電力電子技術(shù)在高壓領(lǐng)域應(yīng)用概況

SVC(Static Var Compensator)由晶閘管控制電抗器(TCR)和無源濾波器(FC)構(gòu)成，是一種并聯(lián)連接于電網(wǎng)當(dāng)中，根據(jù)負(fù)荷的工作狀態(tài)快速、自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)無功功率的補(bǔ)償裝置。主要功能是提高輸電線路供電穩(wěn)定性，抑制電壓波動(dòng)、閃變，濾除高次諧波，改善功率因數(shù)、改善三相不平衡。

如圖1所示，無源濾波器FC裝置和TCR裝置并聯(lián)接入電力系統(tǒng)中。FC濾波器組主要由電力電容器、串聯(lián)電抗器、放電線圈、避雷器、刀閘、電流互感器、斷路器等主要一次元件組成。根據(jù)不同的負(fù)載情況設(shè)計(jì)成若干條LC濾波器。其中串聯(lián)電抗器與電容器串聯(lián)諧振于特定諧波頻率，對(duì)特定諧波呈現(xiàn)低阻，實(shí)現(xiàn)諧波濾除功能。同時(shí)，對(duì)50Hz工頻呈現(xiàn)容性，在SVC系統(tǒng)中提供容性無功。TCR支路主要由相控電抗器、穿墻套管、避雷器、晶閘管閥組、刀閘、斷路器、線電流互感器、相電流互感器等主要一次元件組成。TCR采用三角形接線，其中每相電抗器分裂成兩個(gè)，分別位于閥組兩側(cè)，可減小相控電抗器短路時(shí)的短路電流。晶閘管閥組可受控改變流過相控電抗器的電流，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)TCR電流的作用。晶閘管閥組作為TCR的核心部件，其快速開斷能力是實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)無功的基礎(chǔ)。在所有一次設(shè)備中，其結(jié)構(gòu)也最為復(fù)雜，是TCR核心技術(shù)之一。晶閘管閥組由晶閘管元件、晶閘管電子板等組成。晶閘管電子板也被稱為TE板，實(shí)現(xiàn)電光電觸發(fā)方式。SVC控制系統(tǒng)與閥組的聯(lián)結(jié)采用光纖方式，可有效隔離高低電位，減少閥組對(duì)控制系統(tǒng)產(chǎn)生的傳導(dǎo)性干擾。

TCR裝置跟隨負(fù)載的變化快速調(diào)整與相控電抗器連接的晶閘管導(dǎo)通角，通過改變晶閘管導(dǎo)通角的大小使相控電抗器輸出大小可調(diào)的感性無功功率，來維持或控制功率因數(shù)為1或其它設(shè)定值。

控制原理公式表述如下：

負(fù)載所需的無功功率+TCR提供的無功功率—FC提供的無功功率=0(設(shè)定常數(shù))。

三、高壓大功率靜止無功發(fā)生器SVG

作為無功補(bǔ)償領(lǐng)域的另一重要分支，SVG是當(dāng)前世界上最先進(jìn)也是最復(fù)雜的補(bǔ)償技術(shù)產(chǎn)品，在響應(yīng)速度、穩(wěn)定電網(wǎng)電壓、降低系統(tǒng)損耗、增加傳輸能力、提高瞬變電壓極限、降低諧波和減少占地面積等多方面具有更加優(yōu)越的性能。由于區(qū)域電網(wǎng)的容量越來越大，這就要求補(bǔ)償裝置的容量也相應(yīng)增大。在幾百M(fèi)VA級(jí)的無功補(bǔ)償系統(tǒng)中，常用的方案是將SVG與SVC相結(jié)合，充分發(fā)揮SVG的快速特性和SVC的穩(wěn)態(tài)性能，使系統(tǒng)在補(bǔ)償特性、造價(jià)、可靠性等方面達(dá)到最優(yōu)。

1，SVG (STATC OM)原理

SVG是當(dāng)今無功補(bǔ)償領(lǐng)域最新技術(shù)的代表。SVG并聯(lián)于電網(wǎng)中，相當(dāng)于一個(gè)可變的無功電流源，其無功電流可以快速地跟隨負(fù)荷無功電流的變化而變化，自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)所需無功功率。由于SVG的響應(yīng)速度極快，所以又稱為靜止同步補(bǔ)償器(Static Synonous Compensator, 簡(jiǎn)稱STATCOM)。

