H橋級聯型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.國網河南省汝州市供電公司(河南 汝州 467599)

摘要：目前，靜止無功發生器(SVG)已廣泛應用于風力發電、太陽能發電等清潔能源領域。本文根據我公司自主研制的±10Mvar/10kV靜止無功發生器，詳細介紹了SVG鏈節(H橋級聯)及其對沖試驗(即等價額定工況下運行試驗的內容、過程及其測試結果)。通過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公司《鏈式靜止同步補償器》技術標準的要求，從而確保±10Mvar/10kV靜止無功補償器能夠在工程現場正常運行。

引言

　　目前，H橋級聯(鏈節)的拓撲結構在大容量靜止無功發生器(SVG)上已得到了廣泛的應用^[1]，該結構的優點包括：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]。考慮到系統電壓等級、系統容量、諧波特性以及設計對SVG性能和現場運行特點的要求，我公司自主研制的±10Mvar/10kV SVG裝置采用星形連接方式。±10Mvar/10kV SVG裝置出廠前，必須驗證各鏈節的各項性能，對各鏈節進行對沖試驗，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公司《鏈式靜止同步補償器》技術標準^[8]及用戶設計的要求。

1 SVG鏈節對沖試驗的基本原理

　　在等效額定工況下，將兩個鏈節輸出側通過一個連接電抗相連，其中一個鏈節的直流電容由外部可調直流電源供電，另一個鏈節的直流電容不加外部直流源，通過調節兩個鏈節輸出電壓的相位角來控制鏈節間交換的無功功率方向和大小，兩個鏈節間只交換無功功率，直流源提供的功率即為兩個鏈節的功耗^[3]。該試驗方法稱為對沖試驗。

　　對沖試驗時，使得一個鏈節發出額定無功功率，另一個鏈節吸收額定無功功率。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，且滯后一個角度δ，通過主控裝置下發控制指令，實現M和δ的調節，從而控制鏈節間交換的無功功率。

　　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為試驗測量觀察。該對沖試驗系統類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。

　　本系統采用開環控制方法，即通過控制兩個鏈節間調制信號的幅值和相角差來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

　　①各鏈節在周期開通和關斷過程當中，檢驗其耐受電壓和電流的極限強度;

　　②驗證各鏈節的控制板和驅動板等板件在額定工況運行下抗干擾能力;

　　③根據試驗中對IGBT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機選型的合理性，確保IGBT模塊的安全可靠運行;

　　④計算各鏈節的功耗大小。

2.2 對沖試驗的要求

　　在試驗過程當中，為了測試鏈節的實際運行極限，必須保證通過鏈節的電流、IGBT導通與關斷時IGBT的瞬時電流和直流電容上的瞬時電壓為SVG實際運行時的最大值的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，進行系統長期運行在10.5MVar，即電流606A。

2.3 對沖試驗的步驟

　　①首先，通過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狀態，同步觸發兩個鏈節，使各鏈節的電壓和電流達到額定工況時的最大值;

　　②通過控制相角δ使通過鏈節的電流上升到最大值，試驗過載系數為1.1倍，保持觸發角恒定不變，直到IGBT結溫度始終沒有到閉鎖脈沖的設定值即110℃，并能可靠開通和關斷;

　　③在額定工況下，測算每個鏈節的開關損耗，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;

　　④測量鏈節各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運行情況下都不超過過溫保護門檻值，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裝置出廠前，SVG的各鏈節必須經過對沖試驗，驗證鏈節在等效額定工況運行下的各項技術指標和性能。SVG裝置所需的鏈節均在對沖試驗平臺進行各項測試，并對試驗結果進行整理和歸檔，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、兩個泰克高壓差分電壓探頭(型號為P5210A)、一個羅氏線圈電流探頭(型號為CWT15B)和一個萬用表。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，進行V/f控制，調節兩個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：

　　對沖試驗還包括過電流、過電壓和過溫試驗。鏈節輸出電流和IGBT模塊溫度的保護門檻值分別為1000A和110℃，直流電壓過壓保護門檻值為1050V，欠壓保護門檻值為600V，超過保護門檻值時，主控裝置將發出鏈節IGBT驅動脈沖的閉鎖信號，從而防止損壞鏈節的IGBT模塊。同時，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流、過壓和過溫保護能否正確動作。

　　鏈節達到額定工況運行下周期觸發和熄滅試驗[8]時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，由于采用開環控制方法，故交流側電流會出現一定的波動，不過可以滿足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，均未超過設定的保護門檻值，從而保證鏈節對沖試驗可以長期可靠地運行。

　　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，且均在保護門檻值范圍內，驗證了各鏈節的性能和技術標準^[6]。

4 結語

　　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，通過在等效額定工況運行試驗[7]，檢驗鏈節的各項性能和技術指標是否滿足國家電網公司《鏈式靜止同步補償器》技術標準及用戶設計的要求。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的依據和保障。

參考文獻：

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　　[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]《鏈式靜止同步補償器》公司技術標準，國家電網科[2009]166號文，2009.

本文來源于中國科技期刊《電子產品世界》2016年第11期第65頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。