链式SVG在冶金类电力负荷中的应用.pdf

2 0 1 0年 6月 第 3 9卷第 3期 总第 2 2 2期 云南冶金 YUNNAN MET ALL URGY J u n ．2 01 0 V o 1 ． 3 9 ．N o ． 3 S u m2 2 2 链式 S V G在 冶金类 电力负荷 中的应用 邱文涛 昆明冶研新材料股份有限公司 ，云南 昆明6 5 0 0 9 3 摘要 介绍了链式 S V G的基本原理 、性能特点 。并与其他无功补偿装 置进行 了比较。在此基础上 。重点以 静止无功发生器 S t a t i c V a r G e n e r a t o r ，S V G在某冶金企业 的应用为例 ，介绍了 S V G的功能和在治理电能质量方 面的综合补偿效果。 关键词 静止同步补偿器 S T A T C O M；静止无功发生器 S V G；无功补偿 ；电能质量 中图分类号 T M 7 1 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 6 - 0 3 0 8 2 0 1 0 0 3 - 0 0 7 0 -06 Ap p l i c a t i o n o f Ch a i n S VG i n M e t a l l ur g i c a l I n du s t r y’ S El e c t r i c a l Lo a d Q I U We n - t a o K u n m i n g Y e y a n N e w- Ma t e r i a l C o ． ，L t d ． ，K u n m i n g ，Y u n n a n 6 5 0 0 3 1 ，C h i n a AB S TRACTT h e b a s i c p ri n c i p l e s a n d p e r f o r ma n c e f e a t u r e s o f t h e S t a t i c S y n c h r o n o u s C o m p e n s a t o r S T A T C O M a n o t h e r n a m e i s t h e S t a t i c V a r G e n e r a t o r S V G w e r e i n t r o d u c e d ， a n d c o m p a r i s o n b e t w e e n S V G a n d o t h e r r e a c t i v e p o w e r c o mp e n s a t i o n d e v ic e s W as c a r ． r ie d o u t ． Ba s e d o n t h a t ， t a k i n g t h e a p p l i c a t i o n o f S VG i n a me t a ll u r g i c a l e n t e r p ris e f o r a n e x a mp l e ， t h e S VG ’ S f u n c t io n s a n d i t s c o mp r e h e n s i v e c o mp e n s a t i o n e f f e c t i n g o v e rn i n g e l e c t ri c a l e n e r g y q u a l i t y we r e p r e s e n t e d ． KEY WORDSS ta t i c S y n c h r o n o u s C o m p e n s a t o r S T A T C O M ；S t a t i c Va r G e n e r a t o r S V G ；r e a c t i v e p o w e r c o m pen s a t i o n ；e ． 1 e e tr i e al e n e r gy q u a l i t y 1 链式 S V G基本原理和性能 链式静止 同步补偿器 s t a t i c s y n c h r o n o u s C O B p e n s a t o r ，简称 S T A T C O M，又称 S t a t i c V a r G e n e r a ． t o r ，简称 S V G采用链式换流器 ，图 1所示为链 式换流器 的一相桥臂主电路结构。