信元瑞变电站方案.doc

上海信元瑞电器有限公司 智能变电站工程静止型动态无功补偿装置(SVG) 技术方案上海信元瑞电气有限公司2013年04月目录第1章 企业简介与SVG概述11.1 信元瑞公司简介11.2 SVG产品概述21.3 SVG产品发展4第2章 公司技术优势及其SVG产品特点52.1 公司技术优势52.2 SVG产品技术特点6第3章 SVG总体说明73.1 控制原理说明及框图73.2 SVG系统的组成及控制原理103.3 SVG补偿无功和治理电压波动123.4 SVG技术优势13第4章 SVG系统设计原始资料15第5章 方案设计175.1 补偿方案确定175.2 SVG设计方案175.3 设备投运后达到的技术指标和性能考核18第7章 关键设备及其技术特点197.1 牵引级IGBT模块197.2 DC - LINK 直流链电容197.3 功率单元207.4 全数字控制系统20第1章 企业简介与SVG概述1.1 信元瑞公司简介上海交通大学第六工作室组建于上世纪末。一直以来，凭借十几位来自电子、计算机和自动控制领域的科研人员，广泛服务于国内电能质量治理、新能源领域的生产厂商，为其提供核心技术研发、主控系统以及核心部件。 在全球气候变化和能源消耗不断攀升的背景下，节能减排、改善能源利用效率和提高电能质量已迫在眉睫。为此，以上海交大第六工作室技术为背景的“上海信元瑞电气有限公司”于2010年应运而生。依托技术和人才优势（博士4人，研究生10人，本科学历5人），信元瑞电气已成为全行业为数不多的最具有持续创新能力的企业之一。 目前，“信元瑞”依靠前瞻性决策、国内领先的技术和专业严谨的制造能力，吸引了国内多家知名的APF、SVG、输变电设备生产商，为其提供技术领先的核心部件与集成方案。不仅如此，我们整合国际上最新技术，能根据用户的特殊要求或不同的应用环境，设计生产出符合用户要求的产品。为军事设施、电力系统、新能源利用、通讯设备、轨道交通、机场、金融、证券、医疗和智能建筑领域，提供最可靠的电力安全保障与最佳的能效解决方案。信元瑞电气将继续秉承上海交大第六工作室扎根于技术创新和引领科技的理念，完成由幕后技术开发到直接面对终端用户的角色转换,并致力于智能高科技产品的普及化，为能源利用和电力质量改善事业做出更大的努力。1.2 SVG产品概述SVG全称为Static Var Generator,即静态无功发生器，它是在电力电子技术与SVC研究的基础上研制的，是一种更先进、更可靠、更灵活的无功补偿装置。SVG并联与电网中，相当于一个可变的无功电源。由于SVG响应速度极快，所以又称为静止同步补偿器。SVG的基本愿理是利用可关断大功率电力电子器件组成自换相桥式电路，经过电抗器并联在电网上。适当的调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。SVG既可以发容性无功，又可以发感性无功，其无功可连续调节，调节速度快，运行范围宽，在采取多重化、多电平或脉冲宽度调制（PWM）技术等措施后可大大减少补偿电流中谐波的含量。SVG采用柜体式结构，配电装置室内主要噪声源为SVG通风散热风机产生的噪声、SVG串联电抗器运行产生的噪声。在变站工程中，为了有效控制动态无功补偿装置室向外传播的噪音，采取了一系列措施。对与设备的处理，在功率柜风机与柜体柜固体处设置减振垫 ，并在安装风机的柜体侧板及底板上设置加强筋，在串电抗基础也设置减振垫 ，从设备源头实施降噪音减振措施；消减室内混响声。采用了上述措施后，在变电站投运后动态无功补偿装置室外实测音值不大于55dB(A),具有显然的效果。1.3 SVG产品发展作为SVC的下一代产品，SVG在响应速度、稳定电网电压、降低系统损耗、增加传输能力、提高瞬变电压极限、降低谐波和减小占地面积等多方面具有更加优越的性能。依托公司雄厚的技术力量，信元瑞公司从2005年底就着手研发高压大容量的SVG。