大唐山西风电场SVG+FC技术方案方案(10Mvar)

1、大唐山西风电工程静止型动态无功补偿装置(svg+fc)技术方案中国鞍山荣信电力电子股份有限公司2010年04月编 写： 李鸣宇校 核： 审 订： 批 准： 目录第1章 企业简介51.1 荣信公司简介61.2 svg产品发展概况7第2章 荣信公司技术优势及其svg产品特点92.1 公司技术优势102.2 svg产品技术特点11第3章 svg总体说明133.1 控制原理说明及框图143.1.1 供电系统结构143.1.2 svg的基本原理143.2 svg系统的组成及控制原理183.2.1 svg系统组成（示例）183.2.2 svg控制系统的基本组成193.2.3 svg控制方式193.3 sv

2、g补偿无功和治理电压波动203.4 svg技术优势21第4章 svg系统设计原始资料244.1 遵循的主要标准25第5章 方案设计275.1 行业特点285.1.1 风电对电网电能质量的影响285.1.2 改善并网风电场运行性能的措施285.1.3 加装svg的必要性285.2 补偿方案确定295.3 svg+fc设计295.3.1 svg接入设计295.3.2 并联电容器组（fc）设计305.4 设备投运后达到的技术指标和性能考核30第6章 关键设备及其技术特点316.1 牵引级igbt模块326.2 dc - link 直流链电容336.3 功率单元336.4 全数字控制系统346.4.1

3、 控制系统简述346.4.2 结构356.4.3 通讯356.4.4 nmi一体化工作站366.4.5 svg保护类型36第1章 企业简介中国鞍山荣信电力电子股份有限公司1.1 荣信公司简介荣信电力电子股份有限公司（简称：荣信股份，）是国家发展计划委员会设专项资金建设的专业从事节能、安全大功率电力电子成套装置研究开发、系统设计、装备制造和客户服务的国家级高新技术企业。荣信股份（代码：002123）作为中国电力电子技术领域第一支股票从2007年3月28日开始在深圳证券交易所挂牌交易，为深交所中小板100指数成份股、泰达环保指数成份股。荣信股份总部坐落于辽宁省鞍山国家高新技术产业开发区，占地面积9

4、0000m2，建筑面积50000m2。拥有工程技术人员800人，其中有外国常驻专家5人，教授级高级工程师15人，副教授级高级工程师29人，博士及博士后35人，硕士研究生105人，工程师681人。荣信股份自1998年起获得了国家发改委支持的svc国家高技术产业化示范工程等4项国家高技术产业化重点专项，5项国家科技部国家重点新产品，5项国家科技部国家科技创新基金项目，1项铁道部节能示范项目。荣信股份是2007年国家科技部认定的“国家火炬计划重点高新技术企业”和 2005年度国家发改委、信息产业部、商务部、国家税务总局联合认定的“国家规划布局内重点软件企业”。 荣信股份已经建立了良性循环的创新战略管

5、理机制，具有原始创新能力。发起、起草和制定了第一部svc产品国家标准，已获得50余项国家专利和20余项软件著作版权。目前已成为安全、节能大功率电力电子专业的领先者，整体实力居国内同行业之首。在以下领域拥有全部自主知识产权，包括高压静止型动态无功补偿装置（svc）、高压静止型动态无功发生装置（svg）、磁阀式可控电抗器（mcr）、高压大功率电机变频调速装置（hvc）、高压有级变频起动系列（vfs）、智能型瓦斯排放器（mabz）、大型煤矿瓦斯安全监控与排放自动化成套系统（rgm）等多个系列高科技产品。 精心建造的，世界一流、具有国际先进水平的电力电子装备制造基地和技术试验研究中心，包括中国唯一sv

6、c、svg高压全载试验检测中心（66kv/16000kva）、hvc高压全载试验检测中心（10kv/24000kw）、等效全工况试验装置、冲击电压发生器、步入式交变温湿度试验室、电力系统动模试验装置、rtds数字实时仿真系统、emc测试设备等，可承担电力电子领域最复杂及最前沿的试验研究。1998年国家发展计划委员会为加快中国在svc领域的产业化和国际化进程，立专项资金在本公司建立了国内第一条svc重点工业性试验示范生产线（现名为：国家高技术产业化示范工程），是1998年国家计委投资支持的svc产业化示范基地；2001年9月荣信生产的svc被国家科技部列为国家级重点新产品；2002年荣信公司的s

