◎許偉

（作者單位：日新電機(jī)（無(wú)錫）有限公司）

引言隨著大功率非線性負(fù)荷的增加，電網(wǎng)的無(wú)功消耗不斷上升。而大容量無(wú)功補(bǔ)償手段的不足，使電網(wǎng)母線電壓隨運(yùn)行方式變化很大，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，線路損耗增加。尤其是風(fēng)力發(fā)電等大型電動(dòng)機(jī)對(duì)電網(wǎng)無(wú)功的消耗更為嚴(yán)重。大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)必然會(huì)對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量和穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生很不利的影響，因此，對(duì)大容量動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的需求更加緊迫，本文介紹了自行研制的容量為5M Var 的補(bǔ)償裝置，對(duì)于提高大功率設(shè)備的功率因數(shù)，改善電網(wǎng)電能質(zhì)量有重要意義。

一、高壓SVG 總體設(shè)計(jì)方案

1.基本原理。

圖1 為裝置與系統(tǒng)連接的等效原理圖，US為系統(tǒng)電壓，UI為裝置輸出電壓，兩者同相位。L 為連接電抗器，R 為線路阻抗和裝置損耗的等效阻抗。規(guī)定電流方向朝裝置側(cè)為正方向。

理想情況下，可將裝置等效成可控電壓源，系統(tǒng)視為理想電壓源，兩者相位一致。當(dāng)UI>US時(shí)，從系統(tǒng)流向裝置的電流超前系統(tǒng)電壓90o，裝置工作于容性區(qū)，輸出感性無(wú)功；反之當(dāng)UI

圖1 SVG 系統(tǒng)原理圖

2.主電路設(shè)計(jì)。

主電路采用單相橋串聯(lián)的方案，即所謂的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，如圖2。對(duì)每個(gè)單相橋采用不同的驅(qū)動(dòng)脈沖，是每個(gè)橋輸出電壓所含諧波大小和方向不同，最終疊加起來(lái)所含諧波量很小。針對(duì)10kV系統(tǒng)，相電壓有效值約為5773V，我們選擇每相12 個(gè)模塊串聯(lián)，采用11+1 的控制方式，由11 個(gè)模塊做脈沖疊加，1 個(gè)模塊用脈寬調(diào)制的方法跟蹤輸出電流，使輸出電流按照預(yù)先設(shè)定的形狀變化，達(dá)到穩(wěn)定電流的作用。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

高壓SVG 的控制系統(tǒng)分為主控、三相分控和光線發(fā)送接收三部分。各個(gè)模塊與控制器之間完全通過(guò)光線通信，以起到電氣隔離的作用。主控制器核心部分采用tms320c6713 DSP 芯片，通過(guò)采集到的系統(tǒng)電壓電流值及相為關(guān)系計(jì)算系統(tǒng)的無(wú)功量，完成裝置動(dòng)態(tài)無(wú)功功率跟蹤和控制，直流側(cè)電壓平衡和PWM 脈沖角度數(shù)據(jù)的計(jì)算，發(fā)送到各相分控。分控控制器接收到主控計(jì)算出的數(shù)據(jù)控制對(duì)應(yīng)相各模塊中IGBT 的開關(guān)狀態(tài)，輸出幅值和相位可調(diào)的電壓。此外，系統(tǒng)的過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)，裝置的啟動(dòng)也是由主控制器來(lái)負(fù)責(zé)。

二、脈寬調(diào)制跟蹤輸出電流

為了使輸出電流更加穩(wěn)定，每相12 個(gè)模塊中的一個(gè)用來(lái)做電流跟蹤。這里要預(yù)先設(shè)定好一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)，用實(shí)測(cè)的電流信號(hào)與其比較，控制實(shí)際電流按照設(shè)定值變化。

如上圖，規(guī)定從系統(tǒng)流向裝置的電流方向?yàn)檎较?，如果?shí)際測(cè)量電流值大于設(shè)定電流值，使1、3 導(dǎo)通，使反向電流增大，抵消實(shí)際輸出電流；若實(shí)際測(cè)量電流值小于設(shè)定電流值，使2、4 導(dǎo)通，增大實(shí)際輸出，最終使輸出電流圍繞設(shè)定好的波形做鋸齒形變化。用標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)與實(shí)際輸出電流Im 的乘積就是最終得到的電流輸出波形，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，就可以控制輸出無(wú)功的性質(zhì)。

