一种静止无功发生器（SVG）的容量扩展方法和装置

郑建新 潘胜玉 郭培囵 张庆舟 李雄伟

（ 1.辽宁意思德电气有限公司，辽宁 鞍山 114051；2.鞍钢股份鮁魚圈钢铁分公司，辽宁 营口 115007）

柔性交流输电技术（FACTS）又称为基于电力电子技术的灵活柔性交流输电系统，是由美国著名的电力专家N.G.Hingorani 于1986年首次提出的。根据ΙEEE 及国际大电网会议（CΙGRE）于1995年共同认定的定义是：“一类以电力电子技术为基础并具有其他静止控制器的交流输电设备，它们能增强可控能力并增大输电容量”。因此，柔性交流输电技术作为FACTS 领域的静止无功发生器（SVG），就是基于电力电子变换器技术并直接作用于输电系统的一些快速控制设备的集合群。作为新一代FACTS 领域的静止无功发生器（SVG）设备，已被现代电力系统广泛应用于改善电网的电能质量[1-3]，通过与电力系统进行无功功率交换，抑制系统电压波动、闪变和提高系统稳定性等等方面，其推应用的速度更快。

柔性交流输电系统（FACTS）能够增强电网的稳定性，并能降低电力传输的成本。它是通过调整变流器交流侧电压的幅值和相位来改变输出电流的，因其核心技术不受电抗器或电容器的阻抗特性限制，所以在其欠压条件下的补偿能力非常强，并且具有响应速度快、调节平滑、控制灵活、运行范围大等特点，被广泛的应用于现代电力、冶金、机械、矿山、港口、煤炭、化工、电气化铁路、建筑等各个领域。

静止无功发生器（SVG）功率单元在其结构设计方面，近几年已有较大的创新突出设计，如一体化和功率单元抽屉式全模块化结构设计，使其静止无功发生器（SVG）体积显著减小，结构更加紧凑，运行维护更为方便。那么如何适应现代电网的扩容需求，是当前期待急需解决的新问题，其核心是如何简便实现静止无功发生器(SVG) 容量扩展。传统方法是一种容量一个规格，需要一次新的系统设计。这样会提高成本，延迟设计时间，如需新开模具，重新设计功率単元、控制系统等等。为更好的解决静止无功发生器（SVG）容量扩展问题，本文介绍了一种可以快速实现静止无功发生器（SVG）1+N的容量扩展装置及方法。

1 容量扩展设计方案

1.1 主接线

一种可实现容量扩展并列运行的高压静止无功发生器（SVG），是采用全控型大功率电力电了器件ΙGBT 组成双H 桥功率单元[4]，多个结构相同的双H桥功率单元组成变流链，每一个支路（或两个、N个并联支路）变流链为一相，每一相经过连接电抗器直挂在电网上;通过调节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，使高压静止无功发生器SVG 装置吸收或发出满足要求的无功电流，实现容量扩展并列运行和动态无功补偿的目的。如图1至图3所示。

图1 双H 桥功率单元原理接线图

本功率柜采用抽屉式功率单元，每个功率单元有4 只ΙGBT 功率组件，每个功率组件中，包含2只ΙGBT[5-6]，可组成双H 桥功率单元。

图2 SVG 1+1 双功率单元柜并列运行原理接线图

图3 SVG 双切换柜和双功率单元柜原理接线图

1.2 控制系统容量扩展方法

为克服现有技术的不足，本文介绍一种可以快速实现静止无功发生器的容量扩展装置及方法，可实现通过一套控制系统扩容为若干个功率柜目的，具体技术方案如下：

1）一种静止无功发生器的容量扩展装置，包括切换柜、控制柜，其中切换柜中设有1+N个接触器，控制柜设有1+N套供功率单元使用的光纤分配驱动控制系统，切换柜通过母排与1+N个功率柜相连接，控制柜通过光纤与1+N个功率柜相连接（N≥1）。

2）光纤分配驱动控制系统,包括DSP 系统控制器、信号调理、显示屏、光纤驱动分配器、GPRS模块、智能数据采样系统；DSP 系统控制器分别与显示屏、光纤驱动分配器、GPRS 模块相连接；DSP系统控制器包括A/D 转换、信息运算、PWM 脉冲产生，系统采样主要采集电流、电压信息，后由信号调理单元处理，处理后的信号依次通过A/D 转换、信息运算到PWM 脉冲产生器[7]，信号由PWM 脉冲产生器发到光纤驱动分配器；光纤分配驱动控制系统配备有RS-485 接口、USB 接口、Profibus 现场总线及Mdbus 现场总线。