7、vc项目被国家经贸委列为重大技术装备创新研制项目。svc装机数量全球第一，连续4年市场占有率始终保持在60%以上。迄今为止，荣信产品遍及中国及英国、德国、意大利、尼日利亚、缅甸、泰国、越南、伊朗、巴基斯坦等国家和地区，各项技术指标达到国际先进水平。1.2 svg产品发展概况作为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，荣信公司从2005年底就着手研发高压大容量的svg。2006年，由荣信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

8、年，荣信公司研制的国内首台应用于牵引变流站的svg投入运行。目前，荣信生产的百余套svg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。荣信公司目前已拥有svg产品相关的21 项核心专利与9 项软件著作权。2007年11月，受国家科技部的委托，荣信公司又承担了“十一五”国家科技支撑计划电力电子关键器件及重大装备研制的重点项目中高压、百兆伏安级链式及多电平静止变流器及静止补偿器（svg）研制。该项目的装置直挂电压等级为35kv，容量为200mva，两者均为世界第一。该项目预计于2010年末在中国南方电网公司投运。该项目完成后，将大大提高

9、我国电网的稳定水平，为我国电网的无功、谐波、电网稳定等问题提供有效的整体解决方案。2009年3月，受国家科技部的委托，荣信公司又承担了国家科技支撑计划中国高速列车关键技术研究及装备研制的重点项目高速铁路供电系统综合补偿及谐波抑制（svg）技术。该项目的装置直挂电压等级为27.5kv或55kv，容量为20mva，在该领域处于世界领先水平。该项目完成后，将大大提高我国高速铁路和重载铁路牵引供电系统的稳定水平，为我国电气化铁路的无功、谐波、电网稳定等问题提供最有效的整体解决方案。荣信公司集各方之所长，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

10、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 荣信公司技术优势及其svg产品特点中国鞍山荣信电力电子股份有限公司作为svc的下一代产品，svg与svc的主要功能完全类似，但其补偿特性与运行范围要大大优于svc。2.1 公司技术优势l 荣信公司现已成功实施了上千套svc和百余套svg，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。l 开创了利用svc和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

11、设积累了宝贵经验。l 建有具备国际先进水平的、国内唯一的动态无功补偿装置高压全载试验中心，确保svg设备的可靠性，并缩短了现场调试时间。l 荣信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。l 荣信公司承担了多项国家svg的重大项目。2007年，荣信公司作为主承担单位承担了国家科技部的重大电力电子支撑项目200mvar svg的研制及其产业化推广。l 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；l 荣信公司是国家引进外国

12、智力重点企业，聘有多名外国权威技术专家驻华工作；l 荣信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。l 荣信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l 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或igct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electronicon公司产品、光纤采用美国hp公司产品；l 荣信公司具有强大的研发及生产制造实力，具备

13、各电压等级（6kv、10kv、27.5kv、35kv、66kv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）的最大容量可达200mvar svg生产和制造能力。l 我公司具有全国唯一的svg全载试验中心，设备出厂前进行高压全载试验，保证设备运行的可靠性，大大缩短了现场调试时间；l 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；l 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

14、焊机和无铅双波峰焊机；l 荣信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；l 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；l 控制系统采用基于dsp的全数字控制系统；l 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总体说明中国鞍山荣信电力电子股份有限公司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

15、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量；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

16、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

17、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3.2.1 sv

18、g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

19、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=qsv

20、g-qc=0。（a）补偿前电压和电流 （b）补偿后电压和电流图3-8 svg补偿无功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

21、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

22、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

23、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系统设计原始资料中国鞍山荣信电力电子股份有限公司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。gb5

