SVG工作原理教案
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SVG控制系统
主控屏
调节装置1台，数据采样、运算，得出阀组控制量，然后将此运算结果通过光隔离SPI口送至触发单元，使用F2812 DSC作为主CPU 。触发装置3台，接收运算单元发出的控制量，以控制量为输入信号进行分析运算，产生各IGBT模块触发用的信号，主板核心部件为Cyclone II FPGA EP2C5K 。监控装置3台，收集每个IGBT模块的运行信息，能够对阀体故障进行判断，主板核心控制部件核心逻辑部件系列FPGA。同步装置1台，输出同步信号给调节装置。站控1台，将SVG装置所有运行信息进行打包封装存储，为操作人员提供直观的监视界面。
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SVG控制系统
控制单元原理框图
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SVG控制系统
控制系统及方法
调制方式采用单极倍频正弦脉宽调制技术产生IGBT触发脉冲，原理如图所示，单相桥输出为三电平。单链节载波频率设计为500Hz，调制比可调，单相SVG频率达6000Hz。采用载波移相SPWM，在不提高开关频率的基础上，大大降低输出谐波。最低次谐波在120次以上。
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SVG一次系统
吸收电容
★吸收电容主要吸收IGBT关断浪涌电压和续流二极管反向恢复浪涌电压。吸收回路的类型和所需元器件值取决于主电路的布局结构、逆变器功率、工作频率等多重因素。★主回路难以实现零杂散电感，回路电流较大时影响更甚，吸收回路是必要的，选取时应简单可行。我们采用低电感吸收电容构成的缓冲回路，适合于低频、中小功率、杂散电感较小的电路中，电容值相应可选取大一些。
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SVG一次系统
串联电抗器
★作用：限制无功输出电流；滤除装置产生的高次谐波；将两个电压源连接起来。电感值增大时，滤除补偿电流高次谐波效果较好，但装置补偿电流减小。
★选取：通常工程选用装置总容量的１０％～２０％。
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SVG一次系统
启动柜
由接触器、旁路电阻、电压互感器、电流互感器、避雷器组成。
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SVG一次系统
直流电容电压控制
★控制方式的精确性是建立在电容电压平衡的基础上的。电容电压的波动导致输出谐波增加、电容器过压等。★链式SVG直流侧链节与链节的电压相互独立，并且电容电压与链节并联损耗、混合型损耗及触发脉冲相互一致性有关。通常采用触发脉冲循环换位、控制放电电阻增加相应损耗平衡电容电压。★通常电容电压波动控制在5％左右，目前12链节电压波动可以限制在几十伏。
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SVG工作原理及运行特性
SVG原理示意图
IL可以通过调节UI来连续控制，从而连续调节SVG发出或吸收的无功。
运行模式
波形和向量图
说明
空载运行
UI=USIL=0
容性运行
UI>USIL为容性电流
感性运行
UI<USIL为感性电流
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SVG工作原理及运行特性
运行特性
★ SVG的工作原理决定了无论交流系统电压为多少，它都可以在其最大的容性或感性范围内独立控制其输出电流，欠压条件下无功调节能力更强 。
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SVG控制系统
触发板
触发板的功能1、接收触发装置的触发信号，对触发信号解码后驱动相应IGBT2、测量直流电容电压3、测量触发板的温度4、检测IGBT散热器温度继电器的状态5、检测IGBT驱动模块的状态6、将直流电容电压、温度、继电器状态、驱动模块状态等信息通过光纤传输到监控状态7、接收监控装置的放电命令对直流电容进行放电控制.
