高功率密度模塊式靜止無功發生器SVG

呂衍國 郭培圇 潘勝玉 鄭建新 張慶舟

（1.高新技術創業中心，遼寧 鞍山 114051； 2.遼寧意思德電氣有限公司，遼寧 鞍山 114051；3.鞍鋼股份鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口 115007）

定制電力也被稱為定質電力，它是針對信息電力時代產生的復雜的電能質量需求問題，應用現代電力電子技術和控制技術來實現電能質量的控制和改善，為電力用戶提供電能質量特定需求的電力供應技術[1-2]。

實現定質電力的前提是電力電子技術發展的水平，尤其是晶閘管器件的先進性、穩定性和可靠性，以及經濟實用性水平。現代社會的發展對提高供電可靠性、改善電能質量提出了越來越高的要求[3]。在現代企業中，由于變頻調速驅動器、微電子技術控制的自動化生產線、半導體芯片制造、計算機信息系統等等日益廣泛應用，對電能質量的控制也提出了越來越高的要求。這些設備對電源的波動和各種干擾十分敏感，任何供電質量問題的影響和惡化都有可能引起產品質量的下降，儀器設備的損壞，甚至給企業造成重大的經濟損失。因此，根據現代社會發展的實際需求和企業的實際需要，便產生了以電力電子技術和現代控制技術為基礎的定制電力技術（Custom Power Technology）。

定制電力是現代電力電子技術及相關的檢測和控制技術在配電領域的應用，其運行的可靠性、不斷降低的成本和均衡其應用帶來的效益是實現定制電力的基礎。為提高配電系統無功調節的質量，目前已開發并應用于配電系統且投入運行的系統設備靜止無功發生器SVG，是定制電力的關鍵設備之一[4]。它主要由變壓器、連接電抗器和 IGBT變換電路、控制柜組成，主要功能是快速調節電壓，發生和吸收電網的無功功率，同時也可以抑制電網諧波、電壓閃變等等。SVG并聯于電網中，相當于一個可變的無功電流源，其無功電流可以快速地跟蹤負荷無功電流的變化而變化，自動快速補償系統所需無功功率，提高功率因數，大幅提高電力系統中有功輸送能力，實現平穩的電壓控制，提高電能質量，節能效果顯著。

由于近年來，高壓大容量半導體功率器件的快速發展，微電子器件集成度的擴大，微電腦和軟件的升級，隨之也開發出了現代的高壓大容量的新型無功補償置。鑒于目前，國內外對于高壓大容量SVG功率柜結構的現狀，筆者總結了SVG功率柜結構缺陷，大膽地提出結構單元設計改造，設計出高功率密度模塊式靜止無功發生器SVG，可廣泛應用于現代電力、冶金、機械、礦山、港口、化工、電氣化鐵路、建筑等各個領域。

1 系統設計方案

1.1 系統原理

靜止無功發生器（SVG）是目前國際上最先進的第三代無功補償產品，是基于電壓源型變流器無功補償裝置的基礎上，實現了無功補償創新改革質的飛躍。SVG不再采用大容量的電容、電感器件，而是通過大功率電力電子器件的高頻開關實現無功能量的變換，與傳統高壓動態無功補償裝置（SVC）相比，SVG在響應速度、穩定電網電壓、降低系統損耗、增加傳輸能力、提高瞬變電壓極限、降低諧波和減小占地面積等諸多方面具有更加優越的性能和優勢，在世界范圍內已成為 SVC的升級產品。

1）靜止無功補償器（SVG）基本原理及構成

SVG利用全控大功率電力電子器件（如IGBT、IEGT）組成自換相橋式電路，經過電抗器并聯在電網上，適當地調節橋式電路交流側輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側電流，就可以使該電路吸收或者發出滿足要求的無功電流，實現動態無功補償的目的。

SVG系統原理如圖1所示。

圖1 SVG系統原理圖

2）產品關鍵技術

目前國內外廠商生產的SVG功率柜，普遍存在著線路連接復雜，進出線電纜并接根數多，內部元器件更換、維護困難，功率柜體積較大，容量不易擴展，生產成本高等諸多缺陷。本產品研究的重點和創新點在于開發一種結構緊湊、功率柜體單元之間連接線方便、容量便于擴展的基于高功率密度模塊化的靜止無功發生器功率柜，以解決國內、外現有 SVG產品的上述問題。具體研發的關鍵技術如下。

（1）功率單元全模塊化標準結構設計技術

該技術效果不僅在于運行方便，縮小整機體積，更重要的是取消了傳統連接線，大大減少了元器件之間的連接接觸點，降低了元器件的故障率，從而提高了整機系統的可靠性。

設計開發的功率單元包括IGBT模塊、驅動板、電力電容器模塊、阻容吸收電路以及專用鋁型材散熱器等。電力電容器為功率單元直流側提供直流電壓，驅動板接收主控單元發送來的IGBT驅動信號，加入死區時間后控制 IGBT的開通與關斷，從而產生預期的補償電流。

制板主要完成了功率單元直流電壓轉換、電壓、電流采樣、故障保護以及通信功能。功率單元原理如圖2所示，功率系統主接線如圖3所示。

功率單元模塊結構按八個 IGBT功率件，組成兩個H橋結構封裝布置設計[5-7]，IGBT功率件連線采用復合母排連接，IGBT功率件散熱器采用同體積重量輕、熱阻小的優化設計，模塊插拔采用上下雙軌滑道技術設計。

