Статические генераторы реактивной мощности ( SVG ) служат основным оборудованием для оптимизации качества электроэнергии в электросетях. Их способность к динамической компенсации реактивной мощности напрямую определяет стабильность, эффективность передачи и надежность электроснабжения в сети. Потолок производительности SVG в значительной степени зависит от топологии его основной цепи. Многоуровневые преобразователи с диодной фиксацией стали основным выбором топологии для SVG следующего поколения благодаря таким преимуществам, как простая структура, низкий уровень гармоник и лёгкая масштабируемость. В данной статье рассматривается глубокая интеграция этой топологии с SVG , а также подробно описывается, как она позволяет SVG преодолевать традиционные технические узкие места и предоставлять инновационные решения для высококачественной эксплуатации электросетей.
I. Основные проблемы SVG: почему традиционные топологии не отвечают требованиям современных сеток ?
С диверсификацией промышленных нагрузок и расширением масштабов подключения к новым энергосетям требования к производительности SVG в электросетях становятся всё более строгими. Однако традиционная двухуровневая топология SVG имеет три основных недостатка:
1. Недостаточная скорость реакции для реагирования на колебания
Высокочастотные колебания нагрузки, такие как запуск/останов двигателя и регулирование скорости преобразователя частоты в электросети, требуют от SVG динамической регулировки реактивной мощности в течение 20 мс. Традиционная двухуровневая топология SVG , ограниченная частотой коммутации (обычно ≤ 2 кГц), имеет задержку отклика более 50 мс, что делает её неспособной балансировать реактивную мощность в реальном времени и подверженной колебаниям напряжения.
2. Высокое содержание гармоник увеличивает нагрузку
Коэффициент гармонических искажений (КНИ) выходного напряжения традиционных генераторов гармонических искажений (КНИ ) обычно превышает 8%, что требует использования дополнительных LC-фильтров для соответствия требованиям национальных стандартов (КНИ ≤ 5%). Это не только увеличивает объём и стоимость генераторов гармонических искажений , но и может привести к риску резонанса из-за несоответствия параметров фильтрации.
3. Плохая масштабируемость и ограниченные возможности
От распределительных сетей 10 кВ до передающих сетей 500 кВ, системы однофазных генераторов (SVG) разных уровней напряжения требуют дифференцированной конструкции. Для повышения мощности или номинального напряжения традиционная топология SVG требует значительных изменений в главной цепи, что приводит к низкой совместимости и затруднению быстрого реагирования на различные требования.
Появление многоуровневых преобразователей с диодным фиксатором как раз решает эти болевые точки SVG , становясь ключевым прорывом в модернизации технологии SVG .
II. Новое ядро SVG: рабочая логика многоуровневых преобразователей
Благодаря инновационной конструкции диодного ограничения и конденсаторного деления напряжения, многоуровневые преобразователи с диодным ограничением меняют структуру основной схемы SVG , имея следующие основные принципы и преимущества:
1. Структура топологии: простая и надежная, поддерживающая многоуровневый вывод
Используя в качестве ядра полностью управляемые устройства, такие как IGBT и MOSFET, в сочетании с фиксирующими диодами и разделителями напряжения, преобразователь образует трёхфазную мостовую структуру. Основные характеристики включают:
- На стороне постоянного тока используется последовательное конденсаторное деление напряжения (например, для пятиуровневого SVG требуется 4 конденсатора, при этом напряжение каждого конденсатора составляет 1/4 от общего напряжения на стороне постоянного тока). Благодаря эффекту ограничения напряжения диодами напряжение на коммутирующих устройствах ограничивается диапазоном напряжения одного конденсатора, что позволяет избежать повреждения устройств вследствие перенапряжения;
- Каждое плечо моста может выводить несколько уровней напряжения посредством комбинации включения/выключения различных коммутационных трубок (например, трехуровневый SVG выводит -E/2, 0, E/2 и пятиуровневый SVG выводит -E, -E/2, 0, E/2, E), что делает выходное напряжение SVG более близким к синусоиде;
- По сравнению с традиционным двухуровневым СВГ, имеющим всего 8 пространственных векторов напряжения, количество векторов СВГ данной топологии существенно увеличивается (27 для трехуровневого), а точность управления СВГ выходным током повышается более чем в 3 раза.
2. Стратегия модуляции: технология ШИМ оптимизирует качество
Чтобы максимально использовать преимущества топологии, в этом типе SVG используется технология каскадной ШИМ-модуляции с треугольной несущей и базовой логикой:
- Используя синусоидальную волну в качестве модулирующей волны (соответствующей форме реактивного тока, которую SVG должен выводить), а также несколько треугольных волн в качестве несущих волн, сигналы коммутационных импульсов генерируются с помощью компараторов для точного управления включением/выключением переключающих трубок;
- Чем выше несущая частота, тем ниже содержание гармоник в выходном напряжении генератора синфазных сигналов (SVG) . Если несущая частота установлена на 5 кГц, то коэффициент гармонических искажений выходного напряжения генератора синфазных сигналов может быть снижен до 2,3%, что соответствует национальным стандартам без дополнительной фильтрации.
- Метод каскадирования синфазной несущей позволяет подавлять гармоники низшего порядка, такие как 3-я и 5-я гармоники, что еще больше снижает гармонические помехи SVG в электросети и адаптируется к сценариям прецизионного производства со строгими требованиями к качеству электроэнергии.
