H橋級聯(lián)型SVG鏈節(jié)及其對沖試驗(yàn)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，靜止無功發(fā)生器(SVG)已廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電等清潔能源領(lǐng)域。本文根據(jù)我公司自主研制的±10Mvar/10kV靜止無功發(fā)生器，詳細(xì)介紹了SVG鏈節(jié)(H橋級聯(lián))及其對沖試驗(yàn)(即等價(jià)額定工況下運(yùn)行試驗(yàn)的內(nèi)容、過程及其測試結(jié)果)。通過各鏈節(jié)的對沖試驗(yàn)及其測試結(jié)果，驗(yàn)證了各鏈節(jié)的功能和控制策略的效果，使得鏈節(jié)的設(shè)計(jì)符合國家電網(wǎng)公司《鏈?zhǔn)届o止同步補(bǔ)償器》技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，從而確保±10Mvar/10kV靜止無功補(bǔ)償器能夠在工程現(xiàn)場正常運(yùn)行。

引言

　　目前，H橋級聯(lián)(鏈節(jié))的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在大容量靜止無功發(fā)生器(SVG)上已得到了廣泛的應(yīng)用^[1]，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)包括：1)采用模塊化結(jié)構(gòu)，利于容量的擴(kuò)展;2)采用冗余設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)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(jù)系統(tǒng)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(tǒng)電壓等級、系統(tǒng)容量、諧波特性以及設(shè)計(jì)對SVG性能和現(xiàn)場運(yùn)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。±10Mvar/10kV SVG裝置出廠前，必須驗(yàn)證各鏈節(jié)的各項(xiàng)性能，對各鏈節(jié)進(jìn)行對沖試驗(yàn)，即在等效額定工況下運(yùn)行試驗(yàn)，檢驗(yàn)各鏈節(jié)的控制性能、保護(hù)功能、冷卻方式和效果以及電磁兼容等是否達(dá)到國家電網(wǎng)公司《鏈?zhǔn)届o止同步補(bǔ)償器》技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)^[8]及用戶設(shè)計(jì)的要求。

1 SVG鏈節(jié)對沖試驗(yàn)的基本原理

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

　　對沖試驗(yàn)時(shí)，使得一個鏈節(jié)發(fā)出額定無功功率，另一個鏈節(jié)吸收額定無功功率。設(shè)定鏈節(jié)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(xiàn)脈沖寬度的生成;鏈節(jié)2為被控制的單元，其參考電壓信號為鏈節(jié)1給定信號的M(調(diào)制比)倍，且滯后一個角度δ，通過主控裝置下發(fā)控制指令，實(shí)現(xiàn)M和δ的調(diào)節(jié)，從而控制鏈節(jié)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(cè)的電壓和交流側(cè)電流，用于主控裝置的控制算法中;鏈節(jié)輸出側(cè)兩端電壓Uab、Ucd為試驗(yàn)測量觀察。該對沖試驗(yàn)系統(tǒng)類似于孤島運(yùn)行的電力系統(tǒng)，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(shè)定值。

　　控制系統(tǒng)采用固定載波和調(diào)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(jié)1的調(diào)制電壓信號，其中S1和S2采用直接給定的調(diào)制信號;將給定的參考電壓反相作為S3和S4的調(diào)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(diào)制信號作為鏈節(jié)2的調(diào)制信號，其中，S3`和S4`采用直接控制生成的調(diào)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(tǒng)采用開環(huán)控制方法，即通過控制兩個鏈節(jié)間調(diào)制信號的幅值和相角差來完成所有驗(yàn)證的測試內(nèi)容。

2 SVG鏈節(jié)的對沖試驗(yàn)

2.1 鏈節(jié)對沖試驗(yàn)的目的

　　①各鏈節(jié)在周期開通和關(guān)斷過程當(dāng)中，檢驗(yàn)其耐受電壓和電流的極限強(qiáng)度;

　?、隍?yàn)證各鏈節(jié)的控制板和驅(qū)動板等板件在額定工況運(yùn)行下抗干擾能力;

　　③根據(jù)試驗(yàn)中對IGBT模塊溫度的測量，驗(yàn)證鏈節(jié)中各功率元件的散熱效果以及風(fēng)機(jī)選型的合理性，確保IGBT模塊的安全可靠運(yùn)行;

　?、苡?jì)算各鏈節(jié)的功耗大小。

2.2 對沖試驗(yàn)的要求

　　在試驗(yàn)過程當(dāng)中，為了測試鏈節(jié)的實(shí)際運(yùn)行極限，必須保證通過鏈節(jié)的電流、IGBT導(dǎo)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(yùn)行時(shí)的最大值的1.05倍。本系統(tǒng)的額定容量為10MVar，對應(yīng)的電流為577.4A;在測試時(shí)，進(jìn)行系統(tǒng)長期運(yùn)行在10.5MVar，即電流606A。