模塊化功率柜設計方案如圖4—9所示。

圖4中：框架結構分三層，上層為A相功率單元，中、下層分別為B、C兩相功率單元。

圖2 雙H橋功率單元原理接線圖

圖3 功率系統主接線圖

圖4 模塊化功率柜內部框架結構圖

圖5 模塊化功率柜抽屜式功率單元和電容單元結構圖

圖6 柜體外部設計圖

圖7 抽屜式功率單元結構設計圖

圖8 抽屜式電容結構設計圖

圖9 抽屜式功率單元與電容單元插接的設計圖

1.2 創新點

（1）先進的模塊化抽屜式功率系統設計

模塊化抽屜式雙H橋功率單元與電容抽屜式單元對插接結構，將單元抽屜外框也做為導電體使用，使單元結構更加緊湊合理無導線連接，實現柜體結構全模塊化，可預先制作，適合標準化批量生產；對插接夾緊結構彈簧片采用18對耐高溫合金斜插V形彈簧片，當電應力越大插接夾緊彈簧片把插接母排夾的越緊，即線接觸結構的專利技術。

（2）高功率密度的模塊式SVG功率柜

高功率密度，是指整個功率單元柜全抽屜式結構，對高壓大容量電力電子器件結構的一次重大創新，高功率密度功率柜體積小是傳統同容量SVG體積占地面積的48%。

（3）整柜中連線均采用復合母排連接，復合母排薄膜采用美國勝達公司產品，薄膜柔軟厚度均勻，絕緣耐壓水平高，雜散電感低，可保證 IGBT絕對安全，整柜中無軟導線連接，復合母排走線標準平整占空間小，便于預生產、維護、容量。擴展和新型號產品的研制。

（4）功率單元雙 H橋設計，可串可并的高壓低耗鏈式結構，功率單元最大電流可達700A。

（5）設計方案可實現功率等級和電壓等級全系列優化組合。

（6）功率部分：SVG的核心主電路，用以實現功率變換。模塊化設計，功率單元的結構和電氣性能完全一致，可以互換。

（7）其產品規格可實現直掛6.3kV、10.5kV、27.5kV、37.5kV供電母線，37.5kV電壓等級容量最大可達±20Mvar。冷卻方式采用智能風冷控制。

1.3 實際應用與效果

1）高功率密度功率模塊單元的應用

國內率先將高功率密度功率模塊單元技術成功應用于SVG裝置，填補了國內、外空白。采用高功率密度功率模塊單元技術后的 SVG裝置抗干擾性和運行可靠性比前分體式提高70%以上。且占地面積小，結構緊湊，電氣絕緣水平高。

2）SVG電壓目前國內最高

本功率模塊單元實現了在 35kV供電母線上直掛式SVG裝置，這是目前國內用于電壓等級最高的SVG裝置，為66kV變電站應用SVG裝置是一項重大突破。

3）全數字N+1功率模塊單元熱備用

采用全數字N+1功率模塊單元熱備用增強了系統的穩定性和可靠性，也為系統的整體正常運行提供了可靠的保證，降低了事故率。

總之，35kV直掛式SVG裝置經過技術方案論證、理論分析、系統仿真設計、關鍵技術研發、產品研制和現場試驗和運行，驗證了采用全數字N+1高功率模塊單元技術的35kV直掛SVG裝置運行穩定可靠，響應速度快，提高了鞍鋼鲅魚圈煉鋼變66kV母線供電質量，并具有冗余熱備功能，大大降低了由于故障導致系統停運的可能性，對增加鞍鋼鲅魚圈煉鋼變 66kV母線電壓起到支撐作用，推動了SVG整套裝置模塊化結構設計。

4）效果

綜上所述，采用高功率密度功率模塊單元技術的35kV直掛SVG是最新型接網方式，具有響應速度快、可實現連續無功功率控制、控制靈活（可進行單相和三相控制）、裝置的損耗小、減少占地面積、光控直掛35kV母線SVG主要設備噪聲低等特點，而且直掛35kV母線回路簡單，提高系統運行可靠性。

（1）綜合運用全數字N+1高功率模塊單元控制系統、自動控制理論和計算機技術，對設備功能和可靠性進行全面的整體設計。

（2）自診斷和自恢復功能，整套設備控制器開機后自動檢查硬件電路。并作定值校驗軟件失控后，自行復位，重新起動運行。

（3）整套裝置均按模塊結構設計，安裝、維護、系統擴展極其方便。實現了變電站電壓無功自動控制的功能，保證供電系統電壓和功率因數合格，實現無功就地平衡，同時還實現變電站實時數據監控等功能。產品結構先進，性能優越，具有廣闊的應用前景。

2 結論

高功率密度模塊式靜止無功發生器 SVG功率柜單元結構開發，是國家“十二五”科技支撐遼寧省重大科技示范項目，功率柜單元結構設計是目前國內同容量體積小、技術領先的動態無功補償裝置。研制過程中，攻克了上百個關鍵技術，工程用較短的時間順利完成。這一工程的成功，為我國高壓大容量無功補償裝置的發展開辟了新路，也為我國高壓大容量電力電子裝備的研發提供了寶貴經驗[8]。

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