一、 无功补偿及HKSVG概述
1.1 概述
高压动态无功补偿装置(HKSVG)，又称静止无功补偿器（STATCOM)。由于采用了全控型开关器件（如IGBT），所以其动态补偿效果是早期的同步调相机、电容器等无功补偿装置不能比拟的。无功补偿装置以其较低的谐波，较高的效率，较快速的动态响应，成为输电系统中的重要设备。
该装置主要用来补偿电网中频繁波动的无功功率，抑制电网闪变和谐波，提高电网的功率因数，改善输配电网的供电质量和使用效率，进而降低网络损耗，有利于延长输电线路的使用寿命。
目前我国输配电网中普遍存在着无功补偿不足、布置不合理的状况，存在着城乡电网与区域电网电容器容量倒置现象。10kV电压等级以上的输配电电网用户无功需求量很大，有效合理的使用无功补偿与谐波治理装置，对输配电网中的无功和谐波进行补偿，不仅可以达到节能降耗的目的，还可以减少对用电装置的损害及由谐波引起的事故。
传统补偿谐波和无功的一种方法是装设无源滤波器，通常由电力电容器、电抗器和电阻器串并联组合而成，该方法既可补偿谐波，又可补偿无功功率。目前我国常用的无功调节设备仍为机械式并联电抗器、投切电容器，这些静止型调压手段，因调节不连续、响应速度慢，很难满足系统运行方式快速变化时的需求。另一种补偿装置HKSVC，响应速度很快，但对电网来说仍呈阻抗特性，在电压低时，无法提供系统所需的无功支持，应付电网异常的能力较弱；由于HKSVC会对系统中的某些特征谐波放大，有时必须装设滤波器，占地面积较大；过多的HKSVC装置容易引发系统振荡。
高压动态无功补偿装置HKSVG则是较为有效的调压手段，它的无功电流输出可在很大电压变化范围内恒定，在电压低时仍能提供较强的无功支撑，并且可从感性到容性全范围内连续调节。成功研制高压动态无功补偿装置（HKSVG），并批量应用，可带来较大的经济和社会效益。
由本公司自主研制的级联式高压动态无功补偿装置（以下简称HKSVG），是柔性交流输电技术（Flexible AC Transmission System，简称 FACTS）的主要装置之一，它代表着现阶段电力系统无功补偿技术新的发展方向。HKSVG能够快速连续地提供容性和感性无功功率，实现适当的电压和无功功率控制，保障电力系统稳定、高效、优质地运行。
1.2 HKSVG系列产品的特点
HKSVG系列产品以高可靠性、易操作、高性能为设计目标，满足用户对提高输配电电网的功率因数、治理谐波、补偿负序电流的迫切需要，具有以下特点：
● 安装、设定、调试简便。
● 动态响应速度快，响应时间小于1mS。
● 在补偿容量足够前提下，输出电流谐波（THD）≤3%。
● 实时跟踪负荷变化，动态连续平滑补偿无功功率，提高系统功率因数，实时治理谐波，补偿负序电流，提高电网供电质量。
● 抑制电压闪变，改善电压质量，稳定系统电压。
● 主电路采用IGBT组成的H桥功率单元链式串联结构,每相由多个功率单元组成，输出是由PWM波形叠加而成阶梯波，逼近正弦，经输出电抗滤波后正弦度好。
● HKSVG采用冗余性设计和模块化设计，满足系统高可靠性的需求。
● 功率电路模块化设计，维护简单，互换性好。
● 投切时无暂态冲击，无合闸涌流，无电弧重燃，无需放电即可再投。
● 保护功能齐全，具有过压、欠压、过流、过热等保护，运行可靠性高。
● HKSVG设计与FC配合使用的接口，实现定补和动补的有效结合，为用户提供更经济，更灵活的补偿方案。
● 人机界面友好显示，设定方便。
● 通讯采用RS232C、RS485等通讯接口，采用标准Modbus或用户自定义等多种通讯协议。
● 与系统连接时，不需要考虑交流系统相序，连接方便。
● HKSVG电路参数精心设计，发热量小，设备结构紧凑，占地面积小。
● 控制电源采用220VAC经过UPS后单独给HKSVG供电的方式，即使控制电源掉电，也可保持正常运行。
● 维护量小，运行成本低。
● 可并联安装，极易扩展容量。
应用领域及用途
HKSVG系列产品可广泛应用于石油化工、电力系统、冶金、电气化铁路、城市建设等行业中，为各种异步电动机、变压器、晶闸管变流器、变频器、感应炉、照明设备、电弧炉、电力机车、提升机、起重机、冲压机、吊车、电梯、风力发电机、电梯、电焊机、电阻炉、石英熔炼炉等设备提供高质量、高可靠性的无功补偿及滤波的解决方案。
