TSVG智能功率模块在新能源领域的应用

史 奔 彭国平

（特变电工西安柔性输配电有限公司，西安 710019）

无功补偿装置作为电力系统中的必要设备，从产品发展来看，先后经历了调相机、固定补偿电容器、SVC、SVG 等阶段。相比与其他无功补偿装置，静止无功发生器（SVG）在响应速度、滤波特性、运行损耗和占地面积等方面具备明显的优势。由于新能源发电的随机性和间歇性，对电力系统的有功无功会带来影响，引起电压的波动及闪变。同时电力系统的低电压故障又会影响逆变器的并网。SVG可动态调节无功大小，稳定母线电压，减小变流器的无功出力，提高新能源电站的稳定性。因此近年来SVG 在新能源发电领域得到了广泛的应用。

伴随SVG 在新能源领域的大量应用，特别在西北大型地面光伏电站及风电场，在恶劣的环境气候条件下，SVG 装置的故障率明显增加，一般超过15%，由于SVG 故障停机导致的光伏及风电场电能质量问题也日益突出。 因此提高SVG 设备可靠性、降低设备故障率显得尤为重要。

1 新能源领域SVG 装置应用分析

高压SVG 装置采用链式功率拓扑结构，根据接入电压等级的不同，系统由若干个相同的功率模块串联组成，其拓扑结构如图1所示。根据接入方式的不同分可为星型连接和角型连接两种。

新能源领域，无功补偿装置一般采用站内集中式补偿为主，以大型地面光伏电站发电系统为例如图2所示，SVG 装置接入电压为站内汇集母线电压：35kV。因此，直挂式星接SVG 若采用输入电压600V 等级的功率模块，单相功率模块需要42 级串联，SVG 整机模块数量为126 个。由于采用串联结构，整机中任何一个功率模块故障都将引起SVG 装置故障停机，因此SVG 整机故障率为功率模块故障率的126 倍。

图1 SVG 主拓扑结构图

图2 光伏电站系统框图

在新能源应用领域，特别是在大型地面光伏电站及风电场，综上分析，影响SVG 装置在新能源领域可靠性，导致装置故障率居高不下的主要原因为：功率模块级联数量多，在恶劣环境气候条件下，功率模块故障率升高，导致整机故障率大幅增加。

2 TSVG 解决方案

根据新能源领域SVG 装置应用环境恶劣等特点，针对不同电站不同无功补偿容量需求，TSVG功率模块提供系列化、智能化解决方案，以提高功率模块及系统可靠性。具体解决方案如下：

1）TSVG 功率模块采用智能互取电技术，提高模块运行可靠性

该方案原理框图如图3所示，在模块内部增加了一路直流母线取电DC/DC 电源，给相邻模块控制、驱动电路供电。在模块内部电源出现故障的情况下，模块供电可自动切换由相邻模块内DC/DC 电源供电，同时将该状态信息反馈给控制电路，控制电路通过光纤隔离将该状态信息上传至主控，实现自动、智能模块供电功能。该方案具有结构简单、可靠性高等特点，方案的实施可很好的解决传统SVG 功率模块内部供电电源故障导致的设备故障停机问题。

图3 SVG 主拓扑结构图

2）小容量SVG 需求，采用降压式接入方案，减少模块数量，降低整机故障率

针对光伏电站等小容量SVG 需求场合，一般小于10Mvar时，TSVG 推荐采用降压式接入方案，该方案通过SVG+升压变压器拓扑，将SVG 本体接入点电压降至10～3kV，进而可以减少模块数量，进一步提高整机可靠性，该方案拓扑图如图4所示。

图4 降压式接入拓扑结构图

针对10Mvar 以下新能源领域SVG 需求，在平衡可靠性及成本的条件下，具体选型推荐见表1。

表1

3）模块内关键器件选用更高可靠性产品，采用模块自加热功能，提高功率模块使用寿命

模块内核心功率变换器件：IGBT 模块，选用国际一流供应商德国英飞凌公司的最新一代IGBT 产品，通过损耗计算和系统级热仿真分析，提高功率模块运行可靠性。通过分析现场环境条件及IGBT功率循环周次及热循环周次，采用模块低温下自加热功能，提高功率模块使用寿命。

4）采用“N+1”或“N+2”冗余设计方案，通过智能、自动旁路技术，提高整机运行可靠性

依据不同的接入方式，TSVG 提供不同的模块冗余设计方案：降压式采用“N+1”冗余设计，直挂式采用“N+2”冗余设计。通过增加TSVG 自动旁路模 块，实现不停机情况下故障模块自动旁路功能。旁路模块系统框图如图6所示，每个功率模块交流侧并联一个旁路模块，旁路模块供电由相邻功率模块提供。

图5 功率模块热仿真图

图6 自动旁路系统框图

功率模块内控制板对旁路模块进行自动控制，其工作原理是：功率模块检测到故障后对旁路模块发送闭合命令，旁路模块收到闭合命令后短路该功率模块交流输入实现旁路该功率模块的功能，同时旁路模块将其状态信息反馈给功率模块控制板，功率模块控制板将信息经光纤隔离后上传给主控制器，实现在系统不停机的状态下，故障功率模块的自动、智能旁路控制功能。该旁路模块具有成本低，控制灵活，可靠性高等特点。

3 实际应用

以新疆某风电场项目为例，该风电场升压站动态无功补偿装置选用型号为TSVG-10/35 型直挂式高压SVG。该项目现场环境、气象条件如下：

最高气温：+39.0℃

最低气温：-38.8℃

最大日温差：≤25℃

日照强度：0.1W/cm2（风速0.5m/s）

环境湿度：≥95%（25℃时）

海拔高度：940m

地震烈度：7 度

污秽种类和等级：≤Ⅳ级

泄漏比距：3.1cm/kV

最大积雪厚度：75cm

覆冰厚度：10mm

历年平均雷暴日数：21.6 天/年

最多冻土深度：180cm

经现场长期应用检验，在恶劣环境条件下TSVG 运行表现良好，运行可靠性比同类产品大大提高，SVG 装置故障率可降低60%左右。

现场照片如图7、图8所示。

图7

图8

4 结论

在新能源应用领域由于严酷的应用环境条件，高压SVG 装置面对的主要问题是系统可靠性差、故障率过高。可靠性问题不解决将极大的限制高压SVG 在新能源领域的应用与发展。而经过大量现场应用证明，TSVG 智能功率模块的使用可极大的提高高压链式SVG 装置的运行可靠性，对推动高压链式SVG 装置在新能源领域应用的发展和推广具有积极促进作用。