链式换流器的基 本单元是单相桥逆变单元，逆变单元主要包括直流 电容器组和 4个开关器件及其反并联二极管。各逆 变单元的交流输出侧级联起来得到此相桥臂的总输 出电压。各逆变单元的直流侧是悬浮且相互隔离 的。图中 Ⅳ表示一相桥臂所级联 的单相桥单元 的 个数。 链式 S V G与其它结构的 S V G相 比，链式 S V G 具有 以下优点 7 0 收藕 日期 2 0 1 0 - -0 4 - 1 9 作者简介 邱文涛 1 9 7 2 一 ，男 ，云南宜 良人 ，电气工程师 。 1 链式 S V G可以独立分相控制 ，有利于解决 系统的相问平衡问题 ，在系统受到扰动时 ，更好地 提供电压支撑 ； 2 所有链节的结构完全相 同，可 以实现模块 化设计 ，便于扩展装置容量及维护 ； 3 每相电路中可设置 1～2个 冗余链节 ，提 高了装置的可靠性 ； 4 省去 了连接变压器 ，减小 了占地 面积 不 到 S V C的一半 ，降低了装置成本和损耗 ，效率可 达 9 9 ．2 ％及以上； 5 由于无大型变压器及电抗器 ，可制造成移 动式设备 ，大大提高设备的使用率； 6 和变压器多重化 S V G相 比，链式 S V G的 性价比更高 ，但技术难度更大 ，其关键技术包括 邱文涛链 式 S VG在冶金类电力负荷 中的应用 ①主电路 结构 方 式 Y型 结 构或 者 △型 结 构 、参数设计及绝缘设计 ； 图 1 链式 S V G的一相桥臂 示意 图 Fi g ．1 S c h e ma t i c d i a g r a m o f c h a i n SVG’ S s i n g l e -p ha s e b r i d g e a r l Y l ②P wM 控制策 略，需考 虑谐波 消除 、损耗 、 直流电压平衡控制、冗余控制及系统 电压不平衡时 的控制； ③直流电压平衡控制 ； ④系统电压不平衡故障时的控制 ； ⑤功率 回路等效试验方 法及 控制器等效试验 方 法 。 国内通过校企之间的合作 ，在控制模式和产成 品的制造工艺上成功地解决了这些技术难题 ，研制 出了 3～ 3 5 k V系列链式 S V G可应用产品。 图2国内某 电气 电子有限公司的 1 0 k V ／ S M V A链式 S V G装置外观 F i g ． 2 Ap p e a r a n c e o f 1 0 k V ／ 8 MV A c h a i n S VG i n a d o me s t i c El e c t r i c a l＆ El e c t r o n i c s Co mp a n y S V G装置为用户提供 了3种运行方式 恒无功 控制、恒 电压稳定控制和负荷补偿控制 ，具体说明 如表 1 所示。 表 1 S V G运行方式说 明 Ta b ．1 S VG’ S o p e r a t i on mo d e de s c r i p t i o n 运行方式 说明 该方式用 于控制 装置输 出恒定 大小 的无 功 ，通过 这 恒无 功 种方式 可以测量装 置跟踪无 功的 准确性 和阶跃 响应 速度 。 该方式用于控制 系统 的电压稳定 在一定 目标值 ，装 置 以系统 的电压稳定 在用 户设定 电压值 为 目标 ，调 节装置 的无功输 出。当系统 电压低 于用户设 定 的电 恒 电压 压参考时 ，装置输 出容性无 功 以提升系 统电压 ；当 系统电压高于该值 时 ，装置输 出感性 无功 以降低系 统 电压。 当系统 电压 值或变 化率超 限时 ，装 置满容 量输出容性无功以迅速支撑系统 电压 。 该方式用于实时跟踪 负荷 的无功变 化 ，目标是 系统 偿 蓍 萎 詈 统侧的电能质量 。 2 链式 S V G与 S V C的 比较 无功补偿装置 的发展 主要经过以下 3个阶段 机械式开关投切电容器、晶闸管控制的静止无功补 偿器 S V C 及基于电压源逆变器 的 S V G装置。 机械式开关投切 电容器或电抗器为固定补偿 ， 它不是动态补偿装置 ，需要与其它静止补偿设备配 合使用。 