★ SVC为阻抗型，输出无功电流随母线电压降低而线性下降。
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SVG工作原理及运行特性
SVG链式结构
每相由若干单相桥串联组成，如图所示：
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SVG工作原理及运行特性
SVG链式结构特点
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SVG一次系统
结构
如图，组成部分主要为串联电阻箱、串联电抗器、启动柜、功率柜、控制屏。三相逆变功率单元为星接。
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SVG一次系统
串联电阻
★ SVG采用电压源逆变器结构，连接电抗(或等值电抗)及等效电阻较小，由SVG无功电流公式可知，驱动脉冲一个小的角度偏移误差可能导致STATCOM装置出现过电流进而引起输出电流波动，增大Ｒ相当于增大系统阻尼系数，减小输出电流过冲和震荡 ；另由于对SVG装置损耗有明确要求（大型SＶＧ装置的效率都要求在96％以上），因此串联等效电阻R并不提倡使用。限于目前条件，使用串联电阻作为临时应对措施，在后续工程验证中需进一步分析。★现阶段控制器精度达到0.01电角度，即0.55μs。不同容量对应的串联电阻值：★ 2M：1Ω 3M：0.67Ω 5M：0.4Ω 8M：0.25Ω 10M：0.2Ω
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SVG一次系统
IGBT
英飞凌EUPEC进口模块★ IGBT电压定额的选择其承受电压主要取决于直流侧电容电压。考虑到过载、电网波动、开关过程引起的电压尖峰等因素，耐压通常选择直流母线电压的2倍。当输出容性无功时直流侧电压最高，约为800V，故选取额定电压1700V。★电流定额的选择额定电流=通过IGBT电流有效值×电流脉动率×安全系数，电流脉动率取为1.2，电流安全系数取2。
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SVG一次系统
功率柜损耗
每相由12链节串联，主要损耗集中在ＩＧＢＴ损耗和放电电阻发热，ＩＧＢＴ功率理论计算值及功率柜损耗如下表：
SVG容量
IGBT型号
单链节损耗W
功率柜损耗kW
6M
FF650R17IE4
1664
60
7M
FF650R17IE4
2052
74
8M
FF800R17KE3
2216
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SVG一次系统
直流电容
直流电容的选型主要考虑以下几个因素：1、直流侧电压波动，一般要求电压波动不超过5％，电容电压波动较大会引起输出谐波增加2、SVG的响应速度，当系统出现无功波动时，SVG迅速补偿需要电容电压快速达到目标电压值3、电容电压的选取主要取决于所串链节数，与PSPWM调制比、串联电抗值、线路等效电阻、额定容量也有一定关系4、EACO等电容器的通流限制，如SHE-1200-470长期工作电流最大为69A5、借鉴其他厂家成型产品电容选取经验当前链节单元电容选取：额定电压1200V；额定容量取SVG 1M额定容量对应550μF；电容并联后通流大于装置额定电流。以8M为例，选用10只SHE-1200-470并联使用。注：当前理论和实际中电容容量选取尚无定论，后续需经工程实践，进一步优化。
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SVG一次系统
功率单元设计需考虑的关键因素
1、损耗计算，散热器的选取。2、IGBT主电路铜排的优化设计，以减小直流回路杂散电感，优化吸收电路设计。这里采用叠层铜排布线结构，降低杂散电感。
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SVG控制系统
触发板
抗干扰措施：1、对电容电压测量时用线性光耦进行隔离2、电容放电IGBT采用光耦驱动3、对触发装置的触发信号进行数字滤波4、IGBT驱动模块的输入信号采用+15V电平触发模块厂家瑞士 concept 2SD315AI半桥驱动模式，自带有可调节的死区时间带有低电压检测功能具有IGBT短路保护功能
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SVG一次系统
启动柜
第10页/共27页
SVG一次系统
功率柜
★功率柜采用抽屉式结构设计，结构紧凑，便于安装；★对装置整体发热进行估算，设计有专门风道，合理选取散热风量，现在主要采用3000m3/h和4000m3/h两款风机，如3M、5M-3000×6m3，8M-4000×8m3。★功率柜尺寸：3M、5M 4400X1500X2800 8M 5200X1500X2800 10M 7400X1500X2800
