XDSVG系列有源动态无功补偿和谐波治理装置

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  摘 要 本文简要介绍了XDSVG系列有源动态无功补偿和谐波治理装置的电气原理、性能特点及应用。

  关键词 动态无功补偿和谐波治理装置  电气原理  性能特点  应用

  1 序言

  近年来,动态无功补偿及谐波治理装置越来越广泛地应用于电网及电力用户端,用于提高电网电压的稳定性,改善用户电能质量,并达到节省电能的目的。

  先导倍尔的电气产品研发团队在多年大功率电力电子产品研发的技术和经验基础上,通过与清华大学柔性输配电系统及大功率电力电子专家的合作,又成功研发出了高性价比的新一代有源动态无功补偿与谐波治理装置SVG,可直接接入1kV~35kV电压等级母线,为电网或用电负荷提供快速有源动态无功补偿和谐波滤波,可有效提高电网电压暂态稳定性、抑制母线电压闪变、补偿不平衡负荷、滤除负荷谐波及提高负荷功率因数。

  2 电气原理

  SVG是由链式静止同步补偿器(STATCOM/DSTATCOM,又称为SVG)和固定电容器共同构成的,按各自容量的不同可组合成各种补偿范围的有源动态无功和谐波补偿装置。其中的SVG不同于传统SVC的阻抗补偿(靠电容器和电抗器发出和吸收无功)原理,而是基于电压源自换相换流器,原理上等效于静止的同步调相机,但性能上又远优于调相机和SVC。

  所谓静止无功发生器(SVG),指由自换相的电力半导体桥式变流器来进行动态无功补偿的装置, 由于SVG通过电力半导体开关的通断将直流侧电压转换成交流侧与电网同频率的输出电压,就像一个电压型逆变器,只不过其交流侧输出接的不是无源负载,而是电网。因此SVG可以等效地被视为幅值和相位均可以控制的一个与电网同频率的交流电压源。它通过交流电抗器接到电网上。连接电抗的电流是可以由其电压来控制的。这个电流就是SVG从电网吸收的电流,因此改变SVG交流侧输出电压的幅值及其相对于系统的相位,就可以改变连接电抗上的电压,从而控制SVG从电网吸收电流的相位和幅值,也就控制了SVG吸收无功功率的性质和大小。

  如图1所示,空载运行模式:US = UI ,IL =0,SVG 不吸发无功;容性运行模式:U> US ,IL 为超前的电流,其幅值可通过调节 UI 来连续控制,从而连续调节SVG发出的无功;感性运行模式:UI〈US ,IL 为滞后的电流,其幅值可通过调节 UI 来连续控制,从而连续调节SVG发出的无功。

图1 SVG的原理及应用方式

  3 性能特点

  和传统的SVC相比,SVG具有以下独特的优点:

  1) 启动冲击小

  SVG部分采用自励方式起动,启动快速且冲击电流限制在很小的幅值;

  2) 任意组合的连续补偿范围

  SVG可以从额定感性工况到额定容性工况连续输出无功,和固定电容器组合可构成任意范围的连续补偿;

  3) 动态响应速度快

  SVG具有10ms以内的快速输出无功特性,因而对快速的冲击负荷具有更好的补偿效果,对闪变有更好的抑制效果;而传统的SVC响应时间一般在40ms~60ms(太快可能引起电抗和电容器产生振荡)。

  4) 占地面积小

  SVG以半导体功率器件构成的逆变器为核心,使用直流电容器储能,无SVC中体积庞大的滤波支路和电抗器,安装尺寸一般只有SVC的1/5~1/3,特别适合于对占地面积要求较高的场合。XDVAR系列SVG可做成移动式装置。

  SVG采用新型低损耗IGBT功率器件,直接输出电压范围1kV~35kV,省去了连接变压器,装置效率可达99%以上;而由于损耗曲线特性优于SVC(SVC空载时损耗达到最大),SVG的等效运行损耗
一般只有SVC的1/3~1/2,等效运行耗电量大大低于SVC。

  5) 超强补偿能力

  SVG输出电流不依赖于系统电压,表现为恒流源特性,在系统电压跌落到20%时仍可以输出额定无功电流,具有更宽的运行范围;而SVC输出电流与系统电压成正比下降,使得达到同等补偿效果SVG容量可以比SVC容量小20%~30%。

  通过对固定电容器组的综合控制,可以更好的满足系统和负荷的补偿范围要求。

  6) 多种补偿功能

  • 抑制电力系统过电压,改善系统电压稳定性
  • 提高系统暂态稳定水平,减少低压释放负荷数量,并防止发生暂态电压崩溃
  • 动态地维持输电线路端电压,提高输电线路稳态传输功率极限
  • 阻尼电力系统功率振荡
  • 在负荷侧,能抑制电压闪变、补偿负荷不平衡、提高负荷功率因数、滤除谐波。

