ASVG智能电能质量控制装置的研发及应用

摘 要：ASVG是基于IGBT直接串联高压变频器技术[1]研发的智能电能质量无功补偿装置，该装置并联于电网中，等效于一个可变的无功电流源，其发生的补偿无功电流可快速地随负荷无功电流的变化而变化，可智能数字化的实现自动补偿系统所需无功功率。

关键词：智能；电能质量；控制装置；研究应用

0 引言

电力系统中的无功补偿装置是电力系统中保证电能质量的重要设备之一，随着国民经济的发展，社会对电能质量提出了更高的要求。ASVG智能电能质量控制装置的研制是基于IGBT直接串联技术在电力系统发输配、矿山、铁路、冶金、风力发电低电压穿越等各环节的成功应用。该装置的研发是IGBT串联自动均压技术等大核心关键技术的集成应用，解决了IGBT串联技术的高电压、大电流以及高压SVG中的功率器件耐压能力问题，无需任何变压器，可直接实现10kV高压的动态无功双补。该装置先进成熟，稳定可靠。

1 研究背景

1）电力系统的各节点无功功率平衡决定了该节点的电压水平，由于当今电力系统的用户中存在着大量无功功率频繁变化的设备：如轧钢机、电弧炉、电气化铁道等。同时用户中又有大量的对系统电压稳定性有较高要求的精密设备：如计算机，医用设备等。因此电力系统迫切需要无功功率补偿。传统的无功补偿设备有并联电容器、调相机和同步发电机等，由于并联电容器阻抗固定不能动态地跟踪负荷无功功率的变化；而调相机和同步发电机等补偿设备又属于旋转设备，其损耗、噪声都很大，而且还不适用于太大或太小的无功补偿。所以这些设备已经越来越不适应电力系统发展的需要。

2）二十世纪七十年代以来，随着研究的进一步加深出现了一种静止无功补偿技术。这种技术经过20多年的发展，经历了一个不断创新、发展完善的过程。所谓静止无功补偿是指用不同的静止开关投切电容器或电抗器，使其具有吸收和发出无功电流的能力，用于提高电力系统的功率因数、稳定系统电压、抑制系统振荡等功能。目前这种静止开关主要分为两种，即断路器和电力电子开关。由于用断路器作为接触器，其开关速度较慢，约为10～30s，不可能快速跟踪负载无功功率的变化，而且投切电容器时常会引起较为严重的冲击涌流和操作过电压，这样不但易造成接触点烧焊，而且使补偿电容器内部击穿，所受的应力大，维修量大。随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，交流无触点开关SCR、GTR、GTO等的出现，将其作为投切开关，速度可以提高500倍（约为10μs），对任何系统参数，无功补偿都可以在一个周波内完成，而且可以进行单相调节。现今所指的静止无功补偿装置一般专指使用晶闸管的无功补偿设备，主要有以下三大类型，一类是具有饱和电抗器的静止无功补偿装置（SR：SaturatedReactor）;第二类是晶闸管控制电抗器（TCR：Thyristor ControlReactor）、晶闸管投切电容器（TSC：Thyristor SwitchCapacitor），这两种装置统称为SVC（StaticVar Compensator）;第三类是采用自换相变流技术的静止无功补偿装置――高级静止无功发生器（ASVG：Advanced Static VarGenerator）。

2 基本原理及技术特点

2.1 基本原理

选用低耐压IGBT功率元件，采用1＋N（只）容性母排技术四象限二电平自均压IGBT/H串联桥对6kV/10kV及以上电压等级电网直接全压平滑无级电能质量自动优化控制。

2.2 技术特点

1）可靠性高，安全性好。采用IGBT直接串联技术，每个逆变桥输出电压受控，逆变桥冗余设计，即便其中1-3只模块损坏，均可重新均压，不必降容使用，装置的整机可靠性高；由于是可控电压源型，对系统的参数不敏感，不会发生谐振或谐波电压放大，有效解决了SVC阻抗型补偿装置，对系统参数很敏感，容易引起谐振或谐波电压放大、可能危害自身设备安全、对系统其它设备存在较大的安全隐患等问题。

2）响应速度快≤5ms（ASV传统静补装置响应时间≥10 ms），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，满足对冲击性负荷的补偿；能耗低、功能强大。运行范围宽，不产生谐波还能吸收谐波。无需接入变压器，体积最小，直接实现对10kV电压等级电网的直接补偿，装置效率高达99%以上，输出电压谐波畸变率低，谐波损耗小，效率高；运行耗电量低，自动补偿负载三相不平衡，节能效果显著。

3）运行损耗小，运行效率高，节能效果显著。无需接入变压器直接实现对35kV及以上各电压等级电网的直接补偿，装置效率高达99%以上，输出电压谐波畸变率低，谐波损耗小，效率高；运行耗电量低，节能效果显著。

4）结构简单紧凑，占地面积小，投资小，运行成本低。同容量的ASVG是传统补偿装置占地面积的1/2，在场地建设和基础设施投资方面优势更加明显，仅仅土建投资，ASVG是SVC的50%。