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SVG的现场试验
1 外观检查，布放光纤2 耐压试验及其他常规试验（有条件可以降级进行）3 单链节逆变试验（同时测试了控制系统和链节功能）4 同步信号校准试验5空载逆变试验6运行试验需要使用的特殊设备仪表：电阻器（320Ω）示波器示波表（或隔离好的示波器）空气开关（2P10A）
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SVG工作原理及运行特性
工作原理
★ 基于大功率换流器，以电压型逆变器为核心，直流侧采用直流电容为储能元件以提供电压支撑。在运行时相当于一个电压、相位和幅值均可调的三相交流电源。★ 逆变器正常运行依赖于直流侧的电压支撑，在逆变器接入交流电源时，由各IGBT反向续流二极管构成整流器， 对直流电容器充电；正常运行后，直流电容器的储能将会用来满足逆变器的内部损耗， 电容电压会下降，必须不断的对电容器充电补能使电压保持在工作范围。 通过使逆变器输出电压滞后系统电压一个很小的角度来实现， 逆变器从系统吸收少量有功满足其内部损耗， 保持电压水平。改变逆变器输出电压的幅值，达到发出或吸收无功的目的。稳定时，链式SVG输出的无功电流如下式:
80
9M
FF800R17KE3
2612
94
10M
00R17IE4
2792
101
11M
FF1000R17IE4
3180
114
12M
FF1000R17IE4
3588
129
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SVG一次系统
功率单元结构
链节单元包括散热器、IGBT、直流电容、铜排、放电电阻、触发板、自取能电源模块。
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SVG控制系统
控制系统策略
装置针对系统的无功和电压波动实时补偿。风电场用户优先进行电压控制，后续进行无功补偿。钢铁等企业用户主要关注其无功波动。上述功能通过控制器界面的参数设置实现。
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SVG的出厂试验
1 启动柜试验1.1 耐压试验1.2 串联电阻试验1.3 功能验证2 功率柜试验2.1 电路板检验2.2 链节功能验证2.3 链节耐压试验2.4链节对补试验2.5功率柜装配检验2.6 功率柜耐压试验3 控制系统试验3.1 单板检查3.2 高低温试验3.3 耐压试验3.4 装置功能试验：模拟量精度、同步装置校准、同步测试、触发测试、监控测试3.5 通讯测试4 整体试验4.1 链节电压平衡试验4.2 空载逆变试验4.3 运行试验
SVG控制系统
主控屏
调节装置1台，数据采样、运算，得出阀组控制量，然后将此运算结果通过光隔离SPI口送至触发单元，使用F2812 DSC作为主CPU 。触发装置3台，接收运算单元发出的控制量，以控制量为输入信号进行分析运算，产生各IGBT模块触发用的信号，主板核心部件为Cyclone II FPGA EP2C5K 。监控装置3台，收集每个IGBT模块的运行信息，能够对阀体故障进行判断，主板核心控制部件核心逻辑部件系列FPGA。同步装置1台，输出同步信号给调节装置。站控1台，将SVG装置所有运行信息进行打包封装存储，为操作人员提供直观的监视界面。
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SVG控制系统
控制单元原理框图
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SVG控制系统
控制系统及方法
调制方式采用单极倍频正弦脉宽调制技术产生IGBT触发脉冲，原理如图所示，单相桥输出为三电平。单链节载波频率设计为500Hz，调制比可调，单相SVG频率达6000Hz。采用载波移相SPWM，在不提高开关频率的基础上，大大降低输出谐波。最低次谐波在120次以上。
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SVG一次系统
吸收电容
★吸收电容主要吸收IGBT关断浪涌电压和续流二极管反向恢复浪涌电压。吸收回路的类型和所需元器件值取决于主电路的布局结构、逆变器功率、工作频率等多重因素。★主回路难以实现零杂散电感，回路电流较大时影响更甚，吸收回路是必要的，选取时应简单可行。我们采用低电感吸收电容构成的缓冲回路，适合于低频、中小功率、杂散电感较小的电路中，电容值相应可选取大一些。
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SVG一次系统
串联电抗器
