淺析安科瑞靜止無功發(fā)生器在某工業(yè)園區(qū)電能質(zhì)量配電網(wǎng)中的應(yīng)用

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：本文對SVG的諧波抑制、變壓器直流偏磁抑制等關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，滿足兩段母線分列、并列運行的要求，成功研發(fā)出套20kV配電網(wǎng)，集中-分布綜合補償靜止型無功發(fā)生器(SVG)。在通過RTDS仿真驗證了關(guān)鍵技術(shù)正確性的前提下，在工程現(xiàn)場進行調(diào)試投運，結(jié)果表明此SVG運行穩(wěn)定、滿足了工業(yè)園區(qū)高電能質(zhì)量的需求。

關(guān)鍵詞:無功調(diào)節(jié)；諧波電流抑制；非直掛式接入；直流偏磁

0引言

為適應(yīng)交直流混聯(lián)配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢，同時提高工業(yè)園區(qū)電能質(zhì)量，保證園區(qū)內(nèi)電壓穩(wěn)定、敏感負荷的正常運行。針對交直流混聯(lián)配電網(wǎng)的特殊應(yīng)用需求及工業(yè)園區(qū)的工況，我司對此工程應(yīng)用背景進行了詳細地分析。在此前提下，針對相關(guān)問題研究了靜止型無功發(fā)生器系統(tǒng)(staticvargenerator.SVG)在此工況下應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，在通過仿真驗證的前提下，于2018年1月19日在工業(yè)園區(qū)110kV星華變通過驗收，成功投運，成為國內(nèi)投運的首套20kV配電網(wǎng)集中-分布綜合補償SVG截至目前設(shè)備運行正常，提升了區(qū)域內(nèi)綜合電壓合格率，提高了電網(wǎng)側(cè)的電壓質(zhì)量，保障了敏感負荷的正常運行。

該項目中研發(fā)的配電網(wǎng)集中-分布綜合補償SVG接入2段20kV母線，并具備分列、并列運行兩種模式，額定容量10Mvar。針對母線中的5次諧波，開發(fā)了5次諧波電流抑制功能：針對變壓器直流偏磁問題，通過調(diào)整SVG輸出指今電壓對直流分量進行了抑制，從而保障了SVG的滿功率穩(wěn)定運行。

1應(yīng)用場景研究與分析

蘇州工業(yè)園區(qū)高電能質(zhì)量配電網(wǎng)應(yīng)用示范工程，以構(gòu)建高電能質(zhì)量配電網(wǎng)示范區(qū)為目標(biāo)，在對示范園區(qū)用戶電能質(zhì)量差異化需求分析和電能質(zhì)量等級劃分的基礎(chǔ)上，通過開展電能質(zhì)量補償設(shè)備配置、補償設(shè)備的協(xié)調(diào)控制，針對蘇州園區(qū)的電能質(zhì)量問題配置補償設(shè)備的方式來滿足用戶的高電能質(zhì)量需求。其中，兩套SVG設(shè)備建設(shè)在蘇虹路工業(yè)區(qū)110kV星華變電站20kVIM和IIIM上，調(diào)節(jié)無功功率和節(jié)點電壓。

SVG接入點電壓20kV，每套SVG額定容量為10Mvar，接線示意圖如圖1所示。

經(jīng)分析研究此應(yīng)用場合有以下3點情況：

1)由圖1可見，兩套SVG視開關(guān)QF狀態(tài)不同，將存在分列和并列運行兩種狀態(tài)。

2)分析20kV母線電壓背景，發(fā)現(xiàn)5次諧波較大(約4%)，超過20kV母線的諧波電壓要求(一般20kV母線諧波取10kV的國標(biāo)要求(3.2%))。20kV母線電壓諧波含量如圖2所示。

3)有可能出現(xiàn)直流分量導(dǎo)致變壓器偏磁。SVG并列運行策略主要由DFACTS協(xié)調(diào)控制平臺考慮，SVG本身配合其完成即可，此處不進行詳述。本文主要針對此應(yīng)用場合需求，結(jié)合主電路結(jié)構(gòu)，在實現(xiàn)無功調(diào)節(jié)基本功能的同時，通過算法解決諧波、直流分量引起變壓器偏磁等附加問題，以適應(yīng)本工程應(yīng)用環(huán)境。

