(shí)時(shí)計(jì)算電網(wǎng)所需的無功功率、諧波、負(fù)序電流等實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤與補(bǔ)償，對(duì)輔助設(shè)備實(shí)時(shí)控制，保持與上位機(jī)通訊，具有良好的可觀測(cè)性。

5 FGSVG的可靠性設(shè)計(jì)

      FGSVG系列產(chǎn)品的主電路采用鏈?zhǔn)侥孀兤魍負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，Y型連接，10kV裝置每相12個(gè)單元串聯(lián)組成，6kV裝置每相8個(gè)單元串聯(lián)組成，運(yùn)行方式為N＋１模式。圖2為10kV電壓等級(jí)系統(tǒng)連接原理圖。

圖2  10kV電壓等級(jí)系統(tǒng)連接原理

      這種結(jié)構(gòu)可以獨(dú)立分相控制，有利于解決相間平衡問題，在系統(tǒng)受到干擾時(shí)，更好地提供電壓支撐；所有鏈節(jié)的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)完全相同，可以實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，便于擴(kuò)展裝置容量；每相鏈節(jié)可設(shè)置一個(gè)冗余鏈節(jié)，當(dāng)一個(gè)單元出現(xiàn)故障后仍可以滿負(fù)荷繼續(xù)運(yùn)行，確保裝置的可靠性；去掉了連接變壓器，降低了裝置成本和損耗。

      功率單元包括濾波電容，IGBT,電源和控制板。為保證功率單元的可靠性，設(shè)計(jì)時(shí)選用同一批次的元器件，保證各元器件性能的一致性。所有功率單元在裝配檢驗(yàn)合格后均要做老化試驗(yàn)。功率單元采用優(yōu)化的散熱設(shè)計(jì)，獨(dú)立風(fēng)道設(shè)計(jì)有效解決單元溫升和整套裝置的防護(hù)等級(jí)。

      FGSVG裝置控制核心由高速32位數(shù)字信號(hào)處理器DSP、大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨏PLD/FPGA和一體化人機(jī)界面協(xié)同運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)，精心設(shè)計(jì)的算法可以保證FGSVG達(dá)到最優(yōu)的運(yùn)行性能。提供友好的全中文監(jiān)控和操作界面，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制。

圖3    系統(tǒng)界面

圖4  狀態(tài)量顯示界面

      PLC控制器用于柜體內(nèi)開關(guān)信號(hào)的邏輯處理，以及與現(xiàn)場(chǎng)各種操作信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)的協(xié)調(diào)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性?？刂破鞑捎么笠?guī)模集成電路和表面焊接技術(shù)，系統(tǒng)具有極高的可靠性。

      另外，控制器與功率單元之間采用多通道光纖通訊技術(shù)，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統(tǒng)具有極高的安全性，同時(shí)具有很好的抗電磁干擾性能，并且控制器有一套獨(dú)立于高壓電源的供電體系，功率單元的控制電源采用一個(gè)獨(dú)立于高壓系統(tǒng)的電源，方便調(diào)試、維修、現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。在不加高壓的情況下，設(shè)備各點(diǎn)的波形與加高壓情況基本相似，給整機(jī)調(diào)試、培訓(xùn)帶來了很大方便。

6 FGSVG在各行業(yè)中的應(yīng)用

      FGSVG不僅能提高電網(wǎng)輸送能力，而且可以優(yōu)化電能質(zhì)量，在對(duì)電能要求較高的各行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

      風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有隨機(jī)性和波動(dòng)大的明顯特征，在運(yùn)行中需要大量無功。FGSVG調(diào)節(jié)速度快，可以平滑連續(xù)的調(diào)節(jié)輸出無功，提高風(fēng)機(jī)的瞬時(shí)功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)25次以下諧波的有效濾波。

      煤礦行業(yè)由于采用大量的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，具有負(fù)荷重，功率因數(shù)低，電壓不穩(wěn)定的特點(diǎn)。FGSVG可以快速連續(xù)的調(diào)節(jié)，從而穩(wěn)定并提高系統(tǒng)的平均電壓，降低電壓閃變和諧波電流。不僅能提高負(fù)荷功率因數(shù)，還可濾除低次諧波。

      在城鎮(zhèn)區(qū)域供電電網(wǎng)中，由于供電距離長(zhǎng)，一般配置容量較大的電容器定補(bǔ)裝置。以±2Mvar/10kV無功補(bǔ)償裝置在四川三臺(tái)縣富順鎮(zhèn)供電所的應(yīng)用為例，富順鎮(zhèn)供電所有兩臺(tái)變壓器4000kVA一臺(tái)和3150kVA一臺(tái)，正常運(yùn)行一臺(tái)4000kVA的，另一臺(tái)只在用電高峰期才投運(yùn)。輸入線35kV一套，輸出線10kV五套，配有一臺(tái)1.2Mvar電容器定補(bǔ)裝置，給五個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)配送電。用電高峰期短，一般只有四五個(gè)小時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間處于低負(fù)荷狀態(tài)，由于電容器補(bǔ)償裝置補(bǔ)償容量不變，只能向系統(tǒng)提供容性無功，不能隨負(fù)載的變化實(shí)現(xiàn)快速精確的調(diào)整，在保證母線系統(tǒng)功率因數(shù)的同時(shí)，容易向系統(tǒng)倒送無功，抬高母線電壓。FGSVG具有容感性連續(xù)調(diào)節(jié)功能，實(shí)時(shí)檢測(cè)供電系統(tǒng)的用電情況，安裝FGSVG裝置后，不僅使電網(wǎng)功率因數(shù)提高到99.3%以上，并且解決了現(xiàn)有電容器補(bǔ)償裝置“過補(bǔ)”的問題，減少了電容器投切的次數(shù)，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，避免電容器投切時(shí)浪涌沖擊及操作過電壓，可有效降低線路損耗、改善電壓質(zhì)量、充分發(fā)揮供電設(shè)備的潛力，并可為用戶節(jié)約電費(fèi)支出，具有非常顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

圖5 使用FGSVG前的功率因數(shù)曲線

圖6  使用FGSVG后的功率因數(shù)曲線

圖7  ±2Mvar/10kV無功補(bǔ)償裝置在四川三臺(tái)縣富順鎮(zhèn)供電所運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)

7 結(jié)束語

      FGSVG系列產(chǎn)品是山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司為滿足市場(chǎng)需求研發(fā)的節(jié)能設(shè)備，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和多項(xiàng)發(fā)明專利。公司新研發(fā)的多電平二極管箝位型FGSVG產(chǎn)品試驗(yàn)樣機(jī)已成功下線，該產(chǎn)品有多個(gè)電壓臺(tái)階，更接近正弦波，諧波性能更好。變流器的等效開關(guān)頻率減少，減少了電磁干擾，降低了半導(dǎo)體開關(guān)對(duì)散熱的要求。由于三相共用直流側(cè)電容器，特別適合于三相能量相互交換的系統(tǒng)。在變流器不耗能的理想情況下，所需電容器可選得很小，即使在非理想情況下存在電容電壓不穩(wěn)，也可通過輔助控制方法或輔助控制電路進(jìn)行平衡控制。另外，在背靠背應(yīng)用中，不存在直通現(xiàn)象，可廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。