24、0227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

25、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

26、标准均执行最新版本。第5章 方案设计中国鞍山荣信电力电子股份有限公司5.1 行业特点5.1.1 风电对电网电能质量的影响风力发电的并网运行一方面具有一定经济效益和社会效益，另一方面也对电网的电能质量和安全稳定性造成一定的影响。风速变化使风电场的输出功率波动，从而引起电网电压波动。风电机组自身固有的特性（风剪切、塔影效应、叶片重力偏差和偏航误差等）也可能造成电网电压波动，进而使电网出现可察觉的闪变现象。5.1.2 改善并网风电场运行性能的措施为了更加充分的利用可开发的风能资源，提高风力发电的比例，除了合理的进行规划设计外，有必要采取改善风电场运行性能的有效措施。降低风电对电网的影响，除了合理选择

27、风电场接入电网的地点和方式，增加接入点的短路容量外，改善风电场的运行性能有两个基本的途径，其一是选用性能优良的新型风电机组，如采用桨距角可调节的变速风机和双馈感应发电机；其二是在现有的风力发电技术的基础上，通过装设灵活的调节装置来改善系统的运行性能，如动态的无功调节装置（svg）等。5.1.3 加装svg的必要性电容器的投切量是根据风电机组的有功出力的大小来计算的，但是这种分组投切的电容器不能够实现连续的电压调节。电容器的投切次数有一定的限制，其动作也有一定延时，因此对于风速的快速变化造成的电压波动是无能为力的。静止无功发生器（svg）则可以快速平滑调节无功补偿功率的大小，提供动态的电压支撑，

28、改善系统的运行性能。将svg安装在风电场的出口，根据风电场接入点电压的偏差量来控制svg补偿的无功功率，能够稳定风电场节点电压，降低风电功率波动对电网电压的影响。在系统发生短路故障情况下，svg的动态无功调节能力可以加快故障切除后风电场内部和接入点电压的恢复过程；在风速变化情况下，svg可以使风电场电压的波动明显降低，对风电设备安全运行和稳定电能质量均有很好的作用。5.2 补偿方案确定根据风电场现实情况，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

29、。方案二：整套设备设定补偿范围为-9mvar20mvar，一期风电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。5.3 svg设计方案（一）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。5.3.2 并联电容器组（fc）设计fc安装容量7200kvar，基波补偿容量5mvar，串联电抗率6%，采用差流保护，户外安装。电

30、容器配置安装容量（kvar）7200基波补偿容量（mvar）5每台电容器额定容量（kvar）300每相电容器串、并联数（台）4串2并三相电容器总安装台数（台）24电抗器额定电压（kv）35电抗器安装台数（台）35.4 svg设计方案（二）5.4.1 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。5.4.2 并联电容器组（fc）设计fc安装容量15000kvar，基波补偿容量10mvar，

31、串联电抗率6%，采用差流保护，户外安装。电容器配置安装容量（kvar）14400基波补偿容量（mvar）10每台电容器额定容量（kvar）300每相电容器串、并联数（台）4串4并三相电容器总安装台数（台）48电抗器额定电压（kv）35电抗器安装台数（台）35.5 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

32、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6章 方案对比中国鞍山荣信电力电子股份有限公司6.1 技术对比本风电场为分期建设项目，两期风场共用一条220kv母线。采用方案一时，需要在一条母线装设两台无功补偿设备，这将要求两台设备具备非常精确地联调功能，如果两台设备的输出不一致，将会导致220kv

33、的电压及功率因数等电能质量不合格。增加联调功能后，将增加控制系统的运算负担，同时受两期风场运行情况不一致的影响极易发生两台设备输出不一致情况，使联调失败。而采用方案二时，因为只使用一台设备，则不需要考虑联调问题，同时svg+fc设备本身可以进行连续线性的无功调节，在一期投运，二期还未投运的情况下，依然可以满足一期的运行需求6.2 商务对比采用方案一，甲方将提供更大的无功补偿设备用地，及更多的断路器投入；而采用方案二，将大大减少无功补偿装置的占地面积，同时断路器占用数量减少一半（详细请看系统接线图及平面布置图）。另外由于方案二采用的设备少于方案一则相应的装置损耗将降低至少30%。第7章 关键设备及其技术特点中国鞍山荣信电力电子股份有限公司7.1 牵引级igbt模块l 采用国际顶级优质开关器件德国eupec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