HKSVG系列产品可以增强电力传输能力、减小电能损耗、补偿无功功率、治理谐波、抑制闪变、稳定电网电压、平衡三相系统、改变系统的阻尼特性、提高系统的稳定性。
二、 系统原理与结构
2.1 基本原理
在交流电路中，电压和电流的相位有三种情况，当负载是纯电阻特性时，电压和电流相位相同；当负载是（或含有）电感特性时，电压相位超前电流相位；当负载是（或含有）容性特性时，电压相位滞后电流相位。
图2.1原理示意图
HKSVG系列产品的原理示意图如图2.1所示，基本原理就是将自换相桥式电路通过变压器或者电抗器并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。如表2.1所示。
2.2 HKSVG主要技术参数及主要标准
2.2.1 HKSVG主要技术参数
● 额定工作电压：6kV，10kV，35kV；
● 额定容量：±0.5～±10Mvar；
● 输出无功范围：从感性额定无功到容性额定无功范围内连续变化；
● 控制器响应时间：≤1ms；
● 输出电压总谐波畸变率（并网前） ：≤4%；
● 输出电压总谐波畸变率（并网后） ：≤3%；
● 输出电流总谐波畸变率THD：≤3%；
● 输出电压不对称度：≤3%；
● 效率：≥98%；
● 运行温度：－20℃～+40℃；
● 贮存温度：－40℃～+65℃
● 人机界面：采用中文显示操作界面。
● 相对湿度：月平均值不大于90﹪(25℃)，无凝露
● 海拔高度：﹤1000m
● 地震烈度: 8度
2.2.2 HKSVG主要标准
HKSVG系列产品满足以下主要标准或者与这些标准规定有关的条文。
下列文件中的条款通过本手册的引用而成为标准的条款。凡是注日期的引用文件其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准。凡是不注日期的引用文件其最新版本适用于本标准。
《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》 GB/T11022-1989
《低压开关设备和控制设备总则》 GB/T14048-2000
《电抗器》 GB/10229-1988
《电能质量 公用电网谐波》 GB/T14549-1993
《电控设备第二部分，装有电子器件的电控设备》 GB/T 3797-2005
《半导体变流器 基本要求的规定》 GB/T 3859.1-1993
《半导体变流器 应用条例》 GB/T 3859.2-1993
《半导体变流器 变压器和电抗器》 GB/T 3859.3-1993
《外壳防护等级 （IP代码）》 GB 4208-1993
《3.6kV～40.5kV交流金属封闭式开关设备和控制设备》GB 3906-2006
《交流高压隔离开关和接地开关》 GB 1985-89
《户内交流高压开关柜订货技术条件》 DL/T 404-1997
《电压互感器》 GB1207-1997
《交流无间隙金属氧化物避雷器》 GB11032-2000
2.3系统结构
HKSVG系列产品系统主电路结构如图2.2所示:
2.4型号与规格
HKSVG系列产品的型号及规格如表2.2所示
表2.2 产品的型号及规格
说明：
1)本表格内高度不含底座（120mm）与风机高度（450mm）。
2)容量（Mvar）表示从感性无功到容性无功动态调节范围内的额定最大调节容量。例如C2.0/10，表示为10kV、容量为±2Mvar装置，即+2000kvar（感性）到-2000kvar（容性）范围内对无功进行连续平滑调节。
3）公司保留对产品的升级和改进权利，产品尺寸更改后恕不另行通知。
2.5电气原理
HKSVG系列产品的主电路采用链式逆变器拓扑结构，Y型连接，10kV装置每相12个单元串联组成，6kV装置每相8个单元串联组成，运行方式为N＋１模式。图2.3为10kV电压等级系统连接原理,图2.4为6kV装置的系统连接原理.
