高功率密度模块式静止无功发生器SVG

吕衍国 郭培囵 潘胜玉 郑建新 张庆舟

（1.高新技术创业中心，辽宁 鞍山 114051； 2.辽宁意思德电气有限公司，辽宁 鞍山 114051；3.鞍钢股份鲅鱼圈钢铁分公司，辽宁 营口 115007）

定制电力也被称为定质电力，它是针对信息电力时代产生的复杂的电能质量需求问题，应用现代电力电子技术和控制技术来实现电能质量的控制和改善，为电力用户提供电能质量特定需求的电力供应技术[1-2]。

实现定质电力的前提是电力电子技术发展的水平，尤其是晶闸管器件的先进性、稳定性和可靠性，以及经济实用性水平。现代社会的发展对提高供电可靠性、改善电能质量提出了越来越高的要求[3]。在现代企业中，由于变频调速驱动器、微电子技术控制的自动化生产线、半导体芯片制造、计算机信息系统等等日益广泛应用，对电能质量的控制也提出了越来越高的要求。这些设备对电源的波动和各种干扰十分敏感，任何供电质量问题的影响和恶化都有可能引起产品质量的下降，仪器设备的损坏，甚至给企业造成重大的经济损失。因此，根据现代社会发展的实际需求和企业的实际需要，便产生了以电力电子技术和现代控制技术为基础的定制电力技术（Custom Power Technology）。

定制电力是现代电力电子技术及相关的检测和控制技术在配电领域的应用，其运行的可靠性、不断降低的成本和均衡其应用带来的效益是实现定制电力的基础。为提高配电系统无功调节的质量，目前已开发并应用于配电系统且投入运行的系统设备静止无功发生器SVG，是定制电力的关键设备之一[4]。它主要由变压器、连接电抗器和 IGBT变换电路、控制柜组成，主要功能是快速调节电压，发生和吸收电网的无功功率，同时也可以抑制电网谐波、电压闪变等等。SVG并联于电网中，相当于一个可变的无功电流源，其无功电流可以快速地跟踪负荷无功电流的变化而变化，自动快速补偿系统所需无功功率，提高功率因数，大幅提高电力系统中有功输送能力，实现平稳的电压控制，提高电能质量，节能效果显著。

由于近年来，高压大容量半导体功率器件的快速发展，微电子器件集成度的扩大，微电脑和软件的升级，随之也开发出了现代的高压大容量的新型无功补偿置。鉴于目前，国内外对于高压大容量SVG功率柜结构的现状，笔者总结了SVG功率柜结构缺陷，大胆地提出结构单元设计改造，设计出高功率密度模块式静止无功发生器SVG，可广泛应用于现代电力、冶金、机械、矿山、港口、化工、电气化铁路、建筑等各个领域。

1 系统设计方案

1.1 系统原理

静止无功发生器（SVG）是目前国际上最先进的第三代无功补偿产品，是基于电压源型变流器无功补偿装置的基础上，实现了无功补偿创新改革质的飞跃。SVG不再采用大容量的电容、电感器件，而是通过大功率电力电子器件的高频开关实现无功能量的变换，与传统高压动态无功补偿装置（SVC）相比，SVG在响应速度、稳定电网电压、降低系统损耗、增加传输能力、提高瞬变电压极限、降低谐波和减小占地面积等诸多方面具有更加优越的性能和优势，在世界范围内已成为 SVC的升级产品。

1）静止无功补偿器（SVG）基本原理及构成

SVG利用全控大功率电力电子器件（如IGBT、IEGT）组成自换相桥式电路，经过电抗器并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。

SVG系统原理如图1所示。

图1 SVG系统原理图

2）产品关键技术

目前国内外厂商生产的SVG功率柜，普遍存在着线路连接复杂，进出线电缆并接根数多，内部元器件更换、维护困难，功率柜体积较大，容量不易扩展，生产成本高等诸多缺陷。本产品研究的重点和创新点在于开发一种结构紧凑、功率柜体单元之间连接线方便、容量便于扩展的基于高功率密度模块化的静止无功发生器功率柜，以解决国内、外现有 SVG产品的上述问题。具体研发的关键技术如下。

（1）功率单元全模块化标准结构设计技术

该技术效果不仅在于运行方便，缩小整机体积，更重要的是取消了传统连接线，大大减少了元器件之间的连接接触点，降低了元器件的故障率，从而提高了整机系统的可靠性。

设计开发的功率单元包括IGBT模块、驱动板、电力电容器模块、阻容吸收电路以及专用铝型材散热器等。电力电容器为功率单元直流侧提供直流电压，驱动板接收主控单元发送来的IGBT驱动信号，加入死区时间后控制 IGBT的开通与关断，从而产生预期的补偿电流。

制板主要完成了功率单元直流电压转换、电压、电流采样、故障保护以及通信功能。功率单元原理如图2所示，功率系统主接线如图3所示。

功率单元模块结构按八个 IGBT功率件，组成两个H桥结构封装布置设计[5-7]，IGBT功率件连线采用复合母排连接，IGBT功率件散热器采用同体积重量轻、热阻小的优化设计，模块插拔采用上下双轨滑道技术设计。

