H桥级联型SVG链节及其对冲试验的研究

作者/ 田安民1 牟晓春1 梁帅奇1 陈兴旺2 1.国电南瑞科技股份有限公司(江苏 南京 211006) 2.国网河南省汝州市供电公司(河南 汝州 467599)

摘要：目前，静止无功发生器(SVG)已广泛应用于风力发电、太阳能发电等清洁能源领域。本文根据我公司自主研制的±10Mvar/10kV静止无功发生器，详细介绍了SVG链节(H桥级联)及其对冲试验(即等价额定工况下运行试验的内容、过程及其测试结果)。通过各链节的对冲试验及其测试结果，验证了各链节的功能和控制策略的效果，使得链节的设计符合国家电网公司《链式静止同步补偿器》技术标准的要求，从而确保±10Mvar/10kV静止无功补偿器能够在工程现场正常运行。

引言

　　目前，H桥级联(链节)的拓扑结构在大容量静止无功发生器(SVG)上已得到了广泛的应用^[1]，该结构的优点包括：1)采用模块化结构，利于容量的扩展;2)采用冗余设计，提高系统可靠性;3)成本低，可靠性高，低谐波和畸变小。

　　H桥级联型SVG根据系统连接方式的不同，可分为三角形连接和星形连接^[2]。考虑到系统电压等级、系统容量、谐波特性以及设计对SVG性能和现场运行特点的要求，我公司自主研制的±10Mvar/10kV SVG装置采用星形连接方式。±10Mvar/10kV SVG装置出厂前，必须验证各链节的各项性能，对各链节进行对冲试验，即在等效额定工况下运行试验，检验各链节的控制性能、保护功能、冷却方式和效果以及电磁兼容等是否达到国家电网公司《链式静止同步补偿器》技术标准^[8]及用户设计的要求。

1 SVG链节对冲试验的基本原理

　　在等效额定工况下，将两个链节输出侧通过一个连接电抗相连，其中一个链节的直流电容由外部可调直流电源供电，另一个链节的直流电容不加外部直流源，通过调节两个链节输出电压的相位角来控制链节间交换的无功功率方向和大小，两个链节间只交换无功功率，直流源提供的功率即为两个链节的功耗^[3]。该试验方法称为对冲试验。

　　对冲试验时，使得一个链节发出额定无功功率，另一个链节吸收额定无功功率。设定链节1为源，其参考的电压信号为给定的正弦波，采用SVPWM控制原理实现脉冲宽度的生成;链节2为被控制的单元，其参考电压信号为链节1给定信号的M(调制比)倍，且滞后一个角度δ，通过主控装置下发控制指令，实现M和δ的调节，从而控制链节间交换的无功功率。

　　图1中电容C2两端的电压Udc2、i分别为直流侧的电压和交流侧电流，用于主控装置的控制算法中;链节输出侧两端电压Uab、Ucd为试验测量观察。该对冲试验系统类似于孤岛运行的电力系统，采用给定电压和频率的(V/f)控制方法，其中V和f是主控装置的设定值。

　　控制系统采用固定载波和调制波反相的方法^[4]，具体原理如下：利用给定参考电压作为链节1的调制电压信号，其中S1和S2采用直接给定的调制信号;将给定的参考电压反相作为S3和S4的调制信号。与载波比较后，分别将正脉宽送给S1和S3，S2和S4分别取反。利用控制生成的调制信号作为链节2的调制信号，其中，S3`和S4`采用直接控制生成的调制信号，S1`和S2`采用控制生成的反相信号。与载波比较后，分别将正脉宽送给S1`和S3`，S2`和S4`取反。

　　本系统采用开环控制方法，即通过控制两个链节间调制信号的幅值和相角差来完成所有验证的测试内容。

2 SVG链节的对冲试验

2.1 链节对冲试验的目的

　　①各链节在周期开通和关断过程当中，检验其耐受电压和电流的极限强度;

　　②验证各链节的控制板和驱动板等板件在额定工况运行下抗干扰能力;

　　③根据试验中对IGBT模块温度的测量，验证链节中各功率元件的散热效果以及风机选型的合理性，确保IGBT模块的安全可靠运行;

　　④计算各链节的功耗大小。

2.2 对冲试验的要求

　　在试验过程当中，为了测试链节的实际运行极限，必须保证通过链节的电流、IGBT导通与关断时IGBT的瞬时电流和直流电容上的瞬时电压为SVG实际运行时的最大值的1.05倍。本系统的额定容量为10MVar，对应的电流为577.4A;在测试时，进行系统长期运行在10.5MVar，即电流606A。

2.3 对冲试验的步骤

　　①首先，通过可调直流电源将链节1的直流电容两端的直流电压升至840V，然后主控装置设置为服务状态，同步触发两个链节，使各链节的电压和电流达到额定工况时的最大值;

