SVG工作原理學習課程

1、SVGSVG工作原理及運行特性工作原理及運行特性 工作原理 基于大功率換流器，以電壓型逆變器為核心，直流側(cè)采用直流電容為儲能元件以提供電壓支撐。在運行時相當于一個電壓、相位和幅值均可調(diào)的三相交流電源。 逆變器正常運行依賴于直流側(cè)的電壓支撐，在逆變器接入交流電源時，由各IGBT反向續(xù)流二極管構(gòu)成整流器， 對直流電容器充電；正常運行后，直流電容器的儲能將會用來滿足逆變器的內(nèi)部損耗， 電容電壓會下降，必須不斷的對電容器充電補能使電壓保持在工作范圍。 通過使逆變器輸出電壓滯后系統(tǒng)電壓一個很小的角度來實現(xiàn)， 逆變器從系統(tǒng)吸收少量有功滿足其內(nèi)部損耗， 保持電壓水平。改變逆變器輸出電壓的幅值，達到發(fā)出或吸收

2、無功的目的。穩(wěn)定時，鏈式SVG輸出的無功電流如下式:sin22sqUIR第1頁/共27頁第一頁，編輯于星期六：二十二點 四十九分。SVGSVG工作原理及運行特性工作原理及運行特性SVG原理示意圖IL可以通過調(diào)節(jié)UI來連續(xù)控制，從而連續(xù)調(diào)節(jié)SVG發(fā)出或吸收的無功。運行模式波形和向量圖說明空載運行UI=USIL=0容性運行UIUSIL為容性電流感性運行UIUSIL為感性電流第2頁/共27頁第二頁，編輯于星期六：二十二點 四十九分。SVGSVG工作原理及運行特性工作原理及運行特性 運行特性 SVG的工作原理決定了無論交流系統(tǒng)電壓為多少，它都可以在其最大的容性或感性范圍內(nèi)獨立控制其輸出電流，欠壓條件下

3、無功調(diào)節(jié)能力更強 。 SVC為阻抗型，輸出無功電流隨母線電壓降低而線性下降。 SVG、SVC電壓電流特性曲線如圖：第3頁/共27頁第三頁，編輯于星期六：二十二點 四十九分。SVGSVG工作原理及運行特性工作原理及運行特性 SVG鏈式結(jié)構(gòu)每相由若干單相橋串聯(lián)組成，如圖所示：第4頁/共27頁第四頁，編輯于星期六：二十二點 四十九分。SVGSVG工作原理及運行特性工作原理及運行特性 SVG鏈式結(jié)構(gòu)特點 總的電壓輸出和整個裝置的容量可以成倍提高； 可以對串聯(lián)的每個橋采用不同的驅(qū)動脈沖，使每個橋輸出電壓所含諧波大小和相位不同，使最終疊加的總輸出電壓諧波含量很??； 鏈式結(jié)構(gòu)可以模塊化，而且在設(shè)計時便于采用

4、冗余設(shè)計，串連橋鏈中某一個損壞可以被旁路，不影響整個橋鏈的工作，便于容量擴展； 鏈式結(jié)構(gòu)三相相互獨立，在系統(tǒng)不平衡時其可通過三相獨立控制，正常投入運行，更好的提供電壓支撐； 鏈式結(jié)構(gòu)不足：三相獨立且每個單相橋直流側(cè)分隔，裝置在工作時，直流側(cè)電壓波動較大，因而直流側(cè)需要安裝容量較大的電容器，同時串聯(lián)的單相橋直流側(cè)電壓可能不平衡，因此需平衡直流側(cè)電容，否則影響裝置安全。第5頁/共27頁第五頁，編輯于星期六：二十二點 四十九分。SVGSVG一次系統(tǒng)一次系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)如圖，組成部分主要為串聯(lián)電阻箱、串聯(lián)電抗器、啟動柜、功率柜、控制屏。三相逆變功率單元為星接。第6頁/共27頁第六頁，編輯于星期六：二十二點

