摘  è¦ï¼šä»‹ç´¹äº†FGSVG的原理，結構及可靠性設計和技術優勢，分析了FGSVG在各行業的應用。

關鍵詞：SVG  多電平   級聯逆變器   多重化技術

1 前言

      隨著國民經濟的快速發展和持續增長，電力供需矛盾日益突出。由于電力用戶容量的不斷增長，用戶容量與發電裝機容量的比例已經上升到3.2：1，導致尖峰時期高峰時段的用電需求快速上升?！笆濉逼陂g，全國電力供需呈現緊平衡，季節性，地區供需矛盾加劇。為解決這一矛盾，發改委連同電監會等六部委出臺了《電力需求側管理辦法》，明確指出：滿足電力需求應堅持節約與開發并舉、節約優先的原則，在增加供應的同時，統籌考慮并優先采用需求側管理措施，鼓勵電網企業采用節能設備，增強無功補償，引導用戶加強無功管理，合理配置無功補償裝置，優化用電方式。FGSVG系列產品是山東新風光電子科技發展有限公司自主研發的高壓動態無功補償和諧波治理裝置，采用現代電力電子、自動化、微電子及網絡通訊等技術，采用先進的瞬時無功功率理論和基于同步坐標變換的功率解耦算法，以功率因數、電網電壓或者兩者分時間段作為控制目標，動態的跟蹤電網電能質量變化來調節無功輸出，實現電網的高質量運行。FGSVG以其較低的諧波，較高的效率，快速的動態響應，成為輸電系統中的重要設備。

2 FGSVG系列產品的技術優勢

      FGSVG是目前國內外最為先進的無功補償裝置，這種基于電壓型PWM變流器的補償裝置實現了無功補償方式質的飛躍。它不再采用大容量的電容、電感器件，而是通過電力電子器件的高頻開關實現無功能量的變換。從技術上講，FGSVG系列產品較傳統的無功補償裝置有如下優勢：

（1）響應速度更快

       FGSVG系列產品響應時間：≤1ms。傳統無功補償裝置響應時間： ≥40ms。FGSVG系列產品可在極短的時間之內完成從額定容性無功到額定感性無功的相互轉換，這種無可比擬的響應速度完全可以勝任對沖擊性負荷的補償。

（2）諧波治理

      FGSVG系列產品不僅不產生諧波，而且同時具備諧波治理功能，在動態無功補償的同時，可對諧波進行濾除。而SVC中TCR在補償無功功率同時產生大量諧波，導致TCR必須與大容量濾波器同時使用。

（3）電壓閃變抑制能力更強

      SVC受到響應速度的限制，其抑制電壓閃變的能力不會隨補償容量的增加而增加，而FGSVG系列產品由于響應速度極快，增大裝置容量可以繼續提高抑制電壓閃變的能力。

（4）運行范圍更寬

      FGSVG系列產品能夠在額定感性無功到額定容性無功的范圍內工作，所以比SVC的運行范圍寬很多。更重要的是，在系統電壓變低時，FGSVG系列產品還能夠輸出與額定工況相近的無功電流。

（5）補償功能多樣化

      FGSVG系列產品不僅具有快速補償系統無功的作用，還能夠根據用戶實際需要，對負荷進行諧波電流補償、負序電流補償、綜合補償等。

（6）占地面積小

      由于無需高壓大容量的電容器和電抗器做儲能元件，FGSVG系列產品的占地面積通常只有相同容量SVCçš„50%。

3 FGSVG系列產品的原理

      FGSVG系列產品的原理示意圖如圖1所示，基本原理就是將自換相橋式電路通過變壓器或者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。

圖1 FGSVG系列產品的原理示意圖

4 FGSVG的結構

      FGSVG有進線柜，功率柜和控制柜三部分組成：進線柜是連接電網與裝置的樞紐，控制裝置的掛網與斷網，并預留與原無功補償設備(FC)的接口，方便現場的對接。

      功率柜采用模塊化設計，功率單元的結構和電氣性能完全一致，單元可以互換，方便檢修和維護。

      控制柜人機界面優化處理，人性化設計，全數字化控制，實時計算電網所需的無功功率、諧波、負序電流等實現動態跟蹤與補償，對輔助設備實時控制，保持與上位機通訊，具有良好的可觀測性。

5 FGSVG的可靠性設計

      FGSVG系列產品的主電路采用鏈式逆變器拓撲結構，Y型連接，10kV裝置每相12個單元串聯組成，6kV裝置每相8個單元串聯組成，運行方式為N＋１模式。圖2為10kV電壓等級系統連接原理圖。