SVG的基本原理(見圖2)是利用可關(guān)斷大功率電力電子器件(如IGBT)組成自換相橋式電路，經(jīng)過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側(cè)電流，就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

2，SVG的功能

目前最理想的方案就是采用SVG，用以提高電網(wǎng)穩(wěn)定性，增加輸電能力，消除無功沖擊，濾除諧波，平衡三相電網(wǎng)。

⑴ 提高線路輸電穩(wěn)定性

在長(zhǎng)距離輸電線路上安裝SVG裝置，不但可以在正常運(yùn)行狀態(tài)下補(bǔ)償線路的無功損耗，抬高線路電壓，提高有效輸電容量，而且可以在系統(tǒng)故障情況下提供及時(shí)的無功調(diào)節(jié)，阻尼系統(tǒng)振蕩，提高輸電系統(tǒng)穩(wěn)定性。

⑵ 維持受電端電壓，加強(qiáng)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性

對(duì)于負(fù)荷中心而言，由于負(fù)載容量大，又沒有大型的無功電源支撐，因此容易造成電網(wǎng)電壓偏低甚至發(fā)生電壓崩潰的穩(wěn)定事故。而SVG具有快速的無功功率調(diào)節(jié)能力，可以維持負(fù)荷側(cè)電壓，提高負(fù)荷側(cè)供電系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。

⑶ 補(bǔ)償系統(tǒng)無功功率，提高功率因數(shù)，降低線損，節(jié)能降耗

電力系統(tǒng)中的大量負(fù)荷，如異步電動(dòng)機(jī)、電弧爐、軋機(jī)以及大容量的整流設(shè)備等，在運(yùn)行中需要大量的無功;同時(shí)，輸配電網(wǎng)絡(luò)中的變壓器、線路阻抗等也會(huì)產(chǎn)生一定的無功，導(dǎo)致系統(tǒng)功率因數(shù)降低。

對(duì)電力系統(tǒng)而言，負(fù)荷的低功率因數(shù)會(huì)增加供電線路的能量損耗和電壓降落，降低了電壓質(zhì)量。同時(shí)，無功也會(huì)導(dǎo)致發(fā)電、輸電、供電設(shè)備的利用率降低;對(duì)于電力用戶而言，低功率因數(shù)會(huì)增加電費(fèi)支出，加大生產(chǎn)成本。

⑷ 抑制電壓波動(dòng)和閃變

電壓波動(dòng)和閃變主要是負(fù)荷的急劇變化引起的。負(fù)荷的急劇變化會(huì)導(dǎo)致負(fù)荷電流產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的劇烈波動(dòng)，劇烈波動(dòng)的電流使系統(tǒng)電壓損耗快速變化，從而引起受電端電網(wǎng)電壓閃變。引起電壓閃變的典型負(fù)荷有電弧爐、軋鋼機(jī)、電力機(jī)車等。

SVG能夠快速地提供變化的無功電流，以補(bǔ)償負(fù)荷變化引起的電壓波動(dòng)和閃變現(xiàn)象。

目前，抑制電壓波動(dòng)和閃變的最佳方案是采用SVG。

⑸ 抑制三相不平衡

配電網(wǎng)中存在著大量的三相不平衡負(fù)載，典型的如電力機(jī)車牽引負(fù)荷和交流電弧爐等。同時(shí)，線路、變壓器等輸配電設(shè)備三相阻抗的不平衡也會(huì)導(dǎo)致電壓不平衡問題的產(chǎn)生。

SVG能夠快速地補(bǔ)償由于負(fù)載不平衡所產(chǎn)生的負(fù)序電流，始終保證流入電網(wǎng)的三相電流平衡，大大提高供用電的電能質(zhì)量。

⑹ 面向電網(wǎng)應(yīng)用多種補(bǔ)償功能

抑制系統(tǒng)振蕩，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性，為電網(wǎng)安全保駕護(hù)航。

由于區(qū)域電網(wǎng)的容量越來越大，這就要求補(bǔ)償裝置的容量也相應(yīng)增大。在幾百M(fèi)VA級(jí)的無功補(bǔ)償系統(tǒng)中，常用的方案是將SVG與SVC相結(jié)合，充分發(fā)揮SVG的快速特性和SVC的穩(wěn)態(tài)性能，使系統(tǒng)在補(bǔ)償特性、造價(jià)、可靠性等方面達(dá)到最優(yōu)。

3，SVG-優(yōu)勢(shì)