模块化功率柜设计方案如图4—9所示。

图4中：框架结构分三层，上层为A相功率单元，中、下层分别为B、C两相功率单元。

图2 双H桥功率单元原理接线图

图3 功率系统主接线图

图4 模块化功率柜内部框架结构图

图5 模块化功率柜抽屉式功率单元和电容单元结构图

图6 柜体外部设计图

图7 抽屉式功率单元结构设计图

图8 抽屉式电容结构设计图

图9 抽屉式功率单元与电容单元插接的设计图

1.2 创新点

（1）先进的模块化抽屉式功率系统设计

模块化抽屉式双H桥功率单元与电容抽屉式单元对插接结构，将单元抽屉外框也做为导电体使用，使单元结构更加紧凑合理无导线连接，实现柜体结构全模块化，可预先制作，适合标准化批量生产；对插接夹紧结构弹簧片采用18对耐高温合金斜插V形弹簧片，当电应力越大插接夹紧弹簧片把插接母排夹的越紧，即线接触结构的专利技术。

（2）高功率密度的模块式SVG功率柜

高功率密度，是指整个功率单元柜全抽屉式结构，对高压大容量电力电子器件结构的一次重大创新，高功率密度功率柜体积小是传统同容量SVG体积占地面积的48%。

（3）整柜中连线均采用复合母排连接，复合母排薄膜采用美国胜达公司产品，薄膜柔软厚度均匀，绝缘耐压水平高，杂散电感低，可保证 IGBT绝对安全，整柜中无软导线连接，复合母排走线标准平整占空间小，便于预生产、维护、容量。扩展和新型号产品的研制。

（4）功率单元双 H桥设计，可串可并的高压低耗链式结构，功率单元最大电流可达700A。

（5）设计方案可实现功率等级和电压等级全系列优化组合。

（6）功率部分：SVG的核心主电路，用以实现功率变换。模块化设计，功率单元的结构和电气性能完全一致，可以互换。

（7）其产品规格可实现直挂6.3kV、10.5kV、27.5kV、37.5kV供电母线，37.5kV电压等级容量最大可达±20Mvar。冷却方式采用智能风冷控制。

1.3 实际应用与效果

1）高功率密度功率模块单元的应用

国内率先将高功率密度功率模块单元技术成功应用于SVG装置，填补了国内、外空白。采用高功率密度功率模块单元技术后的 SVG装置抗干扰性和运行可靠性比前分体式提高70%以上。且占地面积小，结构紧凑，电气绝缘水平高。

2）SVG电压目前国内最高

本功率模块单元实现了在 35kV供电母线上直挂式SVG装置，这是目前国内用于电压等级最高的SVG装置，为66kV变电站应用SVG装置是一项重大突破。

3）全数字N+1功率模块单元热备用

采用全数字N+1功率模块单元热备用增强了系统的稳定性和可靠性，也为系统的整体正常运行提供了可靠的保证，降低了事故率。

总之，35kV直挂式SVG装置经过技术方案论证、理论分析、系统仿真设计、关键技术研发、产品研制和现场试验和运行，验证了采用全数字N+1高功率模块单元技术的35kV直挂SVG装置运行稳定可靠，响应速度快，提高了鞍钢鲅鱼圈炼钢变66kV母线供电质量，并具有冗余热备功能，大大降低了由于故障导致系统停运的可能性，对增加鞍钢鲅鱼圈炼钢变 66kV母线电压起到支撑作用，推动了SVG整套装置模块化结构设计。

4）效果

综上所述，采用高功率密度功率模块单元技术的35kV直挂SVG是最新型接网方式，具有响应速度快、可实现连续无功功率控制、控制灵活（可进行单相和三相控制）、装置的损耗小、减少占地面积、光控直挂35kV母线SVG主要设备噪声低等特点，而且直挂35kV母线回路简单，提高系统运行可靠性。

（1）综合运用全数字N+1高功率模块单元控制系统、自动控制理论和计算机技术，对设备功能和可靠性进行全面的整体设计。

（2）自诊断和自恢复功能，整套设备控制器开机后自动检查硬件电路。并作定值校验软件失控后，自行复位，重新起动运行。

（3）整套装置均按模块结构设计，安装、维护、系统扩展极其方便。实现了变电站电压无功自动控制的功能，保证供电系统电压和功率因数合格，实现无功就地平衡，同时还实现变电站实时数据监控等功能。产品结构先进，性能优越，具有广阔的应用前景。

2 结论

高功率密度模块式静止无功发生器 SVG功率柜单元结构开发，是国家“十二五”科技支撑辽宁省重大科技示范项目，功率柜单元结构设计是目前国内同容量体积小、技术领先的动态无功补偿装置。研制过程中，攻克了上百个关键技术，工程用较短的时间顺利完成。这一工程的成功，为我国高压大容量无功补偿装置的发展开辟了新路，也为我国高压大容量电力电子装备的研发提供了宝贵经验[8]。

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