SVG成套装置的应用与研究

安 鸽

（西安隆基清洁能源有限公司，陕西西安710000）

0 引言

SVG作为新一代的无功补偿装置，在补偿效果、功率密度和运行效率等技术指标上具有传统无功补偿设备无法比拟的优势，是目前解决配电网尤其是快速变化的电网无功补偿问题的重要手段。

1 SVG装置的原理

SVG装置将自换相桥式电路组成的电压源型变流器通过变压器或者电抗器并联到电网中，然后通过调节逆变桥中IGBT器件的开关，控制直流电压逆变到交流电压的幅值和相位。因此，对于无功率损耗的SVG，仅改变其输出电压的幅值即可调节与系统的无功交换：当输出电压小于系统电压时，SVG工作于“感性”区，吸收无功功率（相当于电抗器）；反之，SVG工作于“容性”区，发出无功功率（相当于电容器），通过控制连接电抗器两端的端电压即可控制SVG发出的无功功率性质以及容量。将自换相桥式电路通过电抗器并联在电网上，适当调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或发出无功电流，实现动态无功补偿，具体实现过程如式（1）所示。

2 SVG装置数学建模及可靠性分析

经过对SVG装置的原理分析，可对SVG装置进行时域数学建模。将SVG装置中各种损耗及电阻包括开关器件等用等效电阻R表示，连接变压器阀侧至同步信号采样点的电感L。SVG装置输出电压由多个单相桥输出电压叠加而成，谐波含量低，因此只考虑SVG输出电压的基波分量而忽略谐波分量。基于上述假设及对单相桥输出电压的分析，将多个单相桥的输出电压ULR（t）按照一定规律串联起来，取其基波分量，可以得到SVG装置总的输出电压。

SVG装置常系数微分方程的数学模型为：

SVG装置注入系统的顺时三相有功功率和无功功率为：

稳态电流和直流侧电压为：

稳态功率为：

可见，SVG装置稳态时输出无功功率与控制量δ成正比关系，δ=0时，q=0，且正负方向对称；当δ＜0时，SVG装置输出无功功率为负，相当于电感；当δ＞0时，SVG装置输出无功功率为正，相当于电容。只要δ≠0，SVG装置输出有功功率为负，说明装置本身消耗有功功率。同时，根据对换流链和主电路拓扑结构的可靠性分析与建模得出：SVG装置系统平均使用寿命的计算公式如式（6）所示，将参数代入方程计算出SVG装置平均使用寿命为10年。

3 工程项目的SVG装置设计

本期光伏电站发电工程项目装设2套容量为10.0 Mvar、35 kV的SVG装置，并配备相应的自动控制监控和保护系统等，SVG装置采用户外集装箱式安装方式。

SVG成套装置以母线侧功率因数、母线电压作为控制目标，用额定频率50 Hz 工作，SVG 装置额定补偿容量：在-10～10 Mvar连续平滑调节，动态响应时间小于5 ms。注入系统公共连接点（PCC点）母线的谐波电压总畸变率、奇次谐波电压含有率、偶次谐波电压含有率及各次谐波电流均满足国标《电能质量公用电网谐波》（GB/T 14549－93）的要求。公共连接点母线引起的电压不平衡度≤2%，满足国家标准《电能质量 三相电压不平衡》（GB/T 15543—2008）的要求。SVG装置损耗小于0.8%；谐波特性小于3%IN；户外箱体防护等级≥IP54。SVG成套装置采用进口全控型器件IGBT，开关频率不低于500 Hz。装置主回路元件留有足够的电压、电流裕度，元件应有良好的dv/dt、di/dt特性。换流元件IGBT芯片选用原装进口的英飞凌器件，考虑过电压、过电流裕度及系统冲击尖峰毛刺后，选取英飞凌全进口的全控型器件IGBT，模块耐压1 700 V，300 A，每个模块与DC-Link电容器并联。系统主电路采用链式结构，星型连接，每相由多个换流链模块组成，并采用冗余设计，满足运行要求。主控制器根据系统电压/无功的变化情况，实现脉冲发生和分配功能，自动调节装置无功输出。成套装置具有参数设置功能，设置的内容不受停电和干扰信号的影响。

该SVG装置可实现以下功能：实时电压、电流、功率因数等参数显示；实时曲线和历史曲线（电流、电压、功率）显示；历史事件记录（故障记录、操作记录、停机原因记录）；运行数据记录；故障录波；无功阶跃录波；电压阶跃录波；在线电能监测；链式装置单元状态监视；软件版本查询；HMI存储空间查询；显示当前时间、保护动作时间，显示保护类型、保护动作时间等信息。SVG装置具有母线过压、母线欠压、过流、速断、直流过压、电力电子元件损坏检测保护、丢脉冲、触发异常、过压击穿、单元模块功率柜超温、保护输入接口/保护输出接口控制和系统电源异常等保护功能。控制器内部电路的保护功能较为完善，内部出现任何电路故障均不会有误动作输出。控制器还具有CT、PT断线检测及闭锁调节功能。SVG开关跳闸时，控制器报警并闭锁微机控制器的无功出口。SVG装置一般配备12%或者15%电抗率的电抗器。集装箱用于安装链式SVG装置的电器设备，按变电站现场位置及平面来设计门及接口。

4 结语

本文采用恒考核点功率因数模式和恒考核点电压模式，进行80 MW光伏发电项目设计，通过对光伏电站中负荷情况的充分分析，对SVG装置进行时域数学建模、计算、试验调试等。SVG装置动态提供电压支撑，畸变率为1.3%，满足公用电网谐波电压（相电压）要求。针对光伏电站特点，SVG装置需具备容性、感性突变性能。SVG采用低损耗IGBT功率器件，输出电压范围为1～35 kV，不用连接变压器，装置效率可达99%以上；装置损耗≤0.8%。SVG装置实现了对三相不平衡负荷的补偿，消除了负序电流；采用重构电流法实现对SVG三相输出分别进行控制，提高了不平衡状态下的控制效果；当电网电压降低10%以上时，电压每跌1%，SVG多输出2%额定电流，电网电压2 s后恢复，切换到正常工作状态。SVG装置可满足并机无功补偿扩容的需求，采用背挂电容方式，支持多种通信接口，单元安装灵活，占地面积少，对于19次及以下谐波可滤除掉95%及以上，对于19次以上谐波可以滤除掉85%。SVG特有的开机自检功能大幅降低了调试难度，加快了整机调试进度。现场运行结果显示，SVG装置达到预期目标，进线侧功率因数达到0.98～0.99，PCC点谐波考核指标达到《电能质量公用电网谐波》的考核要求，同时克服了强烈负荷对电网的冲击，能够实现-10～10 MVar动态补偿调节。光伏电站利用SVG的稳压能力，降低了电压波动，提高了光伏电站低电压穿越能力，成功并网运行。