TSVG智能功率模塊在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用

史 奔 彭國平

（特變電工西安柔性輸配電有限公司，西安 710019）

無功補(bǔ)償裝置作為電力系統(tǒng)中的必要設(shè)備，從產(chǎn)品發(fā)展來看，先后經(jīng)歷了調(diào)相機(jī)、固定補(bǔ)償電容器、SVC、SVG 等階段。相比與其他無功補(bǔ)償裝置，靜止無功發(fā)生器（SVG）在響應(yīng)速度、濾波特性、運(yùn)行損耗和占地面積等方面具備明顯的優(yōu)勢(shì)。由于新能源發(fā)電的隨機(jī)性和間歇性，對(duì)電力系統(tǒng)的有功無功會(huì)帶來影響，引起電壓的波動(dòng)及閃變。同時(shí)電力系統(tǒng)的低電壓故障又會(huì)影響逆變器的并網(wǎng)。SVG可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)無功大小，穩(wěn)定母線電壓，減小變流器的無功出力，提高新能源電站的穩(wěn)定性。因此近年來SVG 在新能源發(fā)電領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

伴隨SVG 在新能源領(lǐng)域的大量應(yīng)用，特別在西北大型地面光伏電站及風(fēng)電場，在惡劣的環(huán)境氣候條件下，SVG 裝置的故障率明顯增加，一般超過15%，由于SVG 故障停機(jī)導(dǎo)致的光伏及風(fēng)電場電能質(zhì)量問題也日益突出。 因此提高SVG 設(shè)備可靠性、降低設(shè)備故障率顯得尤為重要。

1 新能源領(lǐng)域SVG 裝置應(yīng)用分析

高壓SVG 裝置采用鏈?zhǔn)焦β释負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，根據(jù)接入電壓等級(jí)的不同，系統(tǒng)由若干個(gè)相同的功率模塊串聯(lián)組成，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)接入方式的不同分可為星型連接和角型連接兩種。

新能源領(lǐng)域，無功補(bǔ)償裝置一般采用站內(nèi)集中式補(bǔ)償為主，以大型地面光伏電站發(fā)電系統(tǒng)為例如圖2所示，SVG 裝置接入電壓為站內(nèi)匯集母線電壓：35kV。因此，直掛式星接SVG 若采用輸入電壓600V 等級(jí)的功率模塊，單相功率模塊需要42 級(jí)串聯(lián)，SVG 整機(jī)模塊數(shù)量為126 個(gè)。由于采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，整機(jī)中任何一個(gè)功率模塊故障都將引起SVG 裝置故障停機(jī)，因此SVG 整機(jī)故障率為功率模塊故障率的126 倍。

圖1 SVG 主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖2 光伏電站系統(tǒng)框圖

在新能源應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在大型地面光伏電站及風(fēng)電場，綜上分析，影響SVG 裝置在新能源領(lǐng)域可靠性，導(dǎo)致裝置故障率居高不下的主要原因?yàn)椋汗β誓K級(jí)聯(lián)數(shù)量多，在惡劣環(huán)境氣候條件下，功率模塊故障率升高，導(dǎo)致整機(jī)故障率大幅增加。

2 TSVG 解決方案

根據(jù)新能源領(lǐng)域SVG 裝置應(yīng)用環(huán)境惡劣等特點(diǎn)，針對(duì)不同電站不同無功補(bǔ)償容量需求，TSVG功率模塊提供系列化、智能化解決方案，以提高功率模塊及系統(tǒng)可靠性。具體解決方案如下：

1）TSVG 功率模塊采用智能互取電技術(shù)，提高模塊運(yùn)行可靠性

該方案原理框圖如圖3所示，在模塊內(nèi)部增加了一路直流母線取電DC/DC 電源，給相鄰模塊控制、驅(qū)動(dòng)電路供電。在模塊內(nèi)部電源出現(xiàn)故障的情況下，模塊供電可自動(dòng)切換由相鄰模塊內(nèi)DC/DC 電源供電，同時(shí)將該狀態(tài)信息反饋給控制電路，控制電路通過光纖隔離將該狀態(tài)信息上傳至主控，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、智能模塊供電功能。該方案具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等特點(diǎn)，方案的實(shí)施可很好的解決傳統(tǒng)SVG 功率模塊內(nèi)部供電電源故障導(dǎo)致的設(shè)備故障停機(jī)問題。

圖3 SVG 主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2）小容量SVG 需求，采用降壓式接入方案，減少模塊數(shù)量，降低整機(jī)故障率