  4 功能

  4.1 模块化的电路结构

  • SVG的核心是基于IGBT器件的链式逆变器。链式逆变器每相由多个功率模块输出串联而成,功率模块采用N+1或N+2冗余运行结构;
  • 模块控制采用大规模FPGA芯片载波移相多电平空间矢量PWM控制策略,电路简单,抗干扰能力强,可靠性高;
  • 采用自励起动技术,使得装置投入时冲击电流小;
  • 模块面板共4个电气端子,4个光纤端子,接线简单,还设有若干状态及故障指示灯,方便维护及检修。

  4.2 控制

  • 采用基于三DSP及多FPGA的全数字化控制器MLCCON,具有高集成度,可靠性高;
  • 现场可设定控制方式:系统补偿或负荷补偿及负荷补偿谐波次数;
  • 采用快速瞬时无功电流控制策略,可实现系统短路故障时的连续稳定运行;
  • 采用进口PLC实现多组固定电容器的综合投切控制。
  • 控制器全封闭防尘设计,无需冷却风扇,大大提高可靠性。

图2 MLCCON全数字化控制器

  4.3 监控与人机接口

  • 本地监控功能由DSP及进口PLC共同完成,采用触摸屏中文/英文显示界面,比嵌入式工控机界面硬件可靠性高,更适用于工业现场电磁环境;
  • 本地监控面板能进行各种控制操作和参数设置;
  • 显示面板具有功率模块直流电压、功率模块故障/旁路状态、输出电流、负荷电流、故障显示及故障追忆等功能,可显示输出电流波形;
  • 远方通信监控接口为RS232/RS485和CAN总线,备有计算机网络监控的RJ45扩展口和通信转换模块,可以灵活支持Modbus、Profibus、TCP/IP和IEC61850等通信协议;
  • 可以通过远方计算机进行实时状态监控;
  • 具有GPRS远程接口,装置通过联网装置,将系统运行数据、状态量和报警信息等,利用GPRS网络发送到本公司后台服务器,实现对现场的实时监控,以确定其安全情况和运行情况,大幅提高了系统运行的可靠性及可维护性。

  4.4 参数设定功能

  • 具有多种功能参数设置,方便不同负荷对象运行参数的现场配置;
  • 所有功能参数项用中文提示,所有功能参数具有停电保持功能(双份),可以整体备份或恢复。

  4.5 电磁兼容

  功率模块和主控系统采用光纤连接,具有很高的通信速率和抗干扰能力,安全性好。

  特殊设计的柜体内的电磁屏蔽措施,使得装置在有电磁干扰的环境中工作时不受影响,同时,其他设备也不会受装置所产生的电磁场的影响。

  5 SVG的应用

  5.1 SVG用于电网补偿 

  上海市电力公司为提高系统暂态电压稳定水平、减少故障时低压释放负荷数量,决定在黄渡分区西郊变电站投运一台±50Mvar STATCOM装置(由清华大学柔性输配电系统研究所负责全部技术研发工作),并实现已有4组固定电容器的综合控制以达到最优补偿效果。

  5.2 SVG用于电弧炉补偿 

  冶金行业的交、直流电弧炉是非线性的冲击负荷,炉料熔化期间电弧的不稳定,给系统带来有功、无功冲击。无功功率的冲击带来了母线电压的持续波动,造成了闪变现象的产生。交流电弧炉三相放电电弧的差异还造成负荷电流不平衡,而直流电弧炉则造成多次谐波电流超标。

  采用SVG可以对电弧炉实现动态无功、谐波及不平衡负荷电流的补偿,大幅度提高母线电压稳定度(完全满足国家标准),显著减少断弧现象,提高了冶炼效率,吨钢电耗量一般可减少10%以上,单炉冶炼时间也可缩短8%~15%,也可大大降低谐波过电压带来的电缆绝缘损坏频度,带来显著的经济效益

  5.3 SVG用于轧钢机补偿 

  轧钢机负荷由大功率直流电动机、异步电动机、同步电动机及各种直流整流器、交流变频调速器等大功率电力电子设备组成,冲击大、无功消耗大、谐波电流大、功率因数低,造成母线电压反复波动,大量谐波电流流入电网,使配网损耗变大,同时造成谐波尖峰电压,损坏电缆绝缘。这些特征造成电网不能满足国家电能质量标准的要求,不利于电网经济运行,对用户电气设备也造成恶劣影响。

  采用SVG对轧钢机负荷进行补偿,可以稳定系统母线电压,满足生产需要,并大大节约系统无功损耗,而且避免传统SVC等阻抗型补偿装置带来的系统谐振或者谐波放大等问题,极大的提高电网的安全性。

  5.4 SVG用于风力发电场补偿 

  风力发电场一般短路容量小,风力发电机输出功率的波动或负荷的波动都可能造成接入母线的电压波动频繁,不仅影响了电网的电能质量,对风机的正常发电运行也造成了影响。SVG的动态性能优异,性价比高,非常适用于风电场无功补偿。国外的风电场已普遍开始应用SVG进行无功快速补偿。

作者:天津先导倍尔电气有限公司 来源: 发布时间:2011年04月29日
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