圖2  10kV電壓等級系統連接原理

      這種結構可以獨立分相控制，有利于解決相間平衡問題，在系統受到干擾時，更好地提供電壓支撐；所有鏈節的結構結構完全相同，可以實現模塊化設計，便于擴展裝置容量；每相鏈節可設置一個冗余鏈節，當一個單元出現故障后仍可以滿負荷繼續運行，確保裝置的可靠性；去掉了連接變壓器，降低了裝置成本和損耗。

      功率單元包括濾波電容，IGBT,電源和控制板。為保證功率單元的可靠性，設計時選用同一批次的元器件，保證各元器件性能的一致性。所有功率單元在裝配檢驗合格后均要做老化試驗。功率單元采用優化的散熱設計，獨立風道設計有效解決單元溫升和整套裝置的防護等級。

      FGSVG裝置控制核心由高速32位數字信號處理器DSP、大規?？删幊踢壿嬈骷﨏PLD/FPGA和一體化人機界面協同運算來實現，精心設計的算法可以保證FGSVG達到最優的運行性能。提供友好的全中文監控和操作界面，同時可以實現遠程監控和網絡化控制。

圖3    系統界面

圖4  狀態量顯示界面

      PLC控制器用于柜體內開關信號的邏輯處理，以及與現場各種操作信號和狀態信號的協調，增強了系統的靈活性?？刂破鞑捎么笠幠＜呻娐泛捅砻婧附蛹夹g，系統具有極高的可靠性。

      另外，控制器與功率單元之間采用多通道光纖通訊技術，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統具有極高的安全性，同時具有很好的抗電磁干擾性能，并且控制器有一套獨立于高壓電源的供電體系，功率單元的控制電源采用一個獨立于高壓系統的電源，方便調試、維修、現場培訓，增強了系統的可靠性。在不加高壓的情況下，設備各點的波形與加高壓情況基本相似，給整機調試、培訓帶來了很大方便。

6 FGSVG在各行業中的應用

      FGSVG不僅能提高電網輸送能力，而且可以優化電能質量，在對電能要求較高的各行業中得到了廣泛的應用。

      風力發電系統具有隨機性和波動大的明顯特征，在運行中需要大量無功。FGSVG調節速度快，可以平滑連續的調節輸出無功，提高風機的瞬時功率因數，實現25次以下諧波的有效濾波。

      煤礦行業由于采用大量的感應電動機，具有負荷重，功率因數低，電壓不穩定的特點。FGSVG可以快速連續的調節，從而穩定并提高系統的平均電壓，降低電壓閃變和諧波電流。不僅能提高負荷功率因數，還可濾除低次諧波。

      在城鎮區域供電電網中，由于供電距離長，一般配置容量較大的電容器定補裝置。以±2Mvar/10kV無功補償裝置在四川三臺縣富順鎮供電所的應用為例，富順鎮供電所有兩臺變壓器4000kVA一臺和3150kVA一臺，正常運行一臺4000kVAçš„，另一臺只在用電高峰期才投運。輸入線35kV一套，輸出線10kV五套，配有一臺1.2Mvar電容器定補裝置，給五個鄉鎮配送電。用電高峰期短，一般只有四五個小時，長時間處于低負荷狀態，由于電容器補償裝置補償容量不變，只能向系統提供容性無功，不能隨負載的變化實現快速精確的調整，在保證母線系統功率因數的同時，容易向系統倒送無功，抬高母線電壓。FGSVG具有容感性連續調節功能，實時檢測供電系統的用電情況，安裝FGSVG裝置后，不僅使電網功率因數提高到99.3%以上，并且解決了現有電容器補償裝置“過補”的問題，減少了電容器投切的次數，延長了設備的使用壽命，避免電容器投切時浪涌沖擊及操作過電壓，可有效降低線路損耗、改善電壓質量、充分發揮供電設備的潛力，并可為用戶節約電費支出，具有非常顯著的社會效益和經濟效益。

圖5 使用FGSVG前的功率因數曲線

圖6  使用FGSVG后的功率因數曲線

圖7  ±2Mvar/10kV無功補償裝置在四川三臺縣富順鎮供電所運行現場

7 結束語

      FGSVG系列產品是山東新風光電子科技發展有限公司為滿足市場需求研發的節能設備，擁有自主知識產權和多項發明專利。公司新研發的多電平二極管箝位型FGSVG產品試驗樣機已成功下線，該產品有多個電壓臺階，更接近正弦波，諧波性能更好。變流器的等效開關頻率減少，減少了電磁干擾，降低了半導體開關對散熱的要求。由于三相共用直流側電容器，特別適合于三相能量相互交換的系統。在變流器不耗能的理想情況下，所需電容器可選得很小，即使在非理想情況下存在電容電壓不穩，也可通過輔助控制方法或輔助控制電路進行平衡控制。另外，在背靠背應用中，不存在直通現象，可廣泛應用于電力系統中。