★作用：限制无功输出电流；滤除装置产生的高次谐波；将两个电压源连接起来。电感值增大时，滤除补偿电流高次谐波效果较好，但装置补偿电流减小。
★选取：通常工程选用装置总容量的１０％～２０％。
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SVG一次系统
启动柜
由接触器、旁路电阻、电压互感器、电流互感器、避雷器组成。
第15页/共27页
SVG一次系统
直流电容电压控制
★控制方式的精确性是建立在电容电压平衡的基础上的。电容电压的波动导致输出谐波增加、电容器过压等。★链式SVG直流侧链节与链节的电压相互独立，并且电容电压与链节并联损耗、混合型损耗及触发脉冲相互一致性有关。通常采用触发脉冲循环换位、控制放电电阻增加相应损耗平衡电容电压。★通常电容电压波动控制在5％左右，目前12链节电压波动可以限制在几十伏。
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SVG工作原理及运行特性
SVG原理示意图
IL可以通过调节UI来连续控制，从而连续调节SVG发出或吸收的无功。
运行模式
波形和向量图
说明
空载运行
UI=USIL=0
容性运行
UI>USIL为容性电流
感性运行
UI<USIL为感性电流
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SVG工作原理及运行特性
运行特性
★ SVG的工作原理决定了无论交流系统电压为多少，它都可以在其最大的容性或感性范围内独立控制其输出电流，欠压条件下无功调节能力更强 。
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SVG控制系统
触发板
触发板的功能1、接收触发装置的触发信号，对触发信号解码后驱动相应IGBT2、测量直流电容电压3、测量触发板的温度4、检测IGBT散热器温度继电器的状态5、检测IGBT驱动模块的状态6、将直流电容电压、温度、继电器状态、驱动模块状态等信息通过光纤传输到监控状态7、接收监控装置的放电命令对直流电容进行放电控制.
★ SVC为阻抗型，输出无功电流随母线电压降低而线性下降。
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SVG工作原理及运行特性
SVG链式结构
每相由若干单相桥串联组成，如图所示：
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SVG工作原理及运行特性
SVG链式结构特点
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SVG一次系统
结构
如图，组成部分主要为串联电阻箱、串联电抗器、启动柜、功率柜、控制屏。三相逆变功率单元为星接。
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SVG一次系统
串联电阻
★ SVG采用电压源逆变器结构，连接电抗(或等值电抗)及等效电阻较小，由SVG无功电流公式可知，驱动脉冲一个小的角度偏移误差可能导致STATCOM装置出现过电流进而引起输出电流波动，增大Ｒ相当于增大系统阻尼系数，减小输出电流过冲和震荡 ；另由于对SVG装置损耗有明确要求（大型SＶＧ装置的效率都要求在96％以上），因此串联等效电阻R并不提倡使用。限于目前条件，使用串联电阻作为临时应对措施，在后续工程验证中需进一步分析。★现阶段控制器精度达到0.01电角度，即0.55μs。不同容量对应的串联电阻值：★ 2M：1Ω 3M：0.67Ω 5M：0.4Ω 8M：0.25Ω 10M：0.2Ω
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SVG一次系统
IGBT
英飞凌EUPEC进口模块★ IGBT电压定额的选择其承受电压主要取决于直流侧电容电压。考虑到过载、电网波动、开关过程引起的电压尖峰等因素，耐压通常选择直流母线电压的2倍。当输出容性无功时直流侧电压最高，约为800V，故选取额定电压1700V。★电流定额的选择额定电流=通过IGBT电流有效值×电流脉动率×安全系数，电流脉动率取为1.2，电流安全系数取2。
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SVG一次系统
功率柜损耗
每相由12链节串联，主要损耗集中在ＩＧＢＴ损耗和放电电阻发热，ＩＧＢＴ功率理论计算值及功率柜损耗如下表：
SVG容量
IGBT型号
单链节损耗W
功率柜损耗kW
6M
FF650R17IE4
1664
60
7M
FF650R17IE4
2052
74
8M
FF800R17KE3
2216
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SVG一次系统
直流电容