下圖中黃色、綠色、粉色分別代表A、B、C 三相電壓，藍(lán)色是B相電流波形，可見，電流跟蹤效果很好，手動(dòng)使裝置輸出感性，所以電流滯后電壓90 度。這種控制方法直接電流控制方法引入了輸出電流的反饋控制回路，使得STATCOM 的輸出電流能夠?qū)崟r(shí)跟隨指令電流的變化。直接電流控制方法動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，輸出電流諧波小，實(shí)際應(yīng)用中效果較好。

三、直流電容電壓平衡控制

級(jí)聯(lián)STATCOM 直流側(cè)電容互相獨(dú)立，在理想情況下直流側(cè)不消耗有功功率，能很好地維持各直流電壓平衡。由于各個(gè)開關(guān)器件的開關(guān)特性、并聯(lián)損耗，每個(gè)直流電容的充、放電時(shí)間不同等差異，造成各個(gè)模塊直流電壓不平衡，從而導(dǎo)致輸出電壓的畸變，影響輸出電壓和電流的質(zhì)量，使各個(gè)開關(guān)器件電壓應(yīng)力不均，以致燒毀開關(guān)器件危害裝置的安全運(yùn)行，因此在級(jí)聯(lián)STATCOM 中必須對(duì)直流側(cè)不平衡進(jìn)行控制。諧波和串聯(lián)型損耗的差異不會(huì)造成電容電壓不平衡；電容器容量差異會(huì)影響動(dòng)態(tài)過(guò)程中電容電壓的分配，但不會(huì)造成穩(wěn)態(tài)時(shí)電容電壓不平衡；穩(wěn)態(tài)時(shí)電容電壓不平衡是由于混合型損耗、并聯(lián)型損耗差異以及脈沖延時(shí)不同造成的。

目前，已有一些控制直流側(cè)電壓平衡的方法應(yīng)用到級(jí)聯(lián)STATCOM 中，并取得了較好的效果，實(shí)際上直流側(cè)電壓平衡也一直是研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。在最近的一些控制方法中，文獻(xiàn)[6]采用調(diào)節(jié)各個(gè)單元逆變器的輸出電壓的相位的方法來(lái)維持直流側(cè)電壓平衡，但是調(diào)節(jié)的相位范圍小，控制能力較弱；另外，角度的調(diào)節(jié)通常需要在控制中加入直流平衡PI 環(huán)，每個(gè)模塊的直流電容電壓需要一個(gè)控制環(huán)，PI 參數(shù)的調(diào)節(jié)非常復(fù)雜，隨著級(jí)聯(lián)個(gè)數(shù)的增加，算法的復(fù)雜程度急劇增加。文獻(xiàn)采用外部交換功率的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓平衡，其缺點(diǎn)是在直流側(cè)有輔助的高頻耦合母排，帶有AC/DC 轉(zhuǎn)換電路，導(dǎo)致模塊結(jié)構(gòu)復(fù)雜、布局困難以及成本的增加。循環(huán)交換觸發(fā)脈沖也能處理電容電壓不平衡，通過(guò)發(fā)脈沖的輪轉(zhuǎn)，使同一橋臂內(nèi)各個(gè)模塊的導(dǎo)通時(shí)間基本相同，消除由調(diào)制方式造成的直流側(cè)電壓不平衡。理想情況下循環(huán)交換能夠平衡各個(gè)直流電壓，實(shí)際各個(gè)開關(guān)并不能等效為理想開關(guān)，因此并不能解決直流側(cè)電壓不平衡問(wèn)題。

系統(tǒng)上電瞬間，系統(tǒng)通過(guò)IGBT 反向并聯(lián)的二極管，為直流側(cè)電容充電，自然充電理論上可充到系統(tǒng)相電壓最大值，約為670V。如圖，黃色、綠色、紅色分別代表系統(tǒng)線電壓（幅值較高）和系統(tǒng)相電壓（幅值較低）的ABC 三相。當(dāng)A 相過(guò)零時(shí)，將A 相所有模塊短接，此時(shí)為B 相充電，理論上可充到系統(tǒng)線電壓最大值；同理，B 相過(guò)零時(shí)，將B 相所有模塊短接，為C 相充電，C 相過(guò)零時(shí)，將C 相所有模塊短接，為A 相充電。但根據(jù)實(shí)際運(yùn)行需要，控制短路時(shí)間就可以控制充電的多少，這里將工作電壓設(shè)定為800V。