图2.5为电气原理示意图。
图2.3 10kV电压等级系统连接原理
图2.4 6kV电压等级系统连接原理
图2.5 HKSVG电气原理图
2.6 HKSVG构成
HKSVG系列产品的构成主要有三个部分组成：控制柜、功率柜、进线柜，如表2.3所示。10kV装置(SVG)由3--4节功率柜、一节控制柜，一节进线柜组成；6kV装置(SVG)由2--3节功率柜、一节控制柜，一节进线柜组成。
表2.3 HKSVG的构成
2.6.1控制柜
控制柜由主控箱、PLC、UPS、触摸屏、继电器、空气开关、风机等部分组成。
操作部分包括启动按钮、开/停机旋钮、复位按钮、急停按钮。
控制核心由高速32位数字信号处理器DSP、大规模可编程逻辑器件CPLD/FPGA和一体化人机界面协同运算来实现，精心设计的算法可以保证HKSVG达到最优的运行性能。提供友好的全中文监控和操作界面，同时可以实现远程监控和网络化控制。PLC控制器用于柜体内开关信号的逻辑处理，以及与现场各种操作信号和状态信号的协调，增强了系统的灵活性。控制器采用大规模集成电路和表面焊接技术，系统具有极高的可靠性。
另外，控制器与功率单元之间采用多通道光纤通讯技术，低压部分和高压部分完全可靠隔离，系统具有极高的安全性，同时具有很好的抗电磁干扰性能，并且控制器有一套独立于高压电源的供电体系，功率单元的控制电源采用一个独立于高压系统的电源，方便调试、维修，增强了系统的可靠性。在不加高压的情况下，设备各点的波形与加高压情况基本相似，给整机调试带来了很大方便。
HKSVG系列产品采用了先进的数字化标准载波移相技术，它的特点是单元输出的基波相叠加、谐波彼此相抵消。所以串联后的总输出波形失真特别小。
西门子PLC S7-200与主控板，PLC和人机界面之间串行通信以及主控之间通讯连接，实现系统的分层控制。具体连接方式如图2.6所示：
图 2.6 控制器通讯结构框图
2.6.2进线柜
进线柜由主接触器KM1、缓冲接触器KM2，隔离开关K，缓冲电阻R、电抗器L、电压互感器PT1—PT3等几个部分组成。
隔离开关K的作用是，在系统维护时，为了保证人身安全，防止触电，而加的与现场电网隔离开的安全防护器件。
HKSVG系列产品的启动方式设计为自励启动,在缓冲接触器KM2闭合后，系统电压通过缓冲电阻对功率单元的直流电容进行充电，一段时间后，母线电压达到规定值，闭合主接触器KM1。若没有母线电压或母线电压过低，则KM1接触器无法闭合。接触器KM1闭合的同时缓冲接触器KM2断开。
HKSVG系列产品的输出端并联到电网，连接方式如图2.7所示：
图2.7 HKSVG电网连接示意图
2.6.3 功率柜
功率柜的主要组件是功率单元。如图2.8所示为功率柜的外观示意图。
图2.8 2Mvar功率柜正面布置图
图2.8为 2Mvar的HKSVG功率柜外观图，由三节功率柜组成，功率柜内单元分三层安装，每相由12 个功率单元组成。
功率单元的控制器，除了采样回路、保护回路和输出驱动回路外，所有的逻辑和通讯处理均采用大规模 CPLD 芯片完成，智能化的设计使得硬件设计简单，软件设计灵活，便于以后的功能修改和升级，而且抗干扰能力强，可靠性高。
模块化的结构设计，使得产品紧凑、重量轻，且通用性强，在功率单元发生故障时，用户只需要更换模块，使故障的处理简单化，为恢复生产赢得了宝贵的时间。模块的外部接口只有2 个接线端子和 4 个光纤端子， 即使非专业人员也可以更换模块，不易发生错误，使得维护和检修简单化。
每个功率单元结构上完全一致，其电路结构如图2.9所示，通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制，可得到如图2.10所示的波形。每个功率单元可以互换，这使得调试、维修非常方便。
直流电容选用电解电容或电力电容。考虑到功率单元电容的均压问题，设计中采用电阻进行均压，而且在与电网断开后，可以给直流电容放电，避免人身伤害事故的发生。并且每个功率单元均具有完善的保护措施（包括过流、过压、过温等保护），各工作状态均送回主控系统，主控与功率单元中各单元信号连接均采用光纤。
图2.9功率单元电路结构
图2.10单元输出波形
单元由电网直接供电，每个功率单元都承受全部的输出电流、1/N的相电压、1/(3N)的输出功率。
每个单元的端子相互串接而成Y型接法，通过电抗器与电网连接在一起；通过对每个单元的PWM波形进行重组，可得到如图2.11所示的阶梯PWM波形。这种波形正弦度好，dv/dt小，谐波成分含量小，可减少对电缆的绝缘损坏，在输出侧无需增加输出滤波器。
三、柜门按钮及触摸屏详细说明
.1柜门按钮说明
控制柜门上共有四个按钮，分别为“复位”、“开机/停机”、“启动”和“急停”；四个指示灯分别为“故障”、“运行”、“停止”、“就绪”。如图 3.1所示：
图3.1 柜门按钮与指示灯
按钮和指示灯的具体功能解释如表3.1、3.2所示。
表3.1 控制柜门上的按钮功能表
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按钮名称
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实现功能
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复位
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在单元或系统故障（如系统过流，系统过压）后，可以通过柜门上的复位按钮，对其进行复位操作。
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启动
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点击柜门启动按钮，缓冲接触器KM2闭合，HKSVG进入充电状态。数秒后，缓冲接触器KM2断开，同时主接触器KM1闭合，充电过程完成。下一步可对HKSVG进行开机操作。
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开机/停机
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主接触器KM1闭合后，进入触摸屏参数查询页面，检查参数设置是否正确，参数正确后，可对HKSVG进行开/停机操作。
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急停
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可以通过控制柜门上的急停按钮，强制关机和使接触器断开。
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表3.2 柜门指示灯功能表
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指示灯名称
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功能解释
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故障
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单元过温、单元过压、单元过流、系统过流、系统过压，柜门开启等故障后，柜门故障灯亮，表明HKSVG发生故障。排除故障后，故障指示灯灭，HKSVG方能重新运行。
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停止