直流电容的选型主要考虑以下几个因素：1、直流侧电压波动，一般要求电压波动不超过5％，电容电压波动较大会引起输出谐波增加2、SVG的响应速度，当系统出现无功波动时，SVG迅速补偿需要电容电压快速达到目标电压值3、电容电压的选取主要取决于所串链节数，与PSPWM调制比、串联电抗值、线路等效电阻、额定容量也有一定关系4、EACO等电容器的通流限制，如SHE-1200-470长期工作电流最大为69A5、借鉴其他厂家成型产品电容选取经验当前链节单元电容选取：额定电压1200V；额定容量取SVG 1M额定容量对应550μF；电容并联后通流大于装置额定电流。以8M为例，选用10只SHE-1200-470并联使用。注：当前理论和实际中电容容量选取尚无定论，后续需经工程实践，进一步优化。
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SVG一次系统
功率单元设计需考虑的关键因素
1、损耗计算，散热器的选取。2、IGBT主电路铜排的优化设计，以减小直流回路杂散电感，优化吸收电路设计。这里采用叠层铜排布线结构，降低杂散电感。
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SVG控制系统
触发板
抗干扰措施：1、对电容电压测量时用线性光耦进行隔离2、电容放电IGBT采用光耦驱动3、对触发装置的触发信号进行数字滤波4、IGBT驱动模块的输入信号采用+15V电平触发模块厂家瑞士 concept 2SD315AI半桥驱动模式，自带有可调节的死区时间带有低电压检测功能具有IGBT短路保护功能
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SVG一次系统
启动柜
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SVG一次系统
功率柜
★功率柜采用抽屉式结构设计，结构紧凑，便于安装；★对装置整体发热进行估算，设计有专门风道，合理选取散热风量，现在主要采用3000m3/h和4000m3/h两款风机，如3M、5M-3000×6m3，8M-4000×8m3。★功率柜尺寸：3M、5M 4400X1500X2800 8M 5200X1500X2800 10M 7400X1500X2800
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SVG的现场试验
1 外观检查，布放光纤2 耐压试验及其他常规试验（有条件可以降级进行）3 单链节逆变试验（同时测试了控制系统和链节功能）4 同步信号校准试验5空载逆变试验6运行试验需要使用的特殊设备仪表：电阻器（320Ω）示波器示波表（或隔离好的示波器）空气开关（2P10A）
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SVG工作原理及运行特性
工作原理
★ 基于大功率换流器，以电压型逆变器为核心，直流侧采用直流电容为储能元件以提供电压支撑。在运行时相当于一个电压、相位和幅值均可调的三相交流电源。★ 逆变器正常运行依赖于直流侧的电压支撑，在逆变器接入交流电源时，由各IGBT反向续流二极管构成整流器， 对直流电容器充电；正常运行后，直流电容器的储能将会用来满足逆变器的内部损耗， 电容电压会下降，必须不断的对电容器充电补能使电压保持在工作范围。 通过使逆变器输出电压滞后系统电压一个很小的角度来实现， 逆变器从系统吸收少量有功满足其内部损耗， 保持电压水平。改变逆变器输出电压的幅值，达到发出或吸收无功的目的。稳定时，链式SVG输出的无功电流如下式:
80
9M
FF800R17KE3
2612
94
10M
00R17IE4
2792
101
11M
FF1000R17IE4
3180
114
12M
FF1000R17IE4
3588
129
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SVG一次系统
功率单元结构
链节单元包括散热器、IGBT、直流电容、铜排、放电电阻、触发板、自取能电源模块。
第23页/共27页
SVG控制系统
控制系统策略
装置针对系统的无功和电压波动实时补偿。风电场用户优先进行电压控制，后续进行无功补偿。钢铁等企业用户主要关注其无功波动。上述功能通过控制器界面的参数设置实现。
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SVG的出厂试验
1 启动柜试验1.1 耐压试验1.2 串联电阻试验1.3 功能验证2 功率柜试验2.1 电路板检验2.2 链节功能验证2.3 链节耐压试验2.4链节对补试验2.5功率柜装配检验2.6 功率柜耐压试验3 控制系统试验3.1 单板检查3.2 高低温试验3.3 耐压试验3.4 装置功能试验：模拟量精度、同步装置校准、同步测试、触发测试、监控测试3.5 通讯测试4 整体试验4.1 链节电压平衡试验4.2 空载逆变试验4.3 运行试验