在理想情況下，直流側(cè)不消耗有功功率，能很好地維持各直流電壓平衡。但由于各個(gè)開關(guān)器件的開關(guān)特性、并聯(lián)損耗，每個(gè)直流電容的充、放電時(shí)間不同等差異，造成各個(gè)模塊直流電壓不平衡，從而導(dǎo)致輸出電壓的畸變，影響輸出電壓和電流的質(zhì)量，造成電壓波動(dòng)，會(huì)影響裝置的安全和穩(wěn)定運(yùn)行，必須加以控制。理想情況下，每個(gè)模塊的電容充放電是相等的，我們把輸出電壓波形等分成400 個(gè)點(diǎn)，每10 個(gè)點(diǎn)作為一個(gè)大點(diǎn)，每一個(gè)點(diǎn)作為一個(gè)小點(diǎn)，單個(gè)模塊中加一個(gè)循環(huán)比較，每個(gè)模塊跟設(shè)定電壓值進(jìn)行比較，通過(guò)左右移點(diǎn)改變模塊的充放電，使每個(gè)模塊電壓穩(wěn)定在設(shè)定值。

四、保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

STATCOM 的保護(hù)系統(tǒng)既包含了傳統(tǒng)意義上保護(hù)的功能，也包含了在裝置瞬時(shí)性故障及電力系統(tǒng)故障或擾動(dòng)發(fā)生時(shí)所采取的控制措施，稱為控制性保護(hù)[1]。只有通過(guò)兩者的有機(jī)結(jié)合，才能使STATCOM 在保證自身安全的前提下，充分發(fā)揮其在電力系統(tǒng)中應(yīng)有的作用。分級(jí)動(dòng)作的過(guò)電流、過(guò)電壓保護(hù)是整個(gè)裝置保護(hù)系統(tǒng)的核心，針對(duì)不同形式的過(guò)電流和過(guò)電壓，應(yīng)該采用不同的保護(hù)方法。而分級(jí)保護(hù)體系設(shè)計(jì)的依據(jù)就是STATCOM 所處的工作狀態(tài)，即除了正常運(yùn)行狀態(tài)之外的異常、緊急和故障3種狀態(tài)。

如果異常狀態(tài)下的控制性保護(hù)措施不能對(duì)裝置的電壓、電流進(jìn)行有效限制，那么裝置便會(huì)進(jìn)入緊急狀態(tài)。裝置進(jìn)入緊急狀態(tài)的原因通常是系統(tǒng)發(fā)生了故障或大的擾動(dòng)，或者是裝置自身出現(xiàn)了故障。如果裝置自身的故障是短時(shí)間的或瞬時(shí)的（主要包括同步信號(hào)的抖動(dòng)、脈沖不對(duì)稱引起的偏磁飽和、突發(fā)干擾引起的誤觸發(fā)等），那么裝置可以停留在緊急狀態(tài)，當(dāng)瞬時(shí)性故障消失后可以從緊急狀態(tài)回到異常狀態(tài)（如果系統(tǒng)仍處于故障期間）或正常狀態(tài)。此外，某些系統(tǒng)輔助設(shè)備如監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)以及變壓器風(fēng)機(jī)故障時(shí)，裝置也會(huì)處于緊急狀態(tài)，等待值班人員進(jìn)行處理。進(jìn)入緊急狀態(tài)后，裝置處于“封鎖脈沖運(yùn)行方式”，即指關(guān)斷STATCOM 中所有的GTO 但卻不將STATCOM 與電力系統(tǒng)解列的運(yùn)行方式。也就是說(shuō)，該方式僅僅停止逆變器的逆變過(guò)程，而保留逆變器的整流過(guò)程。當(dāng)封鎖GTO 但是STATCOM 不與系統(tǒng)解列時(shí)，系統(tǒng)電壓將通過(guò)由續(xù)流二極管構(gòu)成的整流橋?qū)χ绷鱾?cè)電容充電。

五、結(jié)論

文中介紹了±5Mvar STATCOM 在的應(yīng)用背景，給出了大容量STATCOM 的總體方案設(shè)計(jì)方法及±5Mvar STATCOM 在系統(tǒng)中的接線，并給出了對(duì)裝置各部分的設(shè)計(jì)思路及功能，這些經(jīng)驗(yàn)為今后更大容量STATCOM 的設(shè)計(jì)提供了一定的參考。