3. Основные преимущества: устранение проблем
- Быстрый отклик : многоуровневая структура совместима с более высокими частотами переключения (до 10 кГц), сокращая динамическое время отклика SVG до 15 мс, что позволяет отслеживать реактивные колебания нагрузки в реальном времени;
- Низкий уровень гармоник : многоуровневый выходной сигнал снижает скачки напряжения, а в сочетании с ШИМ-модуляцией уровень гармонических искажений SVG значительно снижается, что исключает затраты на дополнительную фильтрацию;
- Простая масштабируемость : за счет увеличения количества единиц плеч моста его можно гибко модернизировать до 5-уровневого, 7-уровневого SVG , адаптируясь к различным уровням напряжения от 10 кВ до 500 кВ, с масштабируемостью, значительно превосходящей традиционные топологии.
III. Проверка симуляции SVG: реальные характеристики топологии
Для проверки эффективности данной топологии SVG была построена 5-уровневая имитационная модель SVG с использованием Matlab/Simulink (параметры: индекс модуляции 0,6–0,8, конденсатор постоянного тока 10 мФ, несущая частота 5 кГц, системная частота 50 Гц). Результаты испытаний следующие:
1. Эффект компенсации реактивной мощности: коэффициент мощности быстро приближается к 1
В начальном состоянии моделирования активная мощность сети составляла 200 кВт, индуктивная реактивная мощность — 200 кВА, а коэффициент мощности — всего 0,75. После запуска SVG этой топологии динамическая регулировка была завершена в течение 0,05 с, и, наконец, коэффициент мощности сети стабилизировался на уровне 1,0, а реактивная мощность приблизилась к 0, что полностью компенсировало потребление реактивной мощности индуктивными нагрузками.
2. Подавление гармоник: значительное снижение коэффициента нелинейных искажений
При тех же условиях эксплуатации коэффициент гармонических искажений выходного напряжения традиционного двухуровневого генератора гармонических искажений составил 8,5%, тогда как коэффициент гармонических искажений генератора гармонических искажений данной топологии составил всего 2,3%, что соответствует требованиям стандарта GB/T 14549-1993 «Качество электроэнергии. Гармоники в сетях общественного питания» без фильтрации, что позволяет эффективно избегать повреждения оборудования из-за перегрева из-за гармоник.
3. Стабильность напряжения: колебания контролируются в пределах ±2 %
В сценарии моделирования резких изменений нагрузки (скачок реактивной мощности от 100 кВАр до 300 кВАр) данная топология SVG быстро отреагировала, контролируя амплитуду колебаний напряжения сети в пределах ±2%, что намного лучше, чем ±5% традиционных SVG , обеспечивая стабильную работу чувствительного оборудования (такого как прецизионные приборы и системы ПЛК).
IV. Сценарии применения SVG: Инновации в топологии обеспечивают разнообразные потребности
Благодаря своим превосходным характеристикам SVG с многоуровневой топологией с диодным фиксатором широко используется в трех основных сценариях:
1. Промышленные распределительные сети: решение проблем
Нелинейные нагрузки, такие как преобразователи частоты и дуговые печи в сталелитейной и химической промышленности, подвержены дисбалансу реактивной мощности в сети и гармоническому загрязнению. Эта топология SVG позволяет компенсировать реактивную мощность в режиме реального времени (повышая коэффициент мощности до более чем 0,95) и подавлять гармоники (снижая коэффициент гармонических искажений до ≤ 3%), снижая штрафы за электроэнергию и расходы на обслуживание оборудования. Благодаря внедрению этой технологии сталелитейный завод ежегодно экономил на оплате электроэнергии более 2 миллионов юаней.
2. Новое подключение к энергосети: обеспечение стабильности
Колебания выходной мощности фотоэлектрических и ветроэлектростанций могут привести к колебаниям напряжения и дисбалансу реактивной мощности в точке подключения к сети. Эта топология SVG позволяет быстро подавлять колебания и поддерживать стабильность напряжения в точке подключения к сети, повышая пропускную способность новых источников энергии. Ветроэлектростанция снизила темпы сокращения мощности на 5% после применения этого решения SVG .
3. Высоковольтные сети электропередачи: повышение возможностей
В сетях сверхвысокого напряжения 500 кВ СВГ с топологией от пяти уровней и выше способны обеспечить динамическую поддержку напряжения, подавить провалы и колебания напряжения в линии, увеличить пропускную способность более чем на 20% и обеспечить надежную работу межрегиональных энергосетей.
V. Заключение: Инновации в топологии SVG способствуют повышению качества
Применение многоуровневых преобразователей с диодным ограничением позволяет SVG преодолеть традиционные технические ограничения, достигая улучшенных характеристик, таких как «быстрое реагирование, низкий уровень гармоник и лёгкая масштабируемость», и становясь основным решением для оптимизации качества электроэнергии в современных электросетях. От адаптации к промышленным нагрузкам до поддержки стабильного подключения к сети новых источников энергии, эта топология SVG ведёт электросети к эффективному, надёжному и экологически чистому развитию благодаря технологическим инновациям.
Если в вашей энергосистеме возникают такие проблемы, как дисбаланс реактивной мощности, чрезмерные гармоники или колебания напряжения, сообщите нам об уровне напряжения в сети, типе нагрузки и основных требованиях. HengRong Electric CO., LTD. разработает для вас индивидуальные решения SVG, помогая SVG в полной мере использовать свои эксплуатационные преимущества и обеспечить качественную работу электросети!