2006年，由信元瑞公司自行研制的以美国TI公司DSP为核心控制器的SVG试验平台顺利完成。2007年，信元瑞公司研制的国内首台应用于牵引变流站的SVG投入运行。已经在电网、轨道交通、冶金、煤矿、风电、石化等行业广泛应用，其技术先进性和运行可靠性均得到了用户的高度认可。信元瑞公司目前已拥有SVG产品相关的21 项核心专利与9 项软件著作权。信元瑞公司集各方之所长，技术力量雄厚，具有全方位研究、设计、制造及检测能力，并与国内外著名研究机构及电气公司有着紧密地学术联系和技术合作，本公司的众多优秀技术人员愿与广大用户的专家们一道努力，以先进的技术和优质的产品，致力于中国的电网稳定和纯净工程，为各工矿企业及电力部门的节能降耗和安全生产做出贡献。第2章 公司技术优势及其SVG产品特点2.1 公司技术优势u 信元瑞公司在动态无功补偿领域内具备了丰富的设计和实施经验，可最大限度地确保系统和装置的安全、可靠。u 开创了SVG进行区域电网负序电流、谐波电流治理的先河，为我国同类工程的建设积累了宝贵经验。u 建立具备国际先进水平的试验中心，确保SVG设备的可靠性，并缩短了现场调试时间。u 信元瑞公司是国家发展计划委员会为加快中国在动态无功补偿领域的国产化和国际化进程，替代进口，立专项资金建设的国家高技术产业化示范工程。u SVG已做到了标准化生产，有完善的备品备件库，可及时方便、快捷、优质地为用户提供专业的售后服务，并可使用户做到备件零库存，降低用户运行成本；u 信元瑞公司是国内制造周期、现场调试时间最短的动补装置生产企业。u 信元瑞公司是规范化的股份制企业，管理完善，资产优良，有较强的经济实力，可确保项目的顺利实施。2.2 SVG产品技术特点u 本项目设计选用成熟、可靠、先进、实用的，基于DSP全数字控制系统的SVG新型动态无功补偿装置。主要元器件选用国外著名公司的进口产品，IGBT采用原装进口优质元件，因其导通一致性好、压降小、热阻小，最适合高压SVG装置的长期可靠运行；阻容吸收采用德国EPCOS公司产品、光纤采用美国AVAGO公司产品；u 信元瑞公司具有强大的研发及生产制造实力，具备各电压等级（6kV、10kV及特殊电压等级）、各种型式（并联多重化、链式、三电平、半桥级联）的SVG生产和制造能力。u 在国内同行业率先采用全球远程监控系统，可为用户随时提供在线诊断、提示服务，提高了设备的长期可靠运行率；产品生产贯彻ISO9001质保体系，所有元器件均经过严格筛选，所有电路板通过100%在线检测；所有电路板在通过工作电流的条件下做48小时高低温循环老化试验（1055），电路板焊接采用无铅热风回流焊机和无铅双波峰焊机；u 信元瑞公司采用国际先进的系统仿真软件，对谐波潮流、谐波阻抗、系统设置、操作过电压等进行仿真计算，保证系统不同运行工况条件下，所设计的滤波器不与系统产生并联谐振和谐波放大；u 控制柜采用德国威图原装进口柜体，抗干扰能力强，控制系统响应时间快，可靠性高；u 控制系统采用基于DSP的全数字控制系统；u 监控系统采用一体化工作站，人机界面友好，方便用户使用和维护。第3章 SVG总体说明3.1 控制原理说明及框图3.1.1 供电系统结构一般电力系统用户负荷吸收有功功率和无功功率。图3-1 简单的负荷连接 电源提供有功功率PS和无功功率QS（可能为感性无功，也可能是容性无功），忽略变压器和线路损耗，则有，。没有足够无功补偿的电网存在以下几个问题：1）电网从远端传送无功；2）负荷的无功冲击影响本地电网和上级电网的供电质3）负荷的不平衡与谐波也会影响电网的电能质量。因此，电力系统一般都要求对用电负荷进行必要的无功、不平衡与谐波补偿，以提高电力系统的带载能力，净化电网，改善电网电能质量。3.1.2 SVG的基本原理 所谓SVG（Static Var Generator），就是专指由自换相的电力半导体桥式变流器来进行动态无功补偿的装置。设电网电压和SVG输出的交流电压分别用相量和表示，则连接电抗X上的电压即为和的相量差，而连接电抗的电流是可以由其电压来控制的。