H橋級(jí)聯(lián)型SVG鏈節(jié)及其對(duì)沖試驗(yàn)的研究

作者/ 田安民1 牟曉春1 梁帥奇1 陳興旺2 1.國(guó)電南瑞科技股份有限公司(江蘇 南京 211006) 2.國(guó)網(wǎng)河南省汝州市供電公司(河南 汝州 467599)

摘要：目前，靜止無(wú)功發(fā)生器(SVG)已廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電等清潔能源領(lǐng)域。本文根據(jù)我公司自主研制的±10Mvar/10kV靜止無(wú)功發(fā)生器，詳細(xì)介紹了SVG鏈節(jié)(H橋級(jí)聯(lián))及其對(duì)沖試驗(yàn)(即等價(jià)額定工況下運(yùn)行試驗(yàn)的內(nèi)容、過(guò)程及其測(cè)試結(jié)果)。通過(guò)各鏈節(jié)的對(duì)沖試驗(yàn)及其測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證了各鏈節(jié)的功能和控制策略的效果，使得鏈節(jié)的設(shè)計(jì)符合國(guó)家電網(wǎng)公司《鏈?zhǔn)届o止同步補(bǔ)償器》技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，從而確?！?0Mvar/10kV靜止無(wú)功補(bǔ)償器能夠在工程現(xiàn)場(chǎng)正常運(yùn)行。

引言

　　目前，H橋級(jí)聯(lián)(鏈節(jié))的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在大容量靜止無(wú)功發(fā)生器(SVG)上已得到了廣泛的應(yīng)用^[1]，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)包括：1)采用模塊化結(jié)構(gòu)，利于容量的擴(kuò)展;2)采用冗余設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)可靠性;3)成本低，可靠性高，低諧波和畸變小。

　　H橋級(jí)聯(lián)型SVG根據(jù)系統(tǒng)連接方式的不同，可分為三角形連接和星形連接^[2]?？紤]到系統(tǒng)電壓等級(jí)、系統(tǒng)容量、諧波特性以及設(shè)計(jì)對(duì)SVG性能和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行特點(diǎn)的要求，我公司自主研制的±10Mvar/10kV SVG裝置采用星形連接方式?！?0Mvar/10kV SVG裝置出廠前，必須驗(yàn)證各鏈節(jié)的各項(xiàng)性能，對(duì)各鏈節(jié)進(jìn)行對(duì)沖試驗(yàn)，即在等效額定工況下運(yùn)行試驗(yàn)，檢驗(yàn)各鏈節(jié)的控制性能、保護(hù)功能、冷卻方式和效果以及電磁兼容等是否達(dá)到國(guó)家電網(wǎng)公司《鏈?zhǔn)届o止同步補(bǔ)償器》技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)^[8]及用戶設(shè)計(jì)的要求。

1 SVG鏈節(jié)對(duì)沖試驗(yàn)的基本原理

　　在等效額定工況下，將兩個(gè)鏈節(jié)輸出側(cè)通過(guò)一個(gè)連接電抗相連，其中一個(gè)鏈節(jié)的直流電容由外部可調(diào)直流電源供電，另一個(gè)鏈節(jié)的直流電容不加外部直流源，通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)鏈節(jié)輸出電壓的相位角來(lái)控制鏈節(jié)間交換的無(wú)功功率方向和大小，兩個(gè)鏈節(jié)間只交換無(wú)功功率，直流源提供的功率即為兩個(gè)鏈節(jié)的功耗^[3]。該試驗(yàn)方法稱(chēng)為對(duì)沖試驗(yàn)。