SVG是目前最為先進(jìn)的無功補(bǔ)償技術(shù)，基于電壓源型變流器的補(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)了無功補(bǔ)償方式質(zhì)的飛躍。它不再采用大容量的電容、電感器件，而是通過大功率電力電子器件的高頻開關(guān)實(shí)現(xiàn)無功能量的變換。從技術(shù)上講，SVG較傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償裝置有如下優(yōu)勢(shì)：

⑴ 響應(yīng)速度更快

SVG響應(yīng)時(shí)間：≤5ms。

傳統(tǒng)靜補(bǔ)裝置響應(yīng)時(shí)間： ≥10ms。

SVG可在極短的時(shí)間之內(nèi)完成從額定容性無功功率到額定感性無功功率的相互轉(zhuǎn)換，這種無可比擬的響應(yīng)速度完全可以勝任對(duì)沖擊性負(fù)荷的補(bǔ)償。

⑵ 電壓閃變抑制能力更強(qiáng)

SVC對(duì)電壓閃變的抑制最大可達(dá)2：1，SVG對(duì)電壓閃變的抑制可以達(dá)到5：1，甚至更高。SVC受到響應(yīng)速度的限制，其抑制電壓閃變的能力不會(huì)隨補(bǔ)償容量的增加而增加。而SVG由于響應(yīng)速度極快，增大裝置容量可以繼續(xù)提高抑制電壓閃變的能力。

⑶ 運(yùn)行范圍更寬

SVG能夠在額定感性到額定容性的范圍內(nèi)工作，所以比SVC的運(yùn)行范圍寬很多。更重要的是，在系統(tǒng)電壓變低時(shí)，SVG還能夠輸出與額定工況相近的無功電流。

⑷ 補(bǔ)償功能多樣化

SVG不僅具有快速補(bǔ)償系統(tǒng)無功功率的目的，還能夠根據(jù)用戶實(shí)際需要，對(duì)負(fù)荷諧波電流、負(fù)序電流等電能質(zhì)量問題進(jìn)行綜合補(bǔ)償。

⑸ 諧波含量極低

SVG采用了PWM技術(shù)、三電平技術(shù)和多重化技術(shù)，不僅自身產(chǎn)生的諧波含量極低，還能夠?qū)ω?fù)載的諧波和無功進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)有源濾波的功能，真正做到多功能化。

⑹ 占地面積小

由于無需高壓大容量的電容器和電抗器做儲(chǔ)能元件，SVG的占地面積通常只有相同容量SVC的50%。

四、高壓電機(jī)軟起動(dòng)

1，中、高壓(6～10 kV)電機(jī)常用的起動(dòng)方法

交流電動(dòng)機(jī)是在各種領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的電動(dòng)機(jī)，為解決交流電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過程中對(duì)電網(wǎng)、機(jī)械的沖擊，人們采取過很多辦法，傳統(tǒng)的有串電阻起動(dòng)、串電抗器起動(dòng)、星—角轉(zhuǎn)換起動(dòng)、自耦降壓起動(dòng)、變頻起動(dòng)等。

用晶閘管控制的電機(jī)軟起動(dòng)裝置是利用晶閘管反并聯(lián)、調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角達(dá)到交流調(diào)壓的目的，為解決在空載和輕載時(shí)交流異步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)過低的問題，此技術(shù)得到了應(yīng)用。后來又引入電流反饋技術(shù)，使該項(xiàng)控制水平大幅度提高，得到廣泛的采用。

2，電機(jī)軟起動(dòng)的好處

⑴ 可減小對(duì)電網(wǎng)的沖擊，可降低變壓器的容量

普通鼠籠式電動(dòng)機(jī)在空載全壓直接起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流會(huì)達(dá)到額定電流的5～7倍。當(dāng)電動(dòng)機(jī)容量相對(duì)較大時(shí)，該起動(dòng)電流將引起電網(wǎng)電壓急劇下降。采用軟起動(dòng)后起動(dòng)電流可降為額定電流的1.5～3倍，可大大降低電網(wǎng)電壓的波動(dòng)率。

⑵ 可減小對(duì)電機(jī)的傷害，延長(zhǎng)電機(jī)壽命

電動(dòng)機(jī)直接全壓起動(dòng)時(shí)的大電流在電機(jī)定子線圈和轉(zhuǎn)子鼠籠條上產(chǎn)生很大的沖擊力，引起電機(jī)故障。軟起動(dòng)時(shí)的電動(dòng)力是其四分之一?？梢娦Ч欠浅Ｃ黠@的。