5、四十九分。SVGSVG一次系統(tǒng)一次系統(tǒng) 串聯(lián)電阻 SVG采用電壓源逆變器結(jié)構(gòu)，連接電抗(或等值電抗)及等效電阻較小，由SVG無功電流公式可知，驅(qū)動脈沖一個小的角度偏移誤差可能導致STATCOM裝置出現(xiàn)過電流進而引起輸出電流波動，增大相當于增大系統(tǒng)阻尼系數(shù)，減小輸出電流過沖和震蕩 ；另由于對SVG裝置損耗有明確要求（大型S裝置的效率都要求在96以上），因此串聯(lián)等效電阻R并不提倡使用。限于目前條件，使用串聯(lián)電阻作為臨時應(yīng)對措施，在后續(xù)工程驗證中需進一步分析?，F(xiàn)階段控制器精度達到0.01電角度，即0.55s。不同容量對應(yīng)的串聯(lián)電阻值： 2M：1 3M：0.67 5M：0.4 8M：0.25 10M：

6、0.2第7頁/共27頁第七頁，編輯于星期六：二十二點 四十九分。SVGSVG一次系統(tǒng)一次系統(tǒng) 串聯(lián)電抗器作用：限制無功輸出電流；濾除裝置產(chǎn)生的高次諧波；將兩個電壓源連接起來。電感值增大時，濾除補償電流高次諧波效果較好，但裝置補償電流減小。選?。和ǔ９こ踢x用裝置總?cè)萘康?。?頁/共27頁第八頁，編輯于星期六：二十二點 四十九分。SVGSVG一次系統(tǒng)一次系統(tǒng) 啟動柜由接觸器、旁路電阻、電壓互感器、電流互感器、避雷器組成。第9頁/共27頁第九頁，編輯于星期六：二十二點 四十九分。SVGSVG一次系統(tǒng)一次系統(tǒng) 啟動柜主要作用：實現(xiàn)SVG自勵啟動，限制上電時直流電容的充電涌流，避免IGBT模塊、直流電容

7、損壞。SVG上電時，旁路電阻串于充電回路，起限流保護作用；需將電阻通過接觸器旁路后SVG方能投入運行。設(shè)計有接觸器與上端口斷路器的互鎖，保證斷路器“合”狀態(tài)時接觸器執(zhí)行“合”動作。其他作用：線電壓、相電流二次信號輸出；閥端過電壓保護。單相旁路電阻選用兩只640/2kW并聯(lián)，時間常數(shù)約為100ms。啟動柜尺寸：額定容量10M以下 12001500 2400。第10頁/共27頁第十頁，編輯于星期六：二十二點 四十九分。SVGSVG一次系統(tǒng)一次系統(tǒng) 功率柜功率柜采用抽屜式結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝；對裝置整體發(fā)熱進行估算，設(shè)計有專門風道，合理選取散熱風量，現(xiàn)在主要采用3000m3/h和4000m3

8、/h兩款風機，如3M、5M-30006m3，8M-40008m3。功率柜尺寸：3M、5M 4400X1500X2800 8M 5200X1500X2800 10M 7400X1500X2800第11頁/共27頁第十一頁，編輯于星期六：二十二點 四十九分。SVGSVG一次系統(tǒng)一次系統(tǒng) 功率柜損耗每相由12鏈節(jié)串聯(lián)，主要損耗集中在損耗和放電電阻發(fā)熱，功率理論計算值及功率柜損耗如下表：SVG容量IGBT型號單鏈節(jié)損耗W功率柜損耗kW6MFF650R17IE41664607MFF650R17IE42052748MFF800R17KE32216809MFF800R17KE326129410MFF1000

9、R17IE4279210111MFF1000R17IE4318011412MFF1000R17IE43588129 第12頁/共27頁第十二頁，編輯于星期六：二十二點 四十九分。SVGSVG一次系統(tǒng)一次系統(tǒng) 功率單元結(jié)構(gòu)鏈節(jié)單元包括散熱器、IGBT、直流電容、銅排、放電電阻、觸發(fā)板、自取能電源模塊。第13頁/共27頁第十三頁，編輯于星期六：二十二點 四十九分。SVGSVG一次系統(tǒng)一次系統(tǒng) IGBT英飛凌EUPEC進口模塊 IGBT電壓定額的選擇其承受電壓主要取決于直流側(cè)電容電壓。考慮到過載、電網(wǎng)波動、開關(guān)過程引起的電壓尖峰等因素，耐壓通常選擇直流母線電壓的2倍。當輸出容性無功時直流側(cè)電壓最高，

