作者：刘 峰
现任：中国移动通信集团设计院有限公司黑龙江分公司
【摘 要】：通过对现有的三电平降压式结构10KV补偿装置及串联链式结构10KV补偿装置的性能、可靠性比较分析，结合国家标准及相关部委发文；系统地剖析10KV补偿装置在通信局（站）选用的原则及具体方案。
【关键词】：三电平降压式 性能比较 可靠性分析 选用原则
前言
中压（10KV）H.SVG++动态无功综合补偿装置（以下简称H.SVG++）是指三电平降压式结构H.SVG中压（10KV）动态无功功率发生电源（以下简称H.SVG）与其它无源补偿装置组合的动态无功综合补偿装置。使用真空接触器自动控制、投切补偿电容器的HVC模式，其结构、控制都比较简单，每组的电容器容量可以根据需要来选。HVC的响应时间在秒级以上，不能频繁投切，而且分组与分组之间级差较大，补偿精度差。而H.SVG动态无功连续补偿装置能做到感性、容性无功功率的双向、连续、快速实时跟踪补偿，是各种补偿装置的最佳选择。但H.SVG要做到过大的容量，H.SVG的设备一次投资增加，性价比下降。如果把H.SVG与HVC组合一起，发挥各自的优势，具有连续补偿的功效，这样的装置称为H.SVG++动态无功综合补偿装置。装置中的H.SVG容量只要做到HVC电容量的1/2~1/3，充分发挥H.SVG能双向补偿的特点，整套装置仍能完成从0~额定容量范围内的动态连续补偿，事半功倍，因此H.SVG++是今后中压（10KV）系统无功功率补偿领域的发展主流。
1、中压（10KV）H.SVG++动态无功综合补偿装置工作说明
三电平降压式结构H.SVG中压（10KV）动态无功功率发生电源以设计容量为3000kvar为例，其中SVG容量为1000kvar，HVC容量为2000kvar，分为1000kvar两组。
当系统需要的补偿容量在-1000 kvar ～0～1000 kvar时，H.SVG工作，HVC退出。
当系统需要的补偿容量在1000～2000kvar时，投入第一组1000kvar的HVC，同时H.SVG配合调节；当系统需要的补偿容量在2000～3000kvar时，投入第二组1000kvar的HVC，同时H.SVG配合调节； HVC与SVG相互配合，实现-1000~0~3000kvar的连续平滑调节，满足现场使用效果。
2、中压（10KV）SVG与电网连接说明及采用三电平降压式结构SVG优势
中压（10KV）SVG与电网的连接主要有两种方式：直挂式和三电平降压式。
直挂式结构，又叫H桥串联的链式结构，如图1所示。功率单元采用多个IGBT链接单元串联后直接接入中压（10KV）电网。这种结构的SVG具有的特点是SVG直接接入中压（10KV）系统，开关器件承受的电压高，需要IGBT串并联，用的IGBT开关器件数目多。为了保证触发的同时性，对器件串联的动态均压要求较高，对开关器件参数要求苛刻。在对IGBT进行均压时，每个模块都加直流电容，需要直流电容器数目多，直流电容电压波动大，控制系统复杂，故障点多，可靠性较差。
图1、级联H桥式(链式) 变流器结构图
对于降压式结构， SVG的功率单元采用三电平结构，通过升压变压器将SVG接入电网。由于IGBT开关元件承受的电压低，不需要IGBT串并联，从根本上避免了高压端IGBT均压困难的问题，具有较高的可靠性和安全性。
中压（10KV）SVG动态无功发生电源采用三电平降压式与电网连接，如图2所示。电路采用二极管箝位型三电平逆变桥的并联结构模式，可对负荷实现双向补偿（容性与感性输出）和连续调节，较好的提高系统功率因数。二极管箝位型三电平结构SVG通过降压变压器接入系统，与中压（10KV）系统隔离可靠性高，无需串入大量IGBT模块进行均压，开关器件承受的电压应力只有直流电压的1/2，控制系统相对简单，可靠性高。
图2 二极管嵌位式变流器结构图
从以上二极管嵌位三电平式变流器和级联H桥式(链式) 变流器结构图中可以明显看出，级联H桥式(链式) 变流器结构需要串入大量IGBT进行均压，并且需要直流电容器数目多，直流电容电压波动大，控制系统复杂，故障点多，可靠性较差。
从中压（10KV）SVG的可靠性和安全性来讲，降压式结构要远远优于直挂式结构，对于通信工程来讲，现场的用电负荷属于重要负荷，必须保证供电的可靠性，对电网的供电质量要求较高。系统内的用电设备一旦由于故障引起供电突然中断，容易使通信局（站）上的其它用电设备损坏、火灾等危险事故，造成生产中断和重大经济损失。从这一点考虑，中压（10KV）SVG要采用降压式。
3、三电平降压式结构中压（10KV）SVG++与链式结构SVG对比说明
序号
项目
三电平降压式结构中压（10KV）SVG++
链式SVG
A
产品型号
H.SVG++
SVG
B
与系统连接方式
SVG部分通过降压变压器接入电网、HVC部分通过真空开关接入电网
SVG通过连接电抗器直接接入电网
C
主要组成
变压器+启动柜+功率单元+控制柜+HVC电容柜