電動(dòng)機(jī)直接全壓起動(dòng)時(shí)的大電流會(huì)使定轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生大量的焦耳熱。燒損繞組絕緣，降低電機(jī)壽命。軟起動(dòng)可以大大降低發(fā)熱量。提高電機(jī)壽命。

電機(jī)直接全壓起動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生操作過電壓，在最不利的情況下過電壓會(huì)達(dá)到額定電壓的5倍，這對(duì)電機(jī)絕緣將造成極大的傷害。

⑶ 可減小對(duì)機(jī)械的傷害，延長(zhǎng)機(jī)械壽命

軟起動(dòng)時(shí)電機(jī)緩慢加速，力矩逐步加大，有利于潤(rùn)滑油脂的充分到位，還免除了干磨現(xiàn)象。這些都極大程度地減小了對(duì)電機(jī)的傷害，有利于提高機(jī)械設(shè)備的壽命。

3，晶閘管的耐壓?jiǎn)栴}

在高壓電機(jī)軟啟動(dòng)中使用的晶閘管也因單只晶閘管耐壓不夠要串聯(lián)運(yùn)行，有如上述TCR中晶閘管閥組那樣。當(dāng)晶閘管的額定電壓小于實(shí)際要求時(shí)，可以用兩個(gè)以上同型號(hào)器件相串聯(lián)。理想串聯(lián)希望各器件承受電壓相等，但實(shí)際上因器件特性之間的差異，一般都會(huì)存在電壓分配不均勻的問題。串聯(lián)的器件流過的漏電流總是相同的，但由于靜態(tài)伏安特性的分散性，各器件所承受的電壓是不等的。承受的電壓高的器件將首先達(dá)到轉(zhuǎn)折電壓而導(dǎo)通，使另一個(gè)器件承擔(dān)全部電壓也導(dǎo)通，兩個(gè)器件都失去控制作用。同理，反向時(shí)，因伏安特性不同而不均壓，可能使其中一個(gè)器件先反向擊穿，另一個(gè)隨之擊穿。這種由于器件靜態(tài)特性不同而造成的均壓?jiǎn)栴}稱為靜態(tài)不均壓?jiǎn)栴}。

為達(dá)到靜態(tài)均壓，首先應(yīng)選擇參數(shù)和特性盡量一致的器件，此外可以采用電阻均壓。

由于器件動(dòng)態(tài)參數(shù)和特性的差異造成的不均壓稱為動(dòng)態(tài)不均壓。為達(dá)到動(dòng)態(tài)均壓，同樣首先應(yīng)選擇動(dòng)態(tài)參數(shù)和特性盡量一致的器件，另外，還可以用RC并聯(lián)支路做動(dòng)態(tài)均壓。對(duì)于晶閘管來講，采用門極強(qiáng)脈沖觸發(fā)可以顯著減少器件開通時(shí)間上的差異。

4，軟起動(dòng)裝置性能的比較

目前國(guó)內(nèi)外的中高壓軟起動(dòng)產(chǎn)品主要有兩種，一種為應(yīng)用高壓變頻器軟起動(dòng)另一種應(yīng)用可控硅做軟起動(dòng)，在此筆者簡(jiǎn)要的介紹一下兩種裝置的性能。

⑴ 高壓變頻器軟起動(dòng)

變頻器裝置主要是用在交流電機(jī)的調(diào)速上，具有明顯的節(jié)能效果。如果把變頻裝置用來做軟起動(dòng)，在整個(gè)起動(dòng)過程中電機(jī)不會(huì)有過流現(xiàn)象，對(duì)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大的負(fù)載，具有很好的起動(dòng)性能。但對(duì)于起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小的，這一優(yōu)點(diǎn)則表現(xiàn)不出來。

⑵ 晶閘管軟起動(dòng)

此種方法有兩種結(jié)構(gòu)，一是將晶閘管直接串聯(lián)應(yīng)用(3a)、二是開關(guān)變壓器技術(shù)(3b)，此兩種方式主電路形式如下：

圖3a中電路清晰結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但存在元件參數(shù)一致性要求及輸出諧波問題，雖有占地空間較小的優(yōu)勢(shì)但安全穩(wěn)定性堪憂。

圖3b中電路結(jié)構(gòu)很清晰，與a相比雖有占地空間稍大問題，但不存在參數(shù)一致性要求也不存在輸出諧波污染問題，安全穩(wěn)定。

就目前電力電子器件的情況來說b更有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但隨著電力電子技術(shù)不斷的升級(jí)改進(jìn)，在軟起動(dòng)領(lǐng)域中3b最終將被3a所取代。