10、約為800V，故選取額定電壓1700V。電流定額的選擇額定電流=通過IGBT電流有效值電流脈動率安全系數(shù)，電流脈動率取為1.2，電流安全系數(shù)取2。 第14頁/共27頁第十四頁，編輯于星期六：二十二點 四十九分。SVGSVG一次系統(tǒng)一次系統(tǒng) 直流電容直流電容的選型主要考慮以下幾個因素：1、直流側(cè)電壓波動，一般要求電壓波動不超過5，電容電壓波動較大會引起輸出諧波增加2、SVG的響應(yīng)速度，當系統(tǒng)出現(xiàn)無功波動時，SVG迅速補償需要電容電壓快速達到目標電壓值3、電容電壓的選取主要取決于所串鏈節(jié)數(shù)，與PSPWM調(diào)制比、串聯(lián)電抗值、線路等效電阻、額定容量也有一定關(guān)系4、EACO等電容器的通流限制，如SHE-

11、1200-470長期工作電流最大為69A5、借鑒其他廠家成型產(chǎn)品電容選取經(jīng)驗當前鏈節(jié)單元電容選?。侯~定電壓1200V；額定容量取SVG 1M額定容量對應(yīng)550F；電容并聯(lián)后通流大于裝置額定電流。以8M為例，選用10只SHE-1200-470并聯(lián)使用。注：當前理論和實際中電容容量選取尚無定論，后續(xù)需經(jīng)工程實踐，進一步優(yōu)化。第15頁/共27頁第十五頁，編輯于星期六：二十二點 四十九分。SVGSVG一次系統(tǒng)一次系統(tǒng) 直流電容電壓控制控制方式的精確性是建立在電容電壓平衡的基礎(chǔ)上的。電容電壓的波動導致輸出諧波增加、電容器過壓等。鏈式SVG直流側(cè)鏈節(jié)與鏈節(jié)的電壓相互獨立，并且電容電壓與鏈節(jié)并聯(lián)損耗、混合型

12、損耗及觸發(fā)脈沖相互一致性有關(guān)。通常采用觸發(fā)脈沖循環(huán)換位、控制放電電阻增加相應(yīng)損耗平衡電容電壓。通常電容電壓波動控制在5左右，目前12鏈節(jié)電壓波動可以限制在幾十伏。第16頁/共27頁第十六頁，編輯于星期六：二十二點 四十九分。SVGSVG一次系統(tǒng)一次系統(tǒng) 吸收電容吸收電容主要吸收IGBT關(guān)斷浪涌電壓和續(xù)流二極管反向恢復浪涌電壓。吸收回路的類型和所需元器件值取決于主電路的布局結(jié)構(gòu)、逆變器功率、工作頻率等多重因素。主回路難以實現(xiàn)零雜散電感，回路電流較大時影響更甚，吸收回路是必要的，選取時應(yīng)簡單可行。我們采用低電感吸收電容構(gòu)成的緩沖回路，適合于低頻、中小功率、雜散電感較小的電路中，電容值相應(yīng)可選取大一

13、些。第17頁/共27頁第十七頁，編輯于星期六：二十二點 四十九分。SVGSVG一次系統(tǒng)一次系統(tǒng) 功率單元設(shè)計需考慮的關(guān)鍵因素1、損耗計算，散熱器的選取。2、IGBT主電路銅排的優(yōu)化設(shè)計，以減小直流回路雜散電感，優(yōu)化吸收電路設(shè)計。這里采用疊層銅排布線結(jié)構(gòu)，降低雜散電感。第18頁/共27頁第十八頁，編輯于星期六：二十二點 四十九分。SVGSVG控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 觸發(fā)板抗干擾措施：1、對電容電壓測量時用線性光耦進行隔離2、電容放電IGBT采用光耦驅(qū)動3、對觸發(fā)裝置的觸發(fā)信號進行數(shù)字濾波4、IGBT驅(qū)動模塊的輸入信號采用+15V電平觸發(fā)模塊廠家瑞士 concept 2SD315AI半橋驅(qū)動模式，自帶有