这个电流就是SVG从电网吸收的电流。如果未计及连接电抗器和变流器的损耗，SVG的工作原理可以用下图所示的单相等效电路图来说明。在这种情况下，只需使与同相，仅改变幅值大小即可以控制SVG从电网吸收的电流是超前还是滞后90，并且能控制该电流的大小。a）单相等效电路 b）相量图图3-2 SVG等效电路及工作原理（未计及损耗）SVG详细的工作模式及其补偿特性如表3-1所示。表3-1 SVG的运行模式及其补偿特性说明采用直接电流控制的有源滤波型中压SVG的工作原理如下图所示。从图中可以得出式(1)，即电源电流是负载电流和补偿电流之相量和。假设负载电流中含有基波正序电流（包括基波正序无功电流和基波正序有功电流）、基波负序电流和谐波电流，如式(2)所示。图3-3 采用直接电流控制的静止无功发生器的工作原理(1)(2)为使电源电流中不含有基波正序无功和基波负序电流，则需要控制SVG输出电流满足式(3)。这样电源电流中就只含有基波正序有功和谐波电流，如式(4)所示。(3) (4)因此，要想达到补偿目的，关键是控制SVG输出电流满足式(3)。从SVG工作原理的描述可以看出，如果要使SVG在补偿无功的基础上还对负载谐波进行抑制，只需要使SVG输出相应的谐波电流即可。因此，从这个意义上说，SVG能够同时实 现补偿无功电流和谐波电流的双重目标。3.2 SVG系统的组成及控制原理（1）启动柜由启动开关、充电电阻等各个部分组成。SVG装置的启动方式为它励启动，在主开关合闸后，系统电压通过预充电控制器对功率单元的直流电容进行充电，当充电电压到达额定值80%后，控制系统闭合启动开关，将充电电阻旁路。（2）功率柜的主要组件是功率单元，10KV SVG每相有12个功率单元。功率模块的控制器，除了采样回路、保护回路和输出驱动回路外，几乎所有的逻辑和通讯处理均采用大规模FPGA芯片完成，智能化的设计使得硬件设计简单，软件设计灵活，便于以后的功能修改和升级，而且可靠性高，受功率器的干扰小。由功率模块构成的IGBT逆变装置将直流电压逆变成交流电压，并控制该交流电压的频率、幅值和相位，从而实现整个装置输出无功调节和滤波功能；（3）直流电容器为装置提供直流电压支撑（相当于调相机的励磁装置），并对直流电压起平波作用。（4）控制保护监测综合系统可快速检测系统的电压、无功变化，计算装置所应提供的无功容量，据此实现触发脉冲产生和分配，并对成套装置实现分层分级的保护。3.2.1 SVG系统组成（示例） 图3-4 SVG组成示意图图3-5 SVG功率单元组成示意图3.2.2 SVG控制系统的基本组成SVG控制策略有直接电流控制和间接电流控制，我公司采用性能优越的直接电流控制方法，直接电流控制方法框图如下图所示。图3-6 SVG控制系统的示意图3.2.3 SVG控制方式SVG连接到系统中，通过控制SVG输出电流的幅值与相位来决定从SVG输出的无功的性质与大小QSVG，SVG输出的无功与系统负荷无功相抵消，只要Qs（系统）=QL（负载）-QSVG=恒定值（或0），功率因数就能保持恒定，电压几乎不波动。最重要的是精确计算出负载中的瞬时无功电流。采集的进线电流及母线电压经运算后得出要补偿的无功功率，计算机发出触发脉冲，光纤传输至脉冲放大单元，经放大后触发IGBT，获得所补偿的无功电流。3.3 SVG补偿无功和治理电压波动图3-7 带有SVG无功补偿装置的系统假设负荷消耗感性无功（一般工业用户都是如此）QL，此时控制SVG使其产生容性无功功率，并取QSVG=QL，这样在负荷波动过程中，就可以保证：QS=QSVG-QL=0，此时功率因素达标。同时由于SVG响应速度很快，可达到治理电压闪变和波动的目的。如果对电网等比较复杂的补偿对象而言，当需要向电网提供感性无功时，可以通过对SVG的控制，使其产生感性无功功率，并取QSVG=QC，这样在负荷波动过程中，仍然可以保证：QS=QSVG-QC=0。