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HKSVG在故障或是人为旋转开/停机到停机位置，则封锁开机信号，同时停止灯亮，HKSVG停机。
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运行
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主接触器KM1闭合后且HKSVG无故障，旋转柜门上的开/停机旋钮到开机位置，开机后运行灯亮。（开/停机旋钮与KM1的合闸状态是互锁的，旋钮在开机位置不能合闸，而反之，未合闸情况下也不能开机，这样就避免了误操作）
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就绪
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在高压就绪，柜门关闭，且单元和系统均无故障的情况下，点击柜门启动按钮，主接触器闭合后，柜门上的就绪灯被点亮。
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3.2触摸屏详细说明
液晶操作面板是一块触摸屏，是HKSVG的标准配置。用户无须使用键盘，通过触摸屏面板就能对HKSVG所有的状态进行监视、参数设置等操作。
触摸屏外观如图3.2所示，对外接口如表3.3所示。
图3.2 触摸屏外形图
表3.3 触摸屏对外接口
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触摸屏接口
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功能
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串口（COM）
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RS232,RS485
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USB1
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主口，兼容USB1.1标准
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USB2
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从口，用于下载工程
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电源接口
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24V DC －20%——+20%
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接口如图3.3所示，管脚定义如表3.4所示
图3.3 触摸屏的通讯接口
表3.4 COM口的管脚定义
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接口
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PIN
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引脚定义
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COM1
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2
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RS232 RXD
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3
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RS232 TXD
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5
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GND
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COM2
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7
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RS485+
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8
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RS485-
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3.2.1触摸屏界面
触摸屏如图3.4所示及其各个按钮的功能如表3.5所示。
图3.4 系统界面
3.5 触摸屏界面中各个按钮的功能
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按钮名称
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功能解释
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参数设置
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此项可对系统所需要的参数进行设置，由于参数设置错误后，可能造成HKSVG的损坏，因此只有相关专业人员在授权的情况下才能够进入界面设置参数。（参数只能在停机的情况下设置）
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参数查询
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此项为参数设置的辅助项，可以通过此项查看参数值是否正确，只有在确保所有参数正确后方能开机。
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模拟量显示
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对线电压，负载电流，HKSVG电流，A相、B相、C相无功和各单元母线电压、总母线电压进行实时显示，以便于查阅和方便调试
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状态量显示
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接触器状态，通信状态，故障状态，运行状态进行实时显示。故障记录表对故障的时间、状态、故障内容进行记录，以方便查阅，排除故障。
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3.2.2状态量显示界面
在系统界面中点击“状态量显示”按钮进入状态量显示界面，如图3.5所示，表3.6详细介绍各部件的名称及实现功能。
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