2SVG主電路結(jié)構(gòu)

本工程中采用的20kV配電網(wǎng)集中-分布綜合補償靜止型無功發(fā)生器主要包含串聯(lián)變壓器、起動柜、功率柜、控制柜這幾部分，并通過通信與DFACTS平臺進行信息交互，接收DFACTS對SVG關(guān)于啟停、控制方式、控制目標(biāo)的遙控、遙調(diào)信號，上送系統(tǒng)電壓、電流、SVG電流、功率及狀態(tài)等遙測遙信量。結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3中，交流采集量分別為利用PT1采集的20kV母線電壓、利用CT1采集的20kV系統(tǒng)電流、利用霍爾采集的SVG電流。直流采集量為功率單元內(nèi)各電容直流電壓。

3SVG控制策略

SVG的控制策略包括兩部分:1)基波控制策略，主要實現(xiàn)SVG的基本功能，無功控制；2)適應(yīng)配電網(wǎng)應(yīng)用場景附加的控制功能，如諧波電流抑制、直流分量抑制等。

SVG控制框圖如圖4所示，包括基波控制、5次諧波電壓控制和直流電流控3大部分，在指令電壓處進行疊加后，經(jīng)PWM調(diào)制生成脈沖。

1)基波控制策略

SVG的主要功能為利用對SVG電流的基波控制來調(diào)節(jié)無功功率，SVG的基波控制主要包括外環(huán)和內(nèi)環(huán)，外環(huán)為直流電壓環(huán)和無功環(huán)(B視控制方式不同，可為固定無功功率、功率因數(shù)、20kV系統(tǒng)電壓、20kV處系統(tǒng)無功)，輸出電流定值的d、q分量，進電流內(nèi)環(huán)進行解翹控制，以獲得基波電壓指令

2)應(yīng)對諧波的控制策略

20kV母線電壓中5次諧波含量偏大，且其為110kV母線下負荷引起，SVG的有源濾波功能僅可抑制接入母線下負荷引起的諧波，即諧波電流，對輸電線中諧波電壓存在導(dǎo)致SVG接入點諧波電壓偏大沒有足夠的抑制能力。為不影響SVG工作狀態(tài)提高SVG基波控制容量，需要研究應(yīng)對諧波電壓的控制策略，使得SVG回路中5次諧波電流較小控制原理為SVG輸出5次諧波電壓，其幅值為20kV中5次諧波電壓的一半，相位差30°，從而使得SVG電流中不含5次諧波電流。其中，5次諧波經(jīng)坐標(biāo)變換為負序，坐標(biāo)變換時與正序方向相反。

3)應(yīng)對直流分量的控制策略

SVG采用SPWM橋式逆變結(jié)構(gòu)，在實際應(yīng)用中，由于各種因素的影響，輸出電壓脈沖列在基波周期內(nèi)正負伏秘值不相等，從而導(dǎo)致加在變壓器初級的電壓含有直流分量，造成直流偏磁問。為避免此種情況發(fā)生，在SVG中考慮加入直流分量抑制功能，即控制回路中的直流電流。

其控制策略如圖4所示，其中k根據(jù)直流分量大的相別判斷結(jié)果可為A、B、C相。在直流分量大的相，其值也很小的情況下，A、B、C三相的直流分量電壓指令均為0;某相直流分量較大需要控制，則此項直流電流控制輸出的指令電壓經(jīng)PI控制器產(chǎn)生，其他兩相指令為0。

4仿真驗證

為5次諧波電壓對抗、直流分量抑制功能，利用RTDS仿真平臺搭建了20kV配電網(wǎng)集中-分布綜合補償靜止型無功發(fā)生器接入系統(tǒng)的仿真模型，通過在110kV母線下加5次諧波源制造20kV諧波問題，其5次諧波含量約4%。通過調(diào)整A相12個功率單元左右橋臂IGBT參數(shù)模擬器件參數(shù)差異引起直流偏置。

其實驗結(jié)果分別見表1和表2。

5現(xiàn)場試驗結(jié)果

SVG實現(xiàn)了對20kV母線處無功功率的快速動態(tài)調(diào)節(jié)，階躍時的無功功率曲線如圖5所示?？梢奡VG可在10ms以內(nèi)完成無功調(diào)節(jié)。