五、晶閘管閥組

高壓晶閘管閥組是TCR中十分重要的部件。根據(jù)SVC的電壓要求，采用若干個(gè)晶閘管串聯(lián)而成，使其耐壓水平達(dá)到SVC要求。晶閘管閥組中還有散熱器、均壓/阻尼電容器和電阻器、高電位觸發(fā)板和支撐架等。要求散熱器和晶閘管一隔一的排列，以便每個(gè)晶閘管都能均勻地得到散熱。晶閘管閥組散熱采用水冷散熱器或熱管散熱器。

串聯(lián)后的晶閘管耐壓要留有足夠大的裕量。例如單相10kV晶閘管閥組單臂半波共串聯(lián)10個(gè)6500V晶閘管元件。單相6kV晶閘管閥組單臂半波共串聯(lián)6個(gè)6500V晶閘管元件。要求晶閘管，開通、觸發(fā)特性一致性好，高溫特性優(yōu)良，適合多只串聯(lián)使用。串聯(lián)后的晶閘管要有均壓措施、過壓保護(hù)，和丟脈沖保護(hù)等功能。晶閘管閥層采用擊穿二極管(BOD)進(jìn)行快速保護(hù)。由于每個(gè)晶閘管處于不同的電位，為實(shí)現(xiàn)高低電位完全隔離，要求觸發(fā)板自取能，可控硅觸發(fā)電路采用光電轉(zhuǎn)換裝置，光信號(hào)觸發(fā)。觸發(fā)器的同步信號(hào)取自電網(wǎng)電壓，經(jīng)同步變壓器降壓，光耦后作為同步信號(hào)。觸發(fā)器接到觸發(fā)命令后,產(chǎn)生寬脈沖的觸發(fā)命令，再通過光纖傳遞給脈沖功放產(chǎn)生脈沖列信號(hào)，經(jīng)過磁隔離變壓器隔離，觸發(fā)晶閘管。磁隔離脈沖變壓器提供同一組晶閘管閥串相同的觸發(fā)脈沖信號(hào),即觸發(fā)脈沖信號(hào)同時(shí)開始、同時(shí)停止,以保證閥串同時(shí)導(dǎo)通。并且磁隔離變壓器起到低壓控制回路與中壓主回路絕緣、隔離的作用。專門用于多個(gè)晶閘管串聯(lián)系統(tǒng)的特種脈沖變壓器,可滿足3-12個(gè)晶閘管串聯(lián)同時(shí)觸發(fā)的需要。其結(jié)構(gòu)和工藝上保證了多繞組輸出脈沖的上升沿時(shí)間誤差小于0.2μs，脈沖上升沿陡度可達(dá)2A/μs，適合觸發(fā)電流容量在50～4000A范圍內(nèi)的晶閘管。良好的性能，保證了觸發(fā)系統(tǒng)的安全性,可靠性和穩(wěn)定性。

晶閘管閥組就是晶閘管的串聯(lián)運(yùn)行的組件。除了它在TCR中應(yīng)用外，在高壓領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，例如：高壓直流輸電、高壓電機(jī)軟起動(dòng)、各種高壓直流電源等。

編后語

本文未就對(duì)“高壓直流電源及高壓變頻”進(jìn)行討論。因高壓直流電源范圍很寬、原理各異，擬另文討論。高壓變頻器就目前來看屬低壓變頻器輸出串聯(lián)，為另一設(shè)計(jì)思路。

應(yīng)該說明本文是匯集了若干相關(guān)報(bào)道文章精華，重新編寫的摘要匯編，以便需要者能“一目了然”，了解概貌。在此順向原報(bào)道者致謝!

編者簡(jiǎn)介：朱英文：(1939- )，高級(jí)工程師，現(xiàn)任北京京儀椿樹整流器有限責(zé)任公司技術(shù)顧問，中國(guó)電力電子產(chǎn)業(yè)網(wǎng)特約顧問，主要研究電力半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用中的熱設(shè)計(jì)和電力半導(dǎo)體器件主回路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。曾參與專業(yè)詞典、書籍的編寫、翻譯等工作。主要成果有：“無刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)用旋轉(zhuǎn)整流管設(shè)計(jì)和制造”，“晶閘管芯片球面磨角工藝”“大功率半導(dǎo)體器件用散熱器風(fēng)冷熱阻計(jì)算方法”等