　　對(duì)沖試驗(yàn)時(shí)，使得一個(gè)鏈節(jié)發(fā)出額定無(wú)功功率，另一個(gè)鏈節(jié)吸收額定無(wú)功功率。設(shè)定鏈節(jié)1為源，其參考的電壓信號(hào)為給定的正弦波，采用SVPWM控制原理實(shí)現(xiàn)脈沖寬度的生成;鏈節(jié)2為被控制的單元，其參考電壓信號(hào)為鏈節(jié)1給定信號(hào)的M(調(diào)制比)倍，且滯后一個(gè)角度δ，通過(guò)主控裝置下發(fā)控制指令，實(shí)現(xiàn)M和δ的調(diào)節(jié)，從而控制鏈節(jié)間交換的無(wú)功功率。

　　圖1中電容C2兩端的電壓Udc2、i分別為直流側(cè)的電壓和交流側(cè)電流，用于主控裝置的控制算法中;鏈節(jié)輸出側(cè)兩端電壓Uab、Ucd為試驗(yàn)測(cè)量觀察。該對(duì)沖試驗(yàn)系統(tǒng)類(lèi)似于孤島運(yùn)行的電力系統(tǒng)，采用給定電壓和頻率的(V/f)控制方法，其中V和f是主控裝置的設(shè)定值。

　　控制系統(tǒng)采用固定載波和調(diào)制波反相的方法^[4]，具體原理如下：利用給定參考電壓作為鏈節(jié)1的調(diào)制電壓信號(hào)，其中S1和S2采用直接給定的調(diào)制信號(hào);將給定的參考電壓反相作為S3和S4的調(diào)制信號(hào)。與載波比較后，分別將正脈寬送給S1和S3，S2和S4分別取反。利用控制生成的調(diào)制信號(hào)作為鏈節(jié)2的調(diào)制信號(hào)，其中，S3`和S4`采用直接控制生成的調(diào)制信號(hào)，S1`和S2`采用控制生成的反相信號(hào)。與載波比較后，分別將正脈寬送給S1`和S3`，S2`和S4`取反。

　　本系統(tǒng)采用開(kāi)環(huán)控制方法，即通過(guò)控制兩個(gè)鏈節(jié)間調(diào)制信號(hào)的幅值和相角差來(lái)完成所有驗(yàn)證的測(cè)試內(nèi)容。

2 SVG鏈節(jié)的對(duì)沖試驗(yàn)

2.1 鏈節(jié)對(duì)沖試驗(yàn)的目的

　　①各鏈節(jié)在周期開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程當(dāng)中，檢驗(yàn)其耐受電壓和電流的極限強(qiáng)度;

　?、隍?yàn)證各鏈節(jié)的控制板和驅(qū)動(dòng)板等板件在額定工況運(yùn)行下抗干擾能力;

　?、鄹鶕?jù)試驗(yàn)中對(duì)IGBT模塊溫度的測(cè)量，驗(yàn)證鏈節(jié)中各功率元件的散熱效果以及風(fēng)機(jī)選型的合理性，確保IGBT模塊的安全可靠運(yùn)行;

　?、苡?jì)算各鏈節(jié)的功耗大小。

2.2 對(duì)沖試驗(yàn)的要求

　　在試驗(yàn)過(guò)程當(dāng)中，為了測(cè)試鏈節(jié)的實(shí)際運(yùn)行極限，必須保證通過(guò)鏈節(jié)的電流、IGBT導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)IGBT的瞬時(shí)電流和直流電容上的瞬時(shí)電壓為SVG實(shí)際運(yùn)行時(shí)的最大值的1.05倍。本系統(tǒng)的額定容量為10MVar，對(duì)應(yīng)的電流為577.4A;在測(cè)試時(shí)，進(jìn)行系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行在10.5MVar，即電流606A。

2.3 對(duì)沖試驗(yàn)的步驟

　　①首先，通過(guò)可調(diào)直流電源將鏈節(jié)1的直流電容兩端的直流電壓升至840V，然后主控裝置設(shè)置為服務(wù)狀態(tài)，同步觸發(fā)兩個(gè)鏈節(jié)，使各鏈節(jié)的電壓和電流達(dá)到額定工況時(shí)的最大值;