图3-8 SVG补偿无功 （a）补偿前电压和电流 （b）补偿后电压和电流3.4 SVG技术优势 通过以上章节对SVG原理及功能的描述可以知道，SVG可以根据负载特点和工况，自动调节其输出的无功功率的大小和性质（容性或者感性）。因此，从本质上讲，SVG可以等效为大小可以连续调节的电容或电抗器。SVG是目前最为先进的无功补偿技术，其基于电压源型变流器的补偿装置实现了无功补偿方式质的飞跃。它不再采用大容量的电容、电感器件，而是通过大功率电力电子器件的高频开关实现无功能量的变换。从技术上讲，SVG较传统的无功补偿装置有如下优势： (1) 响应时间更快SVG响应时间：5ms。传统静补装置响应时间： 10ms。SVG可在极短的时间之内完成从额定容性无功功率到额定感性无功功率的相互转换，这种无可比拟的响应速度完全可以胜任对冲击性负荷的补偿。(2) 抑制电压闪变能力更强SVC对电压闪变的抑制最大可达2：1，SVG对电压闪变的抑制可以达到5：1，甚至更高;SVC受到响应速度的限制，其抑制电压闪变的能力不会随补偿容量的增加而增加。而SVG由于响应速度极快，增大装置容量可以继续提高抑制电压闪变的能力。 (3) 运行范围更宽SVG能够在额定感性到额定容性的范围内工作，所以比SVC的运行范围宽很多。也就是说，当SVC需要在正负全范围运行时，需要TCR和FC配合使用，整个装置损耗较大，占地面积也较大。更重要的是，在系统电压变低时，SVG还能够输出与额定工况相近的无功电流。而SVC输出的无功电流与电网电压成正比，电网电压越低，其输出的无功电流也越低，所以对电网的补偿能力也相应变弱。这是SVC技术本质的缺点。(4) 补偿功能多样化使同一套SVG装置，可以实现不同的多种补偿功能： 单独补偿负载无功 单独补偿负载谐波 单独补偿负载不平衡 同时补偿负载无功、谐波和不平衡所以，SVG具有强大的补偿功能。(5) 谐波含量极低荣信SVG采用了PWM技术、多电平技术，不仅自身产生的谐波含量极低，还能够对负载的谐波和无功进行补偿，实现有源滤波的功能，真正做到多功能化。而TCR和TSC自身均要产生很大的谐波电流，所以还需要安装相应的FC滤波装置，增加了额外的成本。(6) 占地面积较小由于无需大容量的电容器和电抗器做储能元件，SVG的占地面积通常只有相同容量SVC的50%，甚至更小。所以，在一些厂矿改造中SVG具有很大的优势。第4章 SVG系统设计原始资料4.1 遵循的主要标准DL/T672-1999变电所电压无功调节控制装置订货技术条件GB 1207-1997电压互感器GB50227高压并联电容器装置设计规范。GB311.2311.6-83 高电压试验技术。GB11 024 高电压并联电容器耐久性试验。GB11025 并联电容器用内部熔丝和内部过压力隔离器。GB50227并联电容器装置设计规范GB3983.2-89高电压并联电容器JB7111-97高压并联电容器装置DL/T604-1996高压并联电容器装置定货技术条件GB3983.2高压并联电容器 GB5316串联电抗器GB1985-89交流高压隔离开关和接地开关DL/T 4621992高压并联电容器用串联电抗器订货技术条件JB/T 3840-1985并联电容器单台保护用高压熔断器DL/T620 交流电气装置的过电压保护和绝缘配合GB/T 11032-2000交流无间隙金属氧化物避雷器GB3ll.16 高压输变电设备的绝缘配合GB3ll.7 高压输变电设备的绝缘配合使用导则GB 5582 高压电力设备外绝缘污秽等级GB11022 高压开关设备通用技术条件GB1985 交流高压隔离开关和接地开关GB5273 变压器、高压电器和套管的接线端子GB/T6451-1999 三相油浸式电力变压器技术参数和要求GB/T13499-1992 电力变压器应用导则G/T 12325-2003 电能质量 供电电压允许偏差GB 12326-2000 电能质量 电压波动和闪变GB/T14549-1993 电能质量 公用电网谐波GB/T 15543-1995 电能质量 三相电压允许不平衡度GB14285-93 继电保护和安全自动装置技术规程DL/T677-1999 继电保护设备信息接口配套标准以及其它相关标准；以上标准均执行最新版本。