針對(duì)光伏電站等小容量SVG 需求場合，一般小于10Mvar時(shí)，TSVG 推薦采用降壓式接入方案，該方案通過SVG+升壓變壓器拓?fù)洌瑢VG 本體接入點(diǎn)電壓降至10～3kV，進(jìn)而可以減少模塊數(shù)量，進(jìn)一步提高整機(jī)可靠性，該方案拓?fù)鋱D如圖4所示。

圖4 降壓式接入拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

針對(duì)10Mvar 以下新能源領(lǐng)域SVG 需求，在平衡可靠性及成本的條件下，具體選型推薦見表1。

表1

3）模塊內(nèi)關(guān)鍵器件選用更高可靠性產(chǎn)品，采用模塊自加熱功能，提高功率模塊使用壽命

模塊內(nèi)核心功率變換器件：IGBT 模塊，選用國際一流供應(yīng)商德國英飛凌公司的最新一代IGBT 產(chǎn)品，通過損耗計(jì)算和系統(tǒng)級(jí)熱仿真分析，提高功率模塊運(yùn)行可靠性。通過分析現(xiàn)場環(huán)境條件及IGBT功率循環(huán)周次及熱循環(huán)周次，采用模塊低溫下自加熱功能，提高功率模塊使用壽命。

4）采用“N+1”或“N+2”冗余設(shè)計(jì)方案，通過智能、自動(dòng)旁路技術(shù)，提高整機(jī)運(yùn)行可靠性

依據(jù)不同的接入方式，TSVG 提供不同的模塊冗余設(shè)計(jì)方案：降壓式采用“N+1”冗余設(shè)計(jì)，直掛式采用“N+2”冗余設(shè)計(jì)。通過增加TSVG 自動(dòng)旁路模 塊，實(shí)現(xiàn)不停機(jī)情況下故障模塊自動(dòng)旁路功能。旁路模塊系統(tǒng)框圖如圖6所示，每個(gè)功率模塊交流側(cè)并聯(lián)一個(gè)旁路模塊，旁路模塊供電由相鄰功率模塊提供。

圖5 功率模塊熱仿真圖

圖6 自動(dòng)旁路系統(tǒng)框圖

功率模塊內(nèi)控制板對(duì)旁路模塊進(jìn)行自動(dòng)控制，其工作原理是：功率模塊檢測到故障后對(duì)旁路模塊發(fā)送閉合命令，旁路模塊收到閉合命令后短路該功率模塊交流輸入實(shí)現(xiàn)旁路該功率模塊的功能，同時(shí)旁路模塊將其狀態(tài)信息反饋給功率模塊控制板，功率模塊控制板將信息經(jīng)光纖隔離后上傳給主控制器，實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)不停機(jī)的狀態(tài)下，故障功率模塊的自動(dòng)、智能旁路控制功能。該旁路模塊具有成本低，控制靈活，可靠性高等特點(diǎn)。

3 實(shí)際應(yīng)用

以新疆某風(fēng)電場項(xiàng)目為例，該風(fēng)電場升壓站動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置選用型號(hào)為TSVG-10/35 型直掛式高壓SVG。該項(xiàng)目現(xiàn)場環(huán)境、氣象條件如下：

最高氣溫：+39.0℃

最低氣溫：-38.8℃

最大日溫差：≤25℃

日照強(qiáng)度：0.1W/cm2（風(fēng)速0.5m/s）

環(huán)境濕度：≥95%（25℃時(shí)）

海拔高度：940m

地震烈度：7 度

污穢種類和等級(jí)：≤Ⅳ級(jí)

泄漏比距：3.1cm/kV

最大積雪厚度：75cm

覆冰厚度：10mm

歷年平均雷暴日數(shù)：21.6 天/年

最多凍土深度：180cm

經(jīng)現(xiàn)場長期應(yīng)用檢驗(yàn)，在惡劣環(huán)境條件下TSVG 運(yùn)行表現(xiàn)良好，運(yùn)行可靠性比同類產(chǎn)品大大提高，SVG 裝置故障率可降低60%左右。

現(xiàn)場照片如圖7、圖8所示。

圖7

圖8

4 結(jié)論

在新能源應(yīng)用領(lǐng)域由于嚴(yán)酷的應(yīng)用環(huán)境條件，高壓SVG 裝置面對(duì)的主要問題是系統(tǒng)可靠性差、故障率過高。可靠性問題不解決將極大的限制高壓SVG 在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。而經(jīng)過大量現(xiàn)場應(yīng)用證明，TSVG 智能功率模塊的使用可極大的提高高壓鏈?zhǔn)絊VG 裝置的運(yùn)行可靠性，對(duì)推動(dòng)高壓鏈?zhǔn)絊VG 裝置在新能源領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)展和推廣具有積極促進(jìn)作用。