电抗器+功率单元+控制柜+开关柜
D
功率单元结构
SVG部分三电平结构
SVG串联链式
E
是否均压
开关器件承受的电压低
不需要IGBT串并联，无需均压
SVG直接接入中压（10KV）系统，开关器件承受的电压高，用的IGBT数目多，需要IGBT串并联，对器件串联的动态均压要求较高
F
控制
简单
IGBT开关器件数目多，控制复杂
G
开关器件要求
对器件要求较低
触发的同时性要求严格，对器件参数要求较高
H
可靠性
通过降压变压器接入电网，SVG与高压隔离，可靠性高
通过连接电抗器接入电网，IGBT开关器件直接承受高电压，可靠性低
I
稳定性
由于采用SVG+HVC组合结构，一旦SVG故障，HVC仍然可以正工作，仍然可以保证系统的功率因数保持在较高水平。
采用IGBT串联结构，故障点多，一旦故障整套装置将无法正常使用。
J
安全性
安全性好，从未发生过重大故障事件。
对开关器件参数要求苛刻，故障点多，较之经变压器降压的三电平功率结构安全性要差，发生严重的火灾事故（图片附后）
K
损耗
小；（例如装置容量为3000kvar,SVG容量为1000kvar，HVC容量为2000kvr。其中SVG损耗为0.8%，HVC损耗仅为0.3%，那么装置总损耗约为14KW）
大；（例如SVG装置容量为3000kvar,其中SVG损耗为0.8%，那么装置总损耗约为24KW）
L
维护
采用有源与无源结合结构简单维护量极小。
损耗大、发热量高，长期处于高温条件下工作，维护量大。
M
性价比
高；采用有源与无源结合，技术性能完全满足现场应用条件，同时大大降低经济投入。
经济投入高
N
建议
从中压（10KV）SVG的可靠性和安全性来讲，降压式结构要远远优于直挂式（链式）结构，对现在各行业来讲来讲，现场用电负荷属于重要负荷，必须保证供电的可靠性，对电网的供电质量要求较高，如果系统功率因数不能达到很好的保证，就会造成生产设备利用率降低，保证不了生产器件的质量和性能。所以从系统可靠性、安全性及设备的长期运行考虑，SVG要采用降压式。
4、链式结构SVG故障导致火灾现场照片
图一、链式SVG由于故障导致火灾，设备烧毁。
图二、链式SVG由于故障导致火灾，设备烧毁。
5、通信局（站）中压（10KV）补偿装置选用执行的规范标准
2011年9月16日发布、2012年8月1日实施的GB50059-2011《35KV~110KV变电站设计规范》3.4.3条规定“变电站应装设并联电容器装置；必需时应装设交流谐波滤波装置或能根据无功负荷波动自动进行快速调节补偿容量的静态装置”。从通信负荷特性来看，在低压接近负荷侧采用滤波装置，在中压（10KV）侧采用中压（10KV）HVC+三电平降压式结构SVG是最佳选择。
同时，铁道部《铁集成（2010）258号文》要求：高速铁路（含客运专线、城际高铁）电力工程设计暂不采用SVG补偿装置方案。该文即针对链式SVG装置提出的要求，禁止使用。
6、通信局（站）中压（10KV）补偿装置系统方案
采用HVC+三电平降压式结构SVG（H.SVG++）补偿方案一次系统图
7、通信局（站）中压（10KV）补偿装置选用原则
采用大功率IGBT管组成三相逆变器，既补偿感性负荷，又补偿容性负荷，可动态双向连续调节无功功率。整套装置实现大容量和无级补偿，无功容量保证连续调节与平滑输出，克服了电容器分组分级投切的缺陷。补偿容量足够的情况下可实现功率因数达到0.98以上。能够根据负荷无功功率的大小及功率因数的实际运行水平自动投切，动态补偿无功功率。响应速度小于10ms，调节速度快，动态特性好。控制系统选用DSP芯片，能快速鉴相和直接控制SVG交流侧输出电流的相位。采用优化特定消谐技术，能输出优质正弦电压和电流。采用电流间接控制和基于自适应，自校正非线性PID调节算法，以满足装置对稳定性的要求。具有专门转理外挂键盘输入、数据显示查询与上位机通讯功能。采用高清晰荧光显示屏，可显示和记录系统运行参数、运行参数，可与上位机进行联网和通讯。不产生谐波，不用考虑与系统发生谐振的可能性，在使用现场谐波复杂的情况下，设备仍可安全正常运行。能就地或集中补偿、稳定系统电压、抑制电压闪变，改善电能质量。自身功耗低，发热量小，节能效果明显。可以多台并联使用，整体结构设计合理，符合相关行业标准。保护措施齐全，自动化程度高，能在外部故障或停电时自动退出工作，送电后能自动恢复运行，整套设备设有过压、欠压、过流等保护。
8、结论
综上所述，中压（10KV）三电平降压式动态无功连续补偿装置能做到感性、容性无功功率的双向、连续、快速实时跟踪补偿，是各种补偿装置的最佳选择。
通过上述技术性能、可靠性分析以及国家标准与相关部委发文的综合整理剖析，得出中压（10KV）三电平降压式动态无功连续补偿装置在通信局（站）的应用的安全可靠和技术先进性；请同行批评斧正。
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