晶闸管 控制 的补 偿设 备 即静 止 无 功补 偿 器 S V C ，包括晶闸管控制电抗 器 T C R和晶闸管投 切电容器 T S C，它们都属于动态补偿装置 ，其技术 已经发展的较为成熟了，应用也非常广泛 ，但它也 存在一些无法克服的缺点 1 自身产生较大谐波 ，需与无源滤波器配合 使用 ，装置 占地面积大 ； 2 T C R只提供感性无功 ，容性无功一般采用 固定电容器组提供。为了保持尽可能大的动态无功 储备 ，在没有 T S C配合 的情况下 ，T C R需连续运 行在 额定 工况 ，导致其 运行 损耗 大 、耗 电量大 ，运 行经济性差 ； 3 装置响应 速度慢 ，需要 2～3个周期 ，对 快速的冲击负荷补偿效果较差； 4 大量使用交流 电容 器和电抗器 ，因谐振过 电压引起的交流电容器故障率高。 链式 S V G具有 比 S V C高 的性价比，以思源清 71 2 0 1 0年 6月 第 3 9卷第 3期 总第 2 2 2期 云南冶金 YUNNAN ME TAL LURGY J u n ．2 01 0 V o 1 ． 3 9 ．N o ． 3 S u m 2 2 2 能电气 电子有限公 司研制出的 3 k V一3 5 k V系列链 式 S V G装置 简称为 Q N S V G为例 ，它和固定 电 容器或滤波器组成不 同补偿容量范围的动态无功补 偿与谐波滤波装置 ，其主要性能表现在 1 启动冲击小 Q N S V G部分采用 自励方式起动 ，启动快速且 冲击电流限制在很小 的幅值 ； 2 任意组合的连续补偿范 围 Q N S V G可以从额定感性工况 到额定容性工况 连续输出无功 ，和固定电容器组合可构成任意范围 的连续补偿 ； 3 动态响应速度快 Q N S V G具有 1 0 ms 以内的快速输 出无功特性 ， 因而对快速的冲击负荷具有更好 的补偿效果 ，对闪 变有更好 的抑制效果 。对 于 8 0 ％的补偿 容量 ，响 应时间从 2 0 m s 减小到 1 0 ms ，可 以把闪变 的改善 率由 1 7 ％提高到 5 0 ％。而传统的 S V C响应 时间一 般在 4 0～ 6 0 m s 太快可能引起 电抗和电容器产生 振荡 。 4 优异的谐波输 出特性 Q N S V G既 可 以输 出近 似正 弦 波 的无 功 电流 不含谐波，用于 电网补偿 ，也可 以输 出设定次 数的谐波 电流 用 于负荷谐波滤波 ，即 Q N S V G 输出电流是完全有源可控 的，完 全满足用户 的需 要 ；而 S V C产生大量不可控的谐波电流，又附带 大量不可控的无源滤波支路来实现 自身产生的谐波 电流的滤波。 5 占地面积小 7 2 十l 0 0 M v a r - 1 O 0 M v a r 谐波滤波器T C R Q N S V G以半导体功率器件构成的逆变器 为核 心 ，使用直流 电容器储能，无 S V C中体积庞大 的 滤波支路和电抗器 ，安装尺寸一般只有 S V C的 1 ／ 5 ～ 1 ／ 3 ，特别适合于对 占地 面积要求 较高的场合。 Q N S V G可做成移动式装置。 6 高效率 Q N S V G采用新型低损耗 I G B T功率器件 ，直接 输出电压范围 1～ 3 5 k V，省去了连接变压器，装置 效率 可达 9 9 ％ 以上 ；而 由于损 耗 曲线 特 性优 于 S V C S V C空载时损耗达到最大 ，Q N S V G的等效 运行损耗一般只有 S V C的 1 ／ 3～1 ／ 2 ，等效运行耗 电量大大低于 S V C 。 图 3给出了 0～1 0 0 M v a r 容性动态无功补偿设 备 S V C和混合链式 S V G的典 型构成图，图 4给 出 了其典型损耗曲线 。从图中可看 出，0～1 0 0 Mv a r 容性 S V C装置由 1 0 0 Mv a r固定容性滤波器和 0 1 0 0 Mv a r感 性 T C R 构 成 ，其 输 出 零 无 功 时 1 0 0 M v a r 的电抗器需全部投人 ，使其损耗达到最大 一般大 于 1 ％ 。而 0～1 0 0 Mv a r 容 性混合 链式 S V G由 5 0 M v a r固定电容器和 5 0 Mv a r 链式 S V G 组成 ，由于 5 0 Mv a r链式 S V G在输 出 一5 0 Mv a r 和 5 0 M v a r 无功时损耗最大 最大达 5 0 Mv a r的 0 ． 