H橋級聯(lián)型SVG鏈節及其對沖試驗的研究

作者/ 田安民1 牟曉春1 梁帥奇1 陳興旺2 1.國電南瑞科技股份有限公司(江蘇 南京 211006) 2.國網(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。本文根據我公司自主研制的±10Mvar/10kV靜止無(wú)功發(fā)生器，詳細介紹了SVG鏈節(H橋級聯(lián))及其對沖試驗(即等價(jià)額定工況下運行試驗的內容、過(guò)程及其測試結果)。通過(guò)各鏈節的對沖試驗及其測試結果，驗證了各鏈節的功能和控制策略的效果，使得鏈節的設計符合國家電網(wǎng)公司《鏈式靜止同步補償器》技術(shù)標準的要求，從而確?！?0Mvar/10kV靜止無(wú)功補償器能夠在工程現場(chǎng)正常運行。

引言

　　目前，H橋級聯(lián)(鏈節)的拓撲結構在大容量靜止無(wú)功發(fā)生器(SVG)上已得到了廣泛的應用^[1]，該結構的優(yōu)點(diǎn)包括：1)采用模塊化結構，利于容量的擴展;2)采用冗余設計，提高系統可靠性;3)成本低，可靠性高，低諧波和畸變小。

　　H橋級聯(lián)型SVG根據系統連接方式的不同，可分為三角形連接和星形連接^[2]?？紤]到系統電壓等級、系統容量、諧波特性以及設計對SVG性能和現場(chǎng)運行特點(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(chǎng)前，必須驗證各鏈節的各項性能，對各鏈節進(jìn)行對沖試驗，即在等效額定工況下運行試驗，檢驗各鏈節的控制性能、保護功能、冷卻方式和效果以及電磁兼容等是否達到國家電網(wǎng)公司《鏈式靜止同步補償器》技術(shù)標準^[8]及用戶(hù)設計的要求。

1 SVG鏈節對沖試驗的基本原理

　　在等效額定工況下，將兩個(gè)鏈節輸出側通過(guò)一個(gè)連接電抗相連，其中一個(gè)鏈節的直流電容由外部可調直流電源供電，另一個(gè)鏈節的直流電容不加外部直流源，通過(guò)調節兩個(gè)鏈節輸出電壓的相位角來(lái)控制鏈節間交換的無(wú)功功率方向和大小，兩個(gè)鏈節間只交換無(wú)功功率，直流源提供的功率即為兩個(gè)鏈節的功耗^[3]。該試驗方法稱(chēng)為對沖試驗。

　　對沖試驗時(shí)，使得一個(gè)鏈節發(fā)出額定無(wú)功功率，另一個(gè)鏈節吸收額定無(wú)功功率。設定鏈節1為源，其參考的電壓信號為給定的正弦波，采用SVPWM控制原理實(shí)現脈沖寬度的生成;鏈節2為被控制的單元，其參考電壓信號為鏈節1給定信號的M(調制比)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M和δ的調節，從而控制鏈節間交換的無(wú)功功率。

　　圖1中電容C2兩端的電壓Udc2、i分別為直流側的電壓和交流側電流，用于主控裝置的控制算法中;鏈節輸出側兩端電壓Uab、Ucd為試驗測量觀(guān)察。該對沖試驗系統類(lèi)似于孤島運行的電力系統，采用給定電壓和頻率的(V/f)控制方法，其中V和f是主控裝置的設定值。

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

　　本系統采用開(kāi)環(huán)控制方法，即通過(guò)控制兩個(gè)鏈節間調制信號的幅值和相角差來(lái)完成所有驗證的測試內容。

2 SVG鏈節的對沖試驗

2.1 鏈節對沖試驗的目的

　?、俑麈湽澰谥芷陂_(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程當中，檢驗其耐受電壓和電流的極限強度;

　?、隍炞C各鏈節的控制板和驅動(dòng)板等板件在額定工況運行下抗干擾能力;

　?、鄹鶕囼炛袑GBT模塊溫度的測量，驗證鏈節中各功率元件的散熱效果以及風(fēng)機選型的合理性，確保IGBT模塊的安全可靠運行;

　?、苡嬎愀麈湽澋墓拇笮?。

2.2 對沖試驗的要求

　　在試驗過(guò)程當中，為了測試鏈節的實(shí)際運行極限，必須保證通過(guò)鏈節的電流、IGBT導通與關(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)際運行時(shí)的最大值的1.05倍。本系統的額定容量為10MVar，對應的電流為577.4A;在測試時(shí)，進(jìn)行系統長(cháng)期運行在10.5MVar，即電流606A。

