靜止無(wú)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

引言

為適應(yīng)交直流混聯(lián)配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)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(fù)荷的正常運(yùn)行。針對(duì)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(duì)此工程應(yīng)用背景進(jìn)行了詳細(xì)地分析。在此前提下，針對(duì)相關(guān)問(wèn)題研究了靜止型無(wú)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(guò)仿真驗(yàn)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(guò)驗(yàn)收，成功投運(yùn)，成為國(guó)內(nèi)投運(yùn)的首套20kV配電網(wǎng)集中-分布綜合補(bǔ)償SVG截至目前設(shè)備運(yùn)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(fù)荷的正常運(yùn)行。

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

1應(yīng)用場(chǎng)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(duì)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(jí)劃分的基礎(chǔ)上，通過(guò)開展電能質(zhì)量補(bǔ)償設(shè)備配置、補(bǔ)償設(shè)備的協(xié)調(diào)控制，針對(duì)蘇州園區(qū)的電能質(zhì)量問(wèn)題配置補(bǔ)償設(shè)備的方式來(lái)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(wú)功功率和節(jié)點(diǎn)電壓。

SVG接入點(diǎn)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(chǎng)合有以下3點(diǎn)情況：

1)由圖1可見(jiàn)，兩套SVG視開關(guān)QF狀態(tài)不同，將存在分列和并列運(yùn)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(guò)20kV母線的諧波電壓要求(一般20kV母線諧波取10kV的國(guó)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(yùn)行策略主要由DFACTS協(xié)調(diào)控制平臺(tái)考慮，SVG本身配合其完成即可，此處不進(jìn)行詳述。本文主要針對(duì)此應(yīng)用場(chǎng)合需求，結(jié)合主電路結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)無(wú)功調(diào)節(jié)基本功能的同時(shí)，通過(guò)算法解決諧波、直流分量引起變壓器偏磁等附加問(wèn)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(bǔ)償靜止型無(wú)功發(fā)生器主要包含串聯(lián)變壓器、起動(dòng)柜、功率柜、控制柜這幾部分，并通過(guò)通信與DFACTS平臺(tái)進(jìn)行信息交互，接收DFACTS對(duì)SVG關(guān)于啟停、控制方式、控制目標(biāo)的遙控、遙調(diào)信號(hào)，上送系統(tǒng)電壓、電流、SVG電流、功率及狀態(tài)等遙測(cè)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(shí)現(xiàn)SVG的基本功能，無(wú)功控制；2)適應(yīng)配電網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)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(jìn)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(duì)SVG電流的基波控制來(lái)調(diào)節(jié)無(wú)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(wú)功環(huán)(B視控制方式不同，可為固定無(wú)功功率、功率因數(shù)、20kV系統(tǒng)電壓、20kV處系統(tǒng)無(wú)功)，輸出電流定值的d、q分量，進(jìn)電流內(nèi)環(huán)進(jìn)行解翹控制，以獲得基波電壓指令

2)應(yīng)對(duì)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(fù)荷引起，SVG的有源濾波功能僅可抑制接入母線下負(fù)荷引起的諧波，即諧波電流，對(duì)輸電線中諧波電壓存在導(dǎo)致SVG接入點(diǎn)諧波電壓偏大沒(méi)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(duì)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(fù)序，坐標(biāo)變換時(shí)與正序方向相反。

3)應(yīng)對(duì)直流分量的控制策略

SVG采用SPWM橋式逆變結(jié)構(gòu)，在實(shí)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(fù)伏秘值不相等，從而導(dǎo)致加在變壓器初級(jí)的電壓含有直流分量，造成直流偏磁問(wèn)。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(xiàng)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(yàn)證

為5次諧波電壓對(duì)抗、直流分量抑制功能，利用RTDS仿真平臺(tái)搭建了20kV配電網(wǎng)集中-分布綜合補(bǔ)償靜止型無(wú)功發(fā)生器接入系統(tǒng)的仿真模型，通過(guò)在110kV母線下加5次諧波源制造20kV諧波問(wèn)題，其5次諧波含量約4%。通過(guò)調(diào)整A相12個(gè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表1和表2。

5現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

SVG實(shí)現(xiàn)了對(duì)20kV母線處無(wú)功功率的快速動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，階躍時(shí)的無(wú)功功率曲線如圖5所示?？梢?jiàn)SVG可在10ms以內(nèi)完成無(wú)功調(diào)節(jié)。

投運(yùn)前通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)20kV側(cè)交流電壓波形已知5次諧波含量較大且隨負(fù)荷變化隨時(shí)改變，為此，在投運(yùn)時(shí)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(jìn)行功率實(shí)驗(yàn)，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(shí)現(xiàn)10Mvar滿功率運(yùn)行。5Mvar功率時(shí)，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(diǎn)

(1)DSP+FPGA控制方式，響應(yīng)時(shí)間短，全數(shù)字控制算法，運(yùn)行穩(wěn)定；

(2)一機(jī)多能，既可補(bǔ)諧波，又可兼補(bǔ)無(wú)功，可對(duì)2～51次諧波進(jìn)行全補(bǔ)償或指定特定次諧波進(jìn)行補(bǔ)償；

(3)具有完善的橋臂過(guò)流保護(hù)、直流過(guò)壓保護(hù)、裝置過(guò)溫保護(hù)功能；

(4)模塊化設(shè)計(jì)，體積小，安裝便利，方便擴(kuò)容；

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

(6)輸出端加裝濾波裝置，降低高頻紋波對(duì)電力系統(tǒng)的影響；

(7)多機(jī)并聯(lián)，達(dá)到較高的電流輸出等級(jí)；

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(duì)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的需求，本文在充分理論研究、借助完善的仿真驗(yàn)證手段的基礎(chǔ)上，對(duì)傳統(tǒng)的級(jí)聯(lián)型SVG進(jìn)行了功能優(yōu)化，解決了諧波問(wèn)題直流分量等問(wèn)題對(duì)設(shè)備自身以及配電網(wǎng)帶來(lái)的影響，研制了國(guó)內(nèi)首套20kV配電網(wǎng)集中-分布綜合補(bǔ)償靜止型無(wú)功發(fā)生器，順利投運(yùn)，并穩(wěn)定運(yùn)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(fù)荷的順利運(yùn)行。