　?、谕ㄟ^(guò)控制相角δ使通過(guò)鏈節(jié)的電流上升到最大值，試驗(yàn)過(guò)載系數(shù)為1.1倍，保持觸發(fā)角恒定不變，直到IGBT結(jié)溫度始終沒(méi)有到閉鎖脈沖的設(shè)定值即110℃，并能可靠開(kāi)通和關(guān)斷;

　?、墼陬~定工況下，測(cè)算每個(gè)鏈節(jié)的開(kāi)關(guān)損耗，從而確定SVG功率單元的總損耗。測(cè)量供電直流電源總輸出功率，測(cè)量連接電抗上電壓和電流，并計(jì)算其損耗，直流源總輸出功率減去電抗器損耗即為SVG各鏈節(jié)的功耗;

　?、軠y(cè)量鏈節(jié)各IGBT模塊的溫升，確保鏈節(jié)中各IGBT模塊的溫升在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，證明鏈節(jié)中的元件和材料在不同的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下都不超過(guò)過(guò)溫保護(hù)門(mén)檻值，且冷卻系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求，從而保證保障SVG能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行。試驗(yàn)時(shí)的參考溫度為室內(nèi)溫度^[4]。

3 對(duì)沖試驗(yàn)平臺(tái)及結(jié)果

　　在±10Mvar/10kV SVG裝置出廠前，SVG的各鏈節(jié)必須經(jīng)過(guò)對(duì)沖試驗(yàn)，驗(yàn)證鏈節(jié)在等效額定工況運(yùn)行下的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和性能。SVG裝置所需的鏈節(jié)均在對(duì)沖試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行各項(xiàng)測(cè)試，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理和歸檔，對(duì)沖試驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示。其中，測(cè)試儀器包括一臺(tái)四通道高帶寬示波器、兩個(gè)泰克高壓差分電壓探頭(型號(hào)為P5210A)、一個(gè)羅氏線圈電流探頭(型號(hào)為CWT15B)和一個(gè)萬(wàn)用表。高壓差分探頭測(cè)量鏈節(jié)交流輸出側(cè)電壓Uab和Ucd，羅氏線圈電流探頭測(cè)量交流側(cè)電流。將電流互感器測(cè)得的交流側(cè)電流和鏈節(jié)2的直流電壓上送至主控裝置，進(jìn)行V/f控制，調(diào)節(jié)兩個(gè)鏈節(jié)間調(diào)制信號(hào)的幅值和相角差，使試驗(yàn)條件達(dá)到等效額定工況運(yùn)行，即交流側(cè)電流為：

　　對(duì)沖試驗(yàn)還包括過(guò)電流、過(guò)電壓和過(guò)溫試驗(yàn)。鏈節(jié)輸出電流和IGBT模塊溫度的保護(hù)門(mén)檻值分別為1000A和110℃，直流電壓過(guò)壓保護(hù)門(mén)檻值為1050V，欠壓保護(hù)門(mén)檻值為600V，超過(guò)保護(hù)門(mén)檻值時(shí)，主控裝置將發(fā)出鏈節(jié)IGBT驅(qū)動(dòng)脈沖的閉鎖信號(hào)，從而防止損壞鏈節(jié)的IGBT模塊。同時(shí)，檢驗(yàn)鏈節(jié)中IGBT模塊耐受電流的能力、直流電容耐受直流電壓的能力以及過(guò)流、過(guò)壓和過(guò)溫保護(hù)能否正確動(dòng)作。

　　鏈節(jié)達(dá)到額定工況運(yùn)行下周期觸發(fā)和熄滅試驗(yàn)[8]時(shí)的示波器波形和主控裝置的錄波波形分別如圖3和圖4所示。圖3中深色和淺色波形分別為鏈節(jié)交流輸出側(cè)兩端電壓Uab、Ucd的波形，m為交流側(cè)電流i的波形，由于采用開(kāi)環(huán)控制方法，故交流側(cè)電流會(huì)出現(xiàn)一定的波動(dòng)，不過(guò)可以滿足SVG各鏈節(jié)在等效額定工況下各項(xiàng)性能的驗(yàn)證要求^[5]。