　　②通过控制相角δ使通过链节的电流上升到最大值，试验过载系数为1.1倍，保持触发角恒定不变，直到IGBT结温度始终没有到闭锁脉冲的设定值即110℃，并能可靠开通和关断;

　　③在额定工况下，测算每个链节的开关损耗，从而确定SVG功率单元的总损耗。测量供电直流电源总输出功率，测量连接电抗上电压和电流，并计算其损耗，直流源总输出功率减去电抗器损耗即为SVG各链节的功耗;

　　④测量链节各IGBT模块的温升，确保链节中各IGBT模块的温升在设计范围内，证明链节中的元件和材料在不同的稳态运行情况下都不超过过温保护门槛值，且冷却系统符合设计要求，从而保证保障SVG能够安全稳定运行。试验时的参考温度为室内温度^[4]。

3 对冲试验平台及结果

　　在±10Mvar/10kV SVG装置出厂前，SVG的各链节必须经过对冲试验，验证链节在等效额定工况运行下的各项技术指标和性能。SVG装置所需的链节均在对冲试验平台进行各项测试，并对试验结果进行整理和归档，对冲试验平台如图2所示。其中，测试仪器包括一台四通道高带宽示波器、两个泰克高压差分电压探头(型号为P5210A)、一个罗氏线圈电流探头(型号为CWT15B)和一个万用表。高压差分探头测量链节交流输出侧电压Uab和Ucd，罗氏线圈电流探头测量交流侧电流。将电流互感器测得的交流侧电流和链节2的直流电压上送至主控装置，进行V/f控制，调节两个链节间调制信号的幅值和相角差，使试验条件达到等效额定工况运行，即交流侧电流为：

　　对冲试验还包括过电流、过电压和过温试验。链节输出电流和IGBT模块温度的保护门槛值分别为1000A和110℃，直流电压过压保护门槛值为1050V，欠压保护门槛值为600V，超过保护门槛值时，主控装置将发出链节IGBT驱动脉冲的闭锁信号，从而防止损坏链节的IGBT模块。同时，检验链节中IGBT模块耐受电流的能力、直流电容耐受直流电压的能力以及过流、过压和过温保护能否正确动作。

　　链节达到额定工况运行下周期触发和熄灭试验[8]时的示波器波形和主控装置的录波波形分别如图3和图4所示。图3中深色和浅色波形分别为链节交流输出侧两端电压Uab、Ucd的波形，m为交流侧电流i的波形，由于采用开环控制方法，故交流侧电流会出现一定的波动，不过可以满足SVG各链节在等效额定工况下各项性能的验证要求^[5]。

　　图4中分别为交流电流标幺值波形、链节1和链节2直流电容电压的波形以及各链节IGBT模块的温度值。交流电流标幺值最大可达到88.91，因此可知，交流电流有效值可达到88.91/0.145=613.2A，其中，0.145为标幺系数。此时系统运行在10.5MVar的等效额定工况下，链节中的IGBT模块温度最大为95℃，链节直流电容电压分别为850V和740V，均未超过设定的保护门槛值，从而保证链节对冲试验可以长期可靠地运行。

　　表1为±10Mvar/10kV SVG装置各链节对冲试验的测试数据，据表1所示，各链节在等效额定工况下运行正常，各项测试项目达到试验要求，且均在保护门槛值范围内，验证了各链节的性能和技术标准^[6]。

4 结语

　　本文详细介绍了我公司±10Mvar/10kV SVG装置的链节性能的验证方法，即对冲试验，通过在等效额定工况运行试验[7]，检验链节的各项性能和技术指标是否满足国家电网公司《链式静止同步补偿器》技术标准及用户设计的要求。根据各链节在对冲试验平台上的测试结果和波形分析，各链节在等效额定工况下可以正常运行，从而为SVG装置的正常运行提供坚实的依据和保障。

参考文献：

　　[1]刘钊.风力发电系统中链式STATCOM关键技术[D].武汉:华中科技大学,2010.

　　[2]刘正富.链式静止同步补偿器主电路及控制策略研究[D].杭州:浙江大学，2012.

　　[3]赵波. 提高静止同步补偿器运行性能的关键技术研究[D].北京:中国电力科学研究院，2013.

　　[4]江道灼，张振华.单相H桥级联静止同步补偿器反馈线性化解耦控制[J].电网技术,2011，35(11):74-79.

　　[5]王志冰,于坤山,周孝信.H桥级联多电平变流器的直流母线电压平衡控制策略[J].中国电机工程学报,2012,32(6):56-63.

　　[6]赵波,郭剑波,周飞.链式STATCOM相间直流电压平衡控制策略[J].中国电机工程学报,2012,32(34)：36-41.

　　[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]《链式静止同步补偿器》公司技术标准，国家电网科[2009]166号文，2009.

本文来源于中国科技期刊威廉希尔 官网app 2016年第11期第65页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。