2.3 對沖試驗(yàn)的步驟

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

　?、谕ㄟ^控制相角δ使通過鏈節(jié)的電流上升到最大值，試驗(yàn)過載系數(shù)為1.1倍，保持觸發(fā)角恒定不變，直到IGBT結(jié)溫度始終沒有到閉鎖脈沖的設(shè)定值即110℃，并能可靠開通和關(guān)斷;

　　③在額定工況下，測算每個鏈節(jié)的開關(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(jì)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(jié)的功耗;

　?、軠y量鏈節(jié)各IGBT模塊的溫升，確保鏈節(jié)中各IGBT模塊的溫升在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，證明鏈節(jié)中的元件和材料在不同的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下都不超過過溫保護(hù)門檻值，且冷卻系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求，從而保證保障SVG能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行。試驗(yàn)時(shí)的參考溫度為室內(nèi)溫度^[4]。

3 對沖試驗(yàn)平臺及結(jié)果

　　在±10Mvar/10kV SVG裝置出廠前，SVG的各鏈節(jié)必須經(jīng)過對沖試驗(yàn)，驗(yàn)證鏈節(jié)在等效額定工況運(yùn)行下的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和性能。SVG裝置所需的鏈節(jié)均在對沖試驗(yàn)平臺進(jìn)行各項(xiàng)測試，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理和歸檔，對沖試驗(yàn)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(jié)交流輸出側(cè)電壓Uab和Ucd，羅氏線圈電流探頭測量交流側(cè)電流。將電流互感器測得的交流側(cè)電流和鏈節(jié)2的直流電壓上送至主控裝置，進(jìn)行V/f控制，調(diào)節(jié)兩個鏈節(jié)間調(diào)制信號的幅值和相角差，使試驗(yàn)條件達(dá)到等效額定工況運(yùn)行，即交流側(cè)電流為：

　　對沖試驗(yàn)還包括過電流、過電壓和過溫試驗(yàn)。鏈節(jié)輸出電流和IGBT模塊溫度的保護(hù)門檻值分別為1000A和110℃，直流電壓過壓保護(hù)門檻值為1050V，欠壓保護(hù)門檻值為600V，超過保護(hù)門檻值時(shí)，主控裝置將發(fā)出鏈節(jié)IGBT驅(qū)動脈沖的閉鎖信號，從而防止損壞鏈節(jié)的IGBT模塊。同時(shí)，檢驗(yàn)鏈節(jié)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(hù)能否正確動作。

　　鏈節(jié)達(dá)到額定工況運(yùn)行下周期觸發(fā)和熄滅試驗(yàn)[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(jié)交流輸出側(cè)兩端電壓Uab、Ucd的波形，m為交流側(cè)電流i的波形，由于采用開環(huán)控制方法，故交流側(cè)電流會出現(xiàn)一定的波動，不過可以滿足SVG各鏈節(jié)在等效額定工況下各項(xiàng)性能的驗(yàn)證要求^[5]。

　　圖4中分別為交流電流標(biāo)幺值波形、鏈節(jié)1和鏈節(jié)2直流電容電壓的波形以及各鏈節(jié)IGBT模塊的溫度值。交流電流標(biāo)幺值最大可達(dá)到88.91，因此可知，交流電流有效值可達(dá)到88.91/0.145=613.2A，其中，0.145為標(biāo)幺系數(shù)。此時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行在10.5MVar的等效額定工況下，鏈節(jié)中的IGBT模塊溫度最大為95℃，鏈節(jié)直流電容電壓分別為850V和740V，均未超過設(shè)定的保護(hù)門檻值，從而保證鏈節(jié)對沖試驗(yàn)可以長期可靠地運(yùn)行。

　　表1為±10Mvar/10kV SVG裝置各鏈節(jié)對沖試驗(yàn)的測試數(shù)據(jù)，據(jù)表1所示，各鏈節(jié)在等效額定工況下運(yùn)行正常，各項(xiàng)測試項(xiàng)目達(dá)到試驗(yàn)要求，且均在保護(hù)門檻值范圍內(nèi)，驗(yàn)證了各鏈節(jié)的性能和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)^[6]。

4 結(jié)語

　　本文詳細(xì)介紹了我公司±10Mvar/10kV SVG裝置的鏈節(jié)性能的驗(yàn)證方法，即對沖試驗(yàn)，通過在等效額定工況運(yùn)行試驗(yàn)[7]，檢驗(yàn)鏈節(jié)的各項(xiàng)性能和技術(shù)指標(biāo)是否滿足國家電網(wǎng)公司《鏈?zhǔn)届o止同步補(bǔ)償器》技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及用戶設(shè)計(jì)的要求。根據(jù)各鏈節(jié)在對沖試驗(yàn)平臺上的測試結(jié)果和波形分析，各鏈節(jié)在等效額定工況下可以正常運(yùn)行，從而為SVG裝置的正常運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)的依據(jù)和保障。

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