6 5 ％ ，因此混合后输 出零无功时 ，总损耗小于 0 ． 3 ％ ，而输 出 5 0 Mv a r 无功时损耗接近零。由于 动态无功补偿设备绝大多数时间运行在 05 0 ％无 功输 出，因此 0～ 1 0 0 M v a r 容性混合链式 S V G等效 运行耗电量将远小于 0～1 0 0 M v a r 容性 S V C 。 S COM a 典型 0～1 0 0 Mv a r S V C b 典型 0 1 0 0 Mv a r 混合链式 S V G 图 3 典型 0 1 0 0 Mv a r容性动态 无功补偿设备 Fi g ． 3 T y pi c a l 01 0 0 Mv a r c a pa c i t i v e d y n a mi c r e a c t i v e p o we r c o mpe ns a t i o n e q ui p me nt 邱文涛链式 S V G在冶金类电力 负荷 中的应用 、 ＼ 攥 ＼ ＼ ＼ l 典 型 。～1 输 0 0 出 Mv 电 ar 流 S V p C ． 曲线 0 输出电 0流 ． 5 p - u ． 0 典型 。～ 损耗 曲线 b 典 型 0 ～ 客 s v G 损 耗 曲 线 图 4 典型 01 0 0 Mv a r容性 动态 无功 补偿设备损耗 曲线 Fi g ． 4 L os s c ur v e o f t y pi c a l 01 0 0 Mv a r c a p a c i t i v e d y n a mi c r e a c t i v e p o we r c o mp e ns a t i o n e q ui pme n t 7 超强补偿能力 Q N S V G输出电流不依赖 于系统 电压 ，表现为 恒流源特性 ，在 系统 电压跌 落到 2 0 ％时仍可 以输 出额定无功 电流，具有更宽 的运行范 围；而 S V C 系统 电压 输出电流与系统电压成正 比下降，使得达到同等补 偿效 果 Q N S V G容 量 可 以 比 S V C容 量 小 2 0 ％ 一 3 0 ％。通过与固定 电容器组配合的综合控制，可以 更好地满足系统和负荷的补偿范围要求。 对某一容量异步 电动机起动 的补偿 S V C需要 2 6 0 Mv a r ，S V G只需要 2 0 0 Mv a r 图 5 Q N S V G与 S V C的补偿能 力比较 F i g ． 5 C o m p a r i s o n o f c o m p e n s a t i o n a b i l i t y b e t w e e n Q N S V G a n d S V G 8 高可靠性 Q N S V G采用 Ⅳ1 或 Ⅳ2冗余主电路拓扑结 构 ，一个 或两个 链节单元 损坏后仍 可继续满 负荷运行；在系统短路故 障条件 下，Q N S V G可连 续稳定运行 ，而 S V C因可控硅触发 问题可能发生 闭锁推 出运行 ；S V C使 用 了大量 电容 器 电抗器 ， 当外部 系统 容量与补偿 装置 的容量可 比时 ，S V C 会产生不稳定性 而发生振荡 ，而 S V G对外部系统 运行条件 和结构变化 不敏感。S V G还避免 了功率 器件的直接串联。 9 多种补偿功能 ①抑制 电力系统过电压，改善 系统 电压稳 定 性 。 ②应用于缺乏电源支撑的大型负荷 中心 ，可加 强负荷 中心的受 电能力 ，提高其电压稳定性 ，防止 大规模甩负荷和电网电压崩溃事故的发生。 ③动态地维持输电线路端电压 ，提高输电线路 稳态传输功率极 限，满足长距离大容量输电需要 ， 在一定程度上实现资源的优化配置。 7 3 2 0 1 0年 6月 第 3 9卷第 3期 总第 2 2 2期 云南冶金 YUNNAN ME TAL L URGY J u n ．2 01 0 V o 1 ． 3 9 ．N o ． 3 S u m 2 2 2 4 0 0 0 2 0 0 0 O ．2 0 0 0 3 链式 S V G在冶金 中的应用案例 昆明某公司冶炼工程供电系统共有 3条 1 0 k V 母线。以 3号母线为例 ，负荷功率因数未补偿前约 为 0 ． 