　　圖4中分別為交流電流標(biāo)幺值波形、鏈節(jié)1和鏈節(jié)2直流電容電壓的波形以及各鏈節(jié)IGBT模塊的溫度值。交流電流標(biāo)幺值最大可達(dá)到88.91，因此可知，交流電流有效值可達(dá)到88.91/0.145=613.2A，其中，0.145為標(biāo)幺系數(shù)。此時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行在10.5MVar的等效額定工況下，鏈節(jié)中的IGBT模塊溫度最大為95℃，鏈節(jié)直流電容電壓分別為850V和740V，均未超過(guò)設(shè)定的保護(hù)門(mén)檻值，從而保證鏈節(jié)對(duì)沖試驗(yàn)可以長(zhǎng)期可靠地運(yùn)行。

　　表1為±10Mvar/10kV SVG裝置各鏈節(jié)對(duì)沖試驗(yàn)的測(cè)試數(shù)據(jù)，據(jù)表1所示，各鏈節(jié)在等效額定工況下運(yùn)行正常，各項(xiàng)測(cè)試項(xiàng)目達(dá)到試驗(yàn)要求，且均在保護(hù)門(mén)檻值范圍內(nèi)，驗(yàn)證了各鏈節(jié)的性能和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)^[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

　　本文詳細(xì)介紹了我公司±10Mvar/10kV SVG裝置的鏈節(jié)性能的驗(yàn)證方法，即對(duì)沖試驗(yàn)，通過(guò)在等效額定工況運(yùn)行試驗(yàn)[7]，檢驗(yàn)鏈節(jié)的各項(xiàng)性能和技術(shù)指標(biāo)是否滿足國(guó)家電網(wǎng)公司《鏈?zhǔn)届o止同步補(bǔ)償器》技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及用戶設(shè)計(jì)的要求。根據(jù)各鏈節(jié)在對(duì)沖試驗(yàn)平臺(tái)上的測(cè)試結(jié)果和波形分析，各鏈節(jié)在等效額定工況下可以正常運(yùn)行，從而為SVG裝置的正常運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)的依據(jù)和保障。

參考文獻(xiàn)：

　　[1]劉釗.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中鏈?zhǔn)絊TATCOM關(guān)鍵技術(shù)[D].武漢:華中科技大學(xué),2010.

　　[2]劉正富.鏈?zhǔn)届o止同步補(bǔ)償器主電路及控制策略研究[D].杭州:浙江大學(xué)，2012.

　　[3]趙波. 提高靜止同步補(bǔ)償器運(yùn)行性能的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京:中國(guó)電力科學(xué)研究院，2013.

　　[4]江道灼，張振華.單相H橋級(jí)聯(lián)靜止同步補(bǔ)償器反饋線性化解耦控制[J].電網(wǎng)技術(shù),2011，35(11):74-79.

　　[5]王志冰,于坤山,周孝信.H橋級(jí)聯(lián)多電平變流器的直流母線電壓平衡控制策略[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2012,32(6):56-63.

　　[6]趙波,郭劍波,周飛.鏈?zhǔn)絊TATCOM相間直流電壓平衡控制策略[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2012,32(34)：36-41.

　　[7]Hatano N, Ise T. Control scheme of cascaded H-bridge STATCOM using zero-sequence voltage and negative-sequence current[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2010, 25(2):543-550.

　　[8]《鏈?zhǔn)届o止同步補(bǔ)償器》公司技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)家電網(wǎng)科[2009]166號(hào)文，2009.

本文來(lái)源于中國(guó)科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第11期第65頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。