投運前通過分析現(xiàn)場20kV側(cè)交流電壓波形已知5次諧波含量較大且隨負荷變化隨時改變，為此，在投運時分別投退5次諧波電壓前饋控制功能，相同功率下的電流波形如圖6所示。

在投入5次諧波電壓前饋控制的情況下，進行功率實驗，發(fā)現(xiàn)5Mvar情況下，電流波形明顯畸變，分析電流錄波，發(fā)現(xiàn)存在直流分量，投入直流電流控制功能，實現(xiàn)10Mvar滿功率運行。5Mvar功率時，投入直流電流控制前后的SVG電流波形如圖7所示。

6安科瑞APF有源濾波器產(chǎn)品選型

6.1產(chǎn)品特點

(1)DSP+FPGA控制方式，響應(yīng)時間短，全數(shù)字控制算法，運行穩(wěn)定；

(2)一機多能，既可補諧波，又可兼補無功，可對2～51次諧波進行全補償或特定次諧波進行補償；

(3)具有完善的橋臂過流保護、直流過壓保護、裝置過溫保護功能；

(4)模塊化設(shè)計，體積小，安裝便利，方便擴容；

(5)采用7英寸大屏幕彩色觸摸屏以實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和控制，使用方便，易于操作和維護；

(6)輸出端加裝濾波裝置，降低高頻紋波對電力系統(tǒng)的影響；

(7)多機并聯(lián)，達到較高的電流輸出等級；

6.2型號說明

6.3尺寸說明

6.4產(chǎn)品實物展示

ANAPF有源濾波器

7安科瑞智能電容器產(chǎn)品選型

7.1產(chǎn)品概述

AZC/AZCL系列智能電容器是應(yīng)用于0.4kV、50Hz低壓配電中用于節(jié)省能源、降低線損、提高功率因數(shù)和電能質(zhì)量的新一代無功補償設(shè)備。它由智能測控單元，晶閘管復(fù)合開關(guān)電路，線路保護單元，兩臺共補或一臺分補低壓電力電容器構(gòu)成?？商娲Ｒ?guī)由熔絲、復(fù)合開關(guān)或機械式接觸器、熱繼電器、低壓電力電容器、指示燈等散件在柜內(nèi)和柜面由導(dǎo)線連接而組成的自動無功補償裝置。具有體積更小，功耗更低，維護方便，使用壽命長，可靠性高的特點，適應(yīng)現(xiàn)代電網(wǎng)對無功補償?shù)母咭蟆?/p>

AZC/AZCL系列智能電容器采用定式LCD液晶顯示器，可顯示三相母線電壓、三相母線電流、三相功率因數(shù)、頻率、電容器路數(shù)及投切狀態(tài)、有功功率、無功功率、諧波電壓總畸變率、電容器溫度等。通過內(nèi)部晶閘管復(fù)合開關(guān)電路，自動尋找適宜投入（切除）點，實現(xiàn)過零投切，具有過壓保護、缺相保護、過諧保護、過溫保護等保護功能。

7.2型號說明

1)AZC系列智能電容器選型：

2)AZCL系列智能電容器選型：

7.3產(chǎn)品實物展示

AZC系列智能電容模塊AZCL系列智能電容模塊

安科瑞無功補償裝置智能電容方案

8結(jié)論

為滿足工業(yè)園區(qū)高電能質(zhì)量配電網(wǎng)應(yīng)用示范工程中對無功補償設(shè)備的需求，本文在充分理論研究、借助完善的仿真驗證手段的基礎(chǔ)上，對傳統(tǒng)的級聯(lián)型SVG進行了功能優(yōu)化，解決了諧波問題直流分量等問題對設(shè)備自身以及配電網(wǎng)帶來的影響，研制了套20kV配電網(wǎng)集中-分布綜合補償靜止型無功發(fā)生器，順利投運，并穩(wěn)定運行至今。提高了園區(qū)的電能質(zhì)量，保障了芯片廠等重要敏感負荷的順利運行。

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作者簡介

劉細鳳，女,現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司。