8 6 ，无功缺 额 约为 1 0 ． 2 M v a r 。综 合考 虑 负 荷的特 性 、 补偿要 求 以及 经济性 等 因素 ， 决 定 采 7 4 图 7 混合式 S V G补偿方案 F i g ． 7 Mi x e d s t y l e S VG’ S c o mp e n s a t i o n s c h e me 用 1 0 k V母线分段集中式治理 的方法 ，3号母线治 理方案如 图 7所示 ，采用混合式 S V G结构 ，S V G 容量为 4 M，配合 4组无源滤波器 F C，每组 F C 无功补偿容量为 2 Mv a r 。 F c采用分组投切 的方式 ，根据所需无 功由控 制器控制投切 ；S V G则 负责动态无 功的调节 ，当 系统电压发生 瞬变 的时候快 速投人 ，稳定 系统 电 压 ；另外 ，S V G还负责 电容器组投切 过程 中的无 功平滑的作用 。除无 功补偿 的功能之外 S V G还将 对谐波电流进行治理。 S V G和 F c配合的逻辑如图 8所示。具体的 F C 投切控制中还需考虑 F C投人次数、投入时问间隔 等的限制 ，在此不赘述。 图 8 S V G和 F C配合控 制逻辑 F i g ．8 Mi x e d c o nt r o l l o g i c o f S VG a n d F C S V G响应很快 ，图 9所示为 Q N S V G输出无功 阶跃响应时间的测试结果。设定装置为恒无功控制 模式 ，设置 输 出无 功 为定 值 ，使 装 置输 出从 1 Mv a r ～ 一1 Mv a r ，和输 出从 一1 Mv a r ～1 Mv a r 变 化 ，测得装置响应时间小于 5 ms 。S V G快速 的响 应 ，与 F c配合的情况下可以使得补偿无功平稳变 化 ，不会使系统母线上出现无功跳跃以及无功过补 偿等现象。 除动态无功补偿功能外 ，S V G还可 以对谐波 进行治理 ，如 图 1 0所示 。图中 C h l为系统 电流 ， C h 2为 S V G补偿 电流 ，M a t h为 系统 电流频 谱分 析。从 图 1 0 a 可 以看到 ，系统电流 中含大量 的 5 、7 、1 1和 1 3次谐波 ，幅值甚至超过了基波。 如图 1 0 b 所 示 ，在 S V G对 谐波 进行 治 理之 后 ，系统电流 中 5 、7 、1 1和 1 3次谐波得 到了很 好的抑制。 O ％ O 6 懵h 压 电 相 ∞A 2 ， 路 短 相 器 发 统 系 O 2 O 邱文涛链式 S VG在冶金类 电力 负荷 中的应用 a 1 0 0 0 k v a r ～一1 0 0 0 k v a r 无功调节响应 b 一1 0 0 0 k v a r ～1 0 0 0 k v a r 无功调节响应 图 9 S V G阶跃响应试 验电流波形 Fi g ． 9 Cur r e nt wa v e f o r m o f S VG ’ S s t e p r e s p on s e t e s t 黼 习窳 v 砸 ] 4 结语 a 未进行谐波补偿 数学[ 匝 二二疆 砸 ] 目 卜 v匮砸觋 ] 图 1 0 S V G谐波补偿 波形 Fi g ．1 0 SVG’ s ha r mo n i c c o mpe n s a t i o n wa v e f o rm 和 S V C及变压器多重化 S V G相 比，链式 S V G 具有响应速度快、占地面积小、损耗小、运行耗电 小、补偿能力强 、可以实现谐波补偿等优点。和无 源补偿设备 F c配合可 以使得无功补偿连续、平稳 无跳跃、无过补 ，兼顾 了补偿效果和经济性 。另外 S V G还可以对谐 波进行治理 ，抑制系统和无 源 F C 之间可能 出现的振荡 ，是无功补偿的理想选择。 b 进 行谐波补偿 参考文献 [ 1 ]谢水荣 ，姜齐荣．柔 性交 流输 电系统的原 理与应用 [ M] ．北 京 清华大学出版社 ，2 0 0 6 ． [ 2 ]张立 平 ．城 市 电 网谐 波 手 册 【 M] ．北 京 中 国 电 力 出 版 社 。2 0 0 3 ． [ 3 ]林海雪．电压电流频率和电能质量国家标准应用手册 [ M] ．北 京 中国电力出版社 。2 0 0 1 ． 7 5