SVG 1+N控制系统原理框图如图4所示。

图4 SVG 1+N 控制系统原理框图。

3）系统采样主要包括电压、电流采样，其中电压采样取自电压互感器（PT）二次，电网的电压通过电压互感器传到调理电路，功率柜的电压通过电压互感器也传到调理电路；电流采样取自电流互感器（CT）二次，电网供电的电流通过电流互感器传到调理电路，功率柜的电流通过本身电流互感器也传到调理电路见图5。

图5 采样与控制原理框图。

4）信号调理单元主要包括隔离放大电路，其中隔离放大电路包括输入端B1、B2 和B3，转换电容C1 和C2，微电子数字单刀双掷开关KC11、KC12、KC21 和KC22，选通信号GL，微电子数字开关的控制信号D0、可编程增益放大电路等；可编程增益放大电路包括精密集成运算放大器U2，可编程电阻网络U3，增益测量电路U4，其中可编程电阻网络U3 由数字电位器SD1，SD2 和SD3 所组成，增益测量电路U4 包括数字开关K1、K2,标准电压Vb，数字开关的控制信号D1。

信号调理单元原理框图如图6所示。

图6 信号调理单元原理框图。

5）隔离放大电路信号由B1、B2 和B3 端输入，与转换电容C1 和C2 并联，微电子数字单刀双掷开关KC11、KC12、KC21 和KC22，在选通信号GL和微电子数字开关的控制信号D0 的控制下，先将微电子数字单刀双掷开关KC11、KC12、KC21 和KC22，投入左边接收输入信号，并存在转换电容C1 和C2 上，再将微电子数字单刀双掷开关KC11、KC12、KC21 和KC22 投入右边，将电容C1 和C2上输入信号，再转给放大电路放大，如图7所示。

图7 信号调理单元的隔离放大原理图。

这样实现了高可靠隔离和可变增益精确放大。

6）一种静止无功发生器的容量扩展方法[8]

在DSP 系统控制器控制下驱动相应的光纤驱动分配器，光纤驱动分配器发出光纤触发信号，光纤触发信号触发功率柜的各功率单元，各功率单元按次序驱动A、B、C 三相功率单元；1+N个功率柜通过切换柜的1+N个接触器与电网相连接，1 个DSP 系统控制器通过1+N个光纤驱动器分配到1+N个功率柜。

2 实施例

本实施例以两个功率柜为例，如图8至图11所示，功率柜一2和功率柜二7为由模块式功率单元组成的集成结构，功率柜上设有风机一1、风机二8，功率柜一2、功率柜二7 的门上分别设有进风口一6、进风口二9。在功率柜一2 和功率柜二7 之间安装切换柜5 和控制柜3，功率柜一2、功率柜二7 与切换柜5 通过铜排相连接，功率柜一2、功率柜二7 与控制柜3 通过光纤相连接；设置在切换柜5 的光纤分配驱动控制系统4 通过DPS 系统控制器控制光纤驱动分配器一、光纤驱动分配器二，每个光纤驱动分配器与相应的功率柜的功率单元相连接，从而实现功率扩容。方案如下：

2.1 双功率单元柜布置方案1

图8 SVG 1+1 双功率单元柜结构外形图1

图9 SVG 1+1 双功率单元柜结构外形图2

2.2 双功率单元柜布置方案2

图10 SVG 1+1 双功率单元柜结构外形图3

图11 SVG 1+1 双功率单元柜结构外形图4

方案2 切换柜5 和控制柜3 在中间的方式与方案1 图4、图5所示的切换柜5 和控制柜3 在一侧的方式相比节省了连线的用量，配置更加合理。

因此与国内现有技术相比，它的显著特点是：①通过一套控制系统的一个DSP 系统控制器光纤驱动若干个功率柜，对相同的功率单元通过增加光纤进行扩容。在功率单元柜的基础上，实现SVG 容量扩展；②不需要一次新的系统结构（箱体和散热系统）设计，可节省设计工作量；③不需新开大量模具，节省工时和资金；④不需要重新试制和试验；⑤容量扩展不需要增加生产用件和备件种类；⑥生产、运输、安装、调试、维修方便；⑦缩短了生产时间和供货期，降低了成本，增加了市场竟争力；⑧SVG 容量扩展后，现场安装方便、灵活、占地小。

3 结论

一种静止无功发生器（SVG）的容量扩展方法和装置的创新开发，是国家“十二五”科技支撑辽宁省重大科技示范项目，多个功率柜单元并列结构设计是目前国内同容量体积小、技术领先的创新技术。设计过程中，攻克了十几个关键技术，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]。

[1] 燕福龙.电力系统电压和无功功率自动控制[M].北京:中国水利水电出版社,2013.5.

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[6] 李旷,丁雅丽.一种基于全控型变流器件ΙEGT 的大容量H 桥功率单元[P].中国:201020128033.1,2011.04.06.

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