2.3 對沖試驗的步驟

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

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

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

　?、軠y量鏈節各IGBT模塊的溫升，確保鏈節中各IGBT模塊的溫升在設計范圍內，證明鏈節中的元件和材料在不同的穩態(tài)運行情況下都不超過(guò)過(guò)溫保護門(mén)檻值，且冷卻系統符合設計要求，從而保證保障SVG能夠安全穩定運行。試驗時(shí)的參考溫度為室內溫度^[4]。

3 對沖試驗平臺及結果

　　在±10Mvar/10kV SVG裝置出廠(chǎng)前，SVG的各鏈節必須經(jīng)過(guò)對沖試驗，驗證鏈節在等效額定工況運行下的各項技術(shù)指標和性能。SVG裝置所需的鏈節均在對沖試驗平臺進(jìn)行各項測試，并對試驗結果進(jìn)行整理和歸檔，對沖試驗平臺如圖2所示。其中，測試儀器包括一臺四通道高帶寬示波器、兩個(gè)泰克高壓差分電壓探頭(型號為P5210A)、一個(gè)羅氏線(xiàn)圈電流探頭(型號為CWT15B)和一個(gè)萬(wàn)用表。高壓差分探頭測量鏈節交流輸出側電壓Uab和Ucd，羅氏線(xiàn)圈電流探頭測量交流側電流。將電流互感器測得的交流側電流和鏈節2的直流電壓上送至主控裝置，進(jìn)行V/f控制，調節兩個(gè)鏈節間調制信號的幅值和相角差，使試驗條件達到等效額定工況運行，即交流側電流為：

　　對沖試驗還包括過(guò)電流、過(guò)電壓和過(guò)溫試驗。鏈節輸出電流和IGBT模塊溫度的保護門(mén)檻值分別為1000A和110℃，直流電壓過(guò)壓保護門(mén)檻值為1050V，欠壓保護門(mén)檻值為600V，超過(guò)保護門(mén)檻值時(shí)，主控裝置將發(fā)出鏈節IGBT驅動(dòng)脈沖的閉鎖信號，從而防止損壞鏈節的IGBT模塊。同時(shí)，檢驗鏈節中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)溫保護能否正確動(dòng)作。

　　鏈節達到額定工況運行下周期觸發(fā)和熄滅試驗[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交流輸出側兩端電壓Uab、Ucd的波形，m為交流側電流i的波形，由于采用開(kāi)環(huán)控制方法，故交流側電流會(huì )出現一定的波動(dòng)，不過(guò)可以滿(mǎn)足SVG各鏈節在等效額定工況下各項性能的驗證要求^[5]。

　　圖4中分別為交流電流標幺值波形、鏈節1和鏈節2直流電容電壓的波形以及各鏈節IGBT模塊的溫度值。交流電流標幺值最大可達到88.91，因此可知，交流電流有效值可達到88.91/0.145=613.2A，其中，0.145為標幺系數。此時(shí)系統運行在10.5MVar的等效額定工況下，鏈節中的IGBT模塊溫度最大為95℃，鏈節直流電容電壓分別為850V和740V，均未超過(guò)設定的保護門(mén)檻值，從而保證鏈節對沖試驗可以長(cháng)期可靠地運行。

　　表1為±10Mvar/10kV SVG裝置各鏈節對沖試驗的測試數據，據表1所示，各鏈節在等效額定工況下運行正常，各項測試項目達到試驗要求，且均在保護門(mén)檻值范圍內，驗證了各鏈節的性能和技術(shù)標準^[6]。

4 結語(yǔ)

　　本文詳細介紹了我公司±10Mvar/10kV SVG裝置的鏈節性能的驗證方法，即對沖試驗，通過(guò)在等效額定工況運行試驗[7]，檢驗鏈節的各項性能和技術(shù)指標是否滿(mǎn)足國家電網(wǎng)公司《鏈式靜止同步補償器》技術(shù)標準及用戶(hù)設計的要求。根據各鏈節在對沖試驗平臺上的測試結果和波形分析，各鏈節在等效額定工況下可以正常運行，從而為SVG裝置的正常運行提供堅實(shí)的依據和保障。

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　　[8]《鏈式靜止同步補償器》公司技術(shù)標準，國家電網(wǎng)科[2009]166號文，2009.

本文來(lái)源于中國科技期刊《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。