5）ASVG的低电压特性优于SVC。SVC是阻抗型特性，输出电流随母线电压线性降低，系统电压越低，SVC的输出无功电流能力越下降，而此时系统越需要动态无功支撑电压，ASVG在电压愈低时补偿能力愈强。

6）可输出有功功率、具备较强的过载能力。ASVG能够在一定范围内提供有功功率，减少有功功率冲击，而SVC不具备提供有功功率的能力。系统出现偶发性冲击或干扰补偿（如系统扰动后的电压恢复，配电网内故障引起的电压暂降补偿），只要不是持续（秒级以上）运行额定电流之上，IGBT具有很强的过载能力，而SVC不具备任何过载能力。

7）运行范围更宽、电压闪变抑制能力更强。ASVG能够在额定感性到额定容性的范围内工作。更重要的是，在系统电压变低时，ASVG补偿能力更强，能够输出相等的额定工况无功电流。ASVG对电压闪变的抑制可以达到5:1，甚至更高，而传统的SVC对电压闪变的抑制最大为2:1。

8）补偿功能多样化，电压高低均能进行补偿。ASVG不仅具有快速补偿系统无功功率的目的，还能够根据用户实际需要，对负荷谐波电流、负序电流等电能质量问题进行综合补偿。针对高压、特高压电网中的空载、轻载时的短时过电压和重载时的长期低电压，ASVG可以连续平滑地自动进行感性、容性补偿。

9）谐波含量极低。ASVG采用了PWM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。

10）绿色环保，对环境影响小。ASVG中的电容、电感等元件采用与SVC完全不同的技术及制作工艺，直流电容采用最先进的高压大电容，寿命长，运行稳定可靠，整机运行电磁噪声显著降低。SVC的大电抗器不仅噪声大，还会产生很大的感应电流。

3 主要技术指标

1）电压等级：10KV；

2）工作频率50Hz±5%；

3）补偿无功容量:±4Mvar ；

4）电路拓扑结构：IGBT直接串联ASVG；

5）补偿范围：感性到容性全范围；

6）响应速度：≤5ms；

7）介电强度：与电压等级相匹配；

8）继电保护：可靠齐全。

4 主要作用

1）改善系统阻尼特性:提高电网稳定性，抑制系统振荡；

2）提高功率因数:补偿负载无功功率，提高功率因数达0.98以上，ASVG是最具有效的闪变抑制装置；

3）补偿无功和谐波:在补偿负载无功的同时，又可补偿谐波；

4）补偿三相不平衡:补偿负载三相不平衡――最有效的负序电流抑制装置；

5）无功、谐波和三相不平衡同补:补偿负载无功、谐波和三相不平衡，既可以补偿无功，又可同时补偿谐波和三相不平衡，是负载电能质量问题的完美解决方案。

6）由于无功补偿方式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，因此，不但不会产生谐波而且还能吸收谐波。

5 ASVG的基本结构设计

ASVG的基本结构（如图1）由下列几部分组成：电压支撑电容，其作用是为装置提供一个电压支撑；由大功率电力电子开关器件IGBT串联组成的电压源逆变器（VSG），通过脉宽调制（PWM）技术控制电力电子开关的通断，将电容器上的直流电压变换为具有一定频率和幅值的交流电压；通过电抗器LP将大功率高压变流装置与电力系统联络在一起，ASVG 的输出电压接近正弦波。

6 IGBT串联与同步驱动原理

IGBT串联后的同步与驱动因其串联后电压比较高，在驱动技术中具有特殊性，每一个IGBT的驱动电位又因为它在串联电路在所处的位置不同而差别较大，因此每一个IGBT的驱动就需要有专门的驱动电路并与其他驱动电路隔离，而且每一个驱动电路又必须独立供电，其驱动信号也同样需要用光纤高压隔离开关隔离独立驱动。IGBT串联与同步驱动原理如下图2所示：

7 结论

本文的研究为高压、大功率柔流输电、轻型直流输电、风电等新能源、变频调速等提供了安全可靠、简单经济的解决方案，突出了智能化、高效率、高可靠性和高性价比的特性，在发、输、配、用各个环节可起到非常重要的作用，该装置的研发及应用在智能电网的分布式发电和新能源利用、远距离低损耗输电、电能储存、电能质量控制、智能精细化用电与电网安全与稳定控制等支柱领域，必将发挥起核心作用。本研究成果核心技术已取得中国[2]、美国[3]、欧亚[4]授权实用新型和发明专利，在安徽铜陵矿山电源系统和四川资阳110kV鸡石湾变电站运行至今，运行稳定，情况良好。本研究通过国内专家教授鉴定，其结论是关键技术和主要性能方面达到国际领先水平，建议尽快推广应用，并转化到电力机车拖动等领域应用。

参考文献：

[1] 吴加林.IGBT直接串联高压变频器[J].电工技术杂志,2003,2.

[2] 吴加林.一种电子功率开关串联桥的保护电路[P].中国发明专利.专利号ZL01 1 1087110.

[3] 吴加林.能自动均压的串联式开关桥臂[P].美国专利.

[4] 吴加林.多功能电能变换器[P].欧亚专利.3arbk №：200401374.