第5章 方案设计变电站应考虑减少由于闪电、开关涌流、线路故障和谐波源引起的电能质量的扰动，而随着对供电质量和可靠性要求的提高，电压成为衡量电能质量的一个重要指标，电压质量对电网稳定及电力设备安全运行具有重大影响。要保证电力系统稳定运行和用户的供电质量，并减少电网的电能损失，合理配置系统无功分布、提高系统无功运行水平是重要措施之一。到目前为止，提供无功功率及电压支持的最便宜的手段是采用电容器/电抗器。其主要特点是价格低，效率高，运行成本低，在保护完善的情况下可靠性也很高。可通过投切电容器校正受端的功率因数，扩展电压稳定极限；也可以用于释放发电机的旋转无功备用，并由此在很多情况下可以帮助防止电压崩溃。但由于并联电容器/电抗器仅提供被动补偿，因此从电压稳定性和控制的角度看，并联电容器/电抗器有一些固定的限制。而采用响应速度快的SVG装置，对于系统电压稳定和抑制系统振荡有显著效果，并且其主动无功补偿的特点，使它们根据电网系统运行状态吸收/提供无功功率完全达到自动调节的功效。5.1 补偿方案确定根据变电站现实情况，我公司提出两种解决方案。方案一：一期整套设备设定补偿范围为-4.5Mvar10Mvar，预计二期整套设备与一期相同。单套无功补偿装置为一台5Mvar SVG加一套5Mvar电容器组设备并联组成。方案二：整套设备设定补偿范围为-9Mvar20Mvar，一期变电站项目与二期共用一套设备。单套无功补偿装置为一台10Mvar SVG加一套10Mvar电容器组设备并联组成。5.2 SVG设计方案5.3.1 SVG接入设计SVG由一系列的功率单元组成，SVG的系统结构如图5-1所示。图5-1 每套SVG系统结构SVG装置并网于35kV母线侧，装置入口电压为35kV。鉴于目前IGBT的工艺水平和应用需求，荣信SVG选用处于国际领先水平的EUPEC公司的IGBT。5.3 设备投运后达到的技术指标和性能考核(1) 35kV 母线进线点或上级母线考核点的功率因数值满足要求。(2) 整体装置输出调节功率为线性连续调节。(3) 系统响应时间5ms(4) 装置应具备完善的控制、保护和报警措施。在装置故障时应提供报警信号，严重故障时应封锁SVG驱动脉冲，同时将装置退出运行。SVG成套装置除装有常规的电流速断和过流保护外，还具有过电压保护及低电压保护等一系列保护措施，确保装置安全。(5) 注入系统的谐波电流和35kV母线电压总谐波畸变率低于国家标准电能质量、公用电网谐波GB/T14549-93。(6) 35kV母线电压的电压闪变和波动满足国家标准电能质量、电压波动和闪变GB/T123262000。短时闪变Pst长时闪变Plt电压波动限制值1.00.82%第7章 关键设备及其技术特点7.1 牵引级IGBT模块l 采用国际顶级优质开关器件德国英飞凌公司的牵引级IGBT模块。l 较大的模块裕量设计，提高设备可靠性和安全性。l AlSiC基板，AlO绝缘陶瓷衬底，耐功率、热循环能力强。l IGBT模块内反并二极管尺寸大一倍抗电流、电压尖峰冲击能力更强。l 牵引级IGBT模块内部封装电感更低。l 抗干扰能力更强。7.2 DC - LINK 直流链电容l 荣信公司SVG采用IGBT专用DC-Link直流链电容，该电容具有如下优势：l 低等效串联电阻 l 低等效串联电感 l 高纹波电流，长寿命l 1.6倍过压能力 l 高有效电流处理能力，免维护l 高温条件下的电容特性优良。7.3 功率单元l 主要包括IGBT、直流电容、缓冲吸收电路、驱动电路等。l SVG的核心主电路，用以实现功率变换。l 模块化设计，功率单元的结构和电气性能完全一致，可以互换。l 插排式设计，方便组装与更换。l 统一风道设计，装置散热更加可靠。7.4 全数字控制系统l 采用美国TI公司先进DSP芯片