14、可調(diào)節(jié)的死區(qū)時間帶有低電壓檢測功能具有IGBT短路保護功能第19頁/共27頁第十九頁，編輯于星期六：二十二點 四十九分。SVGSVG控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 觸發(fā)板觸發(fā)板的功能1、接收觸發(fā)裝置的觸發(fā)信號，對觸發(fā)信號解碼后驅(qū)動相應(yīng)IGBT2、測量直流電容電壓3、測量觸發(fā)板的溫度4、檢測IGBT散熱器溫度繼電器的狀態(tài)5、檢測IGBT驅(qū)動模塊的狀態(tài)6、將直流電容電壓、溫度、繼電器狀態(tài)、驅(qū)動模塊狀態(tài)等信息通過光纖傳輸?shù)奖O(jiān)控狀態(tài)7、接收監(jiān)控裝置的放電命令對直流電容進行放電控制.第20頁/共27頁第二十頁，編輯于星期六：二十二點 四十九分。SVGSVG控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 主控屏調(diào)節(jié)裝置1臺，數(shù)據(jù)采樣、運算，得出閥組

15、控制量，然后將此運算結(jié)果通過光隔離SPI口送至觸發(fā)單元，使用F2812 DSC作為主CPU 。觸發(fā)裝置3臺，接收運算單元發(fā)出的控制量，以控制量為輸入信號進行分析運算，產(chǎn)生各IGBT模塊觸發(fā)用的信號，主板核心部件為Cyclone II FPGA EP2C5K 。監(jiān)控裝置3臺，收集每個IGBT模塊的運行信息，能夠?qū)﹂y體故障進行判斷，主板核心控制部件核心邏輯部件系列FPGA。同步裝置1臺，輸出同步信號給調(diào)節(jié)裝置。站控1臺，將SVG裝置所有運行信息進行打包封裝存儲，為操作人員提供直觀的監(jiān)視界面。第21頁/共27頁第二十一頁，編輯于星期六：二十二點 四十九分。SVGSVG控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 控制單元原理框

16、圖第22頁/共27頁第二十二頁，編輯于星期六：二十二點 四十九分。SVGSVG控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)及方法調(diào)制方式采用單極倍頻正弦脈寬調(diào)制技術(shù)產(chǎn)生IGBT觸發(fā)脈沖，原理如圖所示，單相橋輸出為三電平。單鏈節(jié)載波頻率設(shè)計為500Hz，調(diào)制比可調(diào)，單相SVG頻率達6000Hz。采用載波移相SPWM，在不提高開關(guān)頻率的基礎(chǔ)上，大大降低輸出諧波。最低次諧波在120次以上。第23頁/共27頁第二十三頁，編輯于星期六：二十二點 四十九分。SVGSVG控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)策略裝置針對系統(tǒng)的無功和電壓波動實時補償。風電場用戶優(yōu)先進行電壓控制，后續(xù)進行無功補償。鋼鐵等企業(yè)用戶主要關(guān)注其無功波動。上述功能通過控制器界面的參數(shù)設(shè)置實現(xiàn)。第24頁/共27頁第二十四頁，編輯于星期六：二十二點 四十九分。SVG的出廠試驗1 啟動柜試驗1.1 耐壓試驗1.2 串聯(lián)電阻試驗1.3 功能驗證2 功率柜試驗2.1 電路板檢驗2.2 鏈節(jié)功能驗證2.3 鏈節(jié)耐壓試驗2.4鏈節(jié)對補試驗2.5功率柜裝配檢驗2.6 功率柜耐壓試驗 3 控制系統(tǒng)試驗3.1 單板檢查3.2 高低溫試驗3.3 耐壓試驗3.4 裝置功能試驗：模擬量精度、同步裝置校準、同步測試、觸發(fā)測試、監(jiān)控測試3.5 通訊測試 4 整體試驗4.1 鏈節(jié)電壓平衡試驗4