图1 TSVG与普通SVG占地面积对比
图2 集约化的户内机型及模块
图3 TSVG户外集装箱机型
图4 后出风及顶出风的占地面积对比
图5 单排布局及三排布局方案
图6 特变电工TSVG拓扑结构图
图7 风机分组启停示意图
图8 风机智能启停函数示意图
图9 a风机运行时自垂式百页打开 b.风机停止运行时自垂式百页落下，风道关闭
图10 12Mvar升压机型效率图表
图11 并机系统图
图12 特变电工TSVG谐波补偿能力
图13 SVG谐波补偿工作原理框图
图14 新控制策略的单相等效图
图15 矢量相位差示意图
图16 三相软件锁相环的基本结构框图
公式1
——占地最小的SVG
通过提高功率密度及优化结构设计，特变电工TSVG静止无功发生器比传统SVG占地面积减小40%以上。
以35kV/10Mvar为例，传统SVG室约为100㎡，特变电工TSVG只需60㎡，可节约40㎡建筑成本。户外集装箱式SVG无需建SVG室，建设成本节约90%以上，安装工时节约90%以上。
经济效益分析
目前，特变电工SVG采用高功率密度的集约化设计，已经做到行业内的最小。以户内及户外机型对比目前行业优秀SVG产品，无论占地面积及经济效益，都得到有效的体现。
经济性能比较以10kV/6Mvar户内SVG为例，SVG室建造大约需要60mm2，采用特变电工SVG可节约12m2土地，按照每平米0.4万的建造成本，可节约4.8万元，建造成本得到有效体现。
以10kV/12Mvar户外SVG为例，SVG集装箱地面基础建设需要59m2，采用特变电工户外SVG可节约30m2土地，按照每平米0.35万的建造成本，可节约10.5万元，SVG小型化的优势得到有效体现 。
行业最小SVG是怎样产生的？
1、高功率密度的集约化设计
1）高功率密度的户内功率柜设计
模块化抽屉式双H桥功率单元与电容抽屉式单元对插接结构，使单元结构更加紧凑合理无导线连接，实现柜体结构全模块化，小型化。使得特变电工户内集约型SVG，在相同补偿容量情况下，做到行业内的最小。
2）高功率密度的户外集装箱设计
户外集装箱内功率模块串行连接，使得功率柜内最大电压差不超过10kV，降低了安规设计要求，可实现功率柜体体积缩小30%，做到行业内的最小。
2、上出风的设计结构
相比较传统SVG功率柜的后出风设计，需要占用较大的占地面积。特变电工SVG采用顶出风的产品设计，不光大大节约占地面积，而且减少了绝缘材料，节约了成本，且方便维护。
3、灵活的布局
对于35KV直挂的户内机型，需要多个功率柜体。如果采用单排放置的布局方式，往往造成SVG室与实际现场的建造面积相冲突，给现场施工带来不变。特变电工35KV户内直挂SVG，采用单排及三排放置的两种灵活的布局方式，大大方便了SVG室的建造，做到行业内的最小。
通过选择特变电工静止无功发生器，利用其最高功率密度、最小占地面积的产品特点，实现了工业现场的土地有效利用，同时缩短施工周期，节约建造成本，大大提高了客户的满意度。
——最节能的SVG
拓扑省电
节约成本=变压器容量*损耗率*利用率*电价
以10Mvar容量机型为例，变压器损耗为0.5%，年利用率为300天，则年节约成本=10M*0.5%*300*24=360000元。即选用特变电工直挂式TSVG，每年节约用电成本36万元。
散热系统省电
SVG的散热系统也是损耗较大的部分，传统的做法是当SVG并网后散热系统不论是否需要都会持续工作，这对于大部分西北地区冬季应用来说都是很大的电能浪费。我们基于多年电力电子产品开发经验，以及对IGBT温升的仔细研究，通过热仿真和温箱整机实验的方法，得到了IGBT温升和负载量以及环境温度之间的函数关系，通过这种函数关系，我们可以准确计算出在一定负荷、一定环境温度情况下所需的风量，因此实现了风机的分组智能启停功能，这样不但降低了散热系统的损耗，而且见减小了SVG的噪声，改善了电站的工作环境。
如图7所示，以35KV 30MVar 箱式直挂机型为例：12台风机分为三组，共用一个风道，由三个接触器独立控制，根据当前IGBT结温和负载量由主控决定三组风机的投切。投切函数示意图见图8。
图8为风机启停函数示意图，图中横坐标为链节IGBT平均温度，纵坐标为当前SVG的负载量，每组风机对应两条曲线，分别代表风机的启动和停止。以A组风机为例，当前运行工况下由IGBT平均温度和SVG负载量两个坐标可以唯一确定一个位于坐标平面的点，当此点位于A组风机“ON”曲线以上时，风机启动，风机启动后只有当坐标点位于“OFF”曲线以下时，A组风机才停止运行，“ON”曲线和“OFF”曲线之间的部分作为控制滞环，避免小的扰动使风机频繁启停。从坐标平面可以看出，风机启动的优先级为A组>B组>C组，停止优先级相反。
为了避免一组风机无法运行时影响整机的散热效果，系统可以自动启动后续组风机来实现，例如：如果A相风机过热或者接触器无法吸合，系统将自动启动B组风机来接替A组工作。
三组风机的启停曲线可以根据环境温度自动修正，当环境温度较高时，曲线整体向左下方向移动，当环境温度较低时，曲线整体向右上方向移动。
TSVG能够实现风机分组启停的一个结构上的关键点是出风口采用了自垂式百页，这种百页在风机运行时自动抬起，保证良好的出风性能；风机停止时，百页自动下垂，有效的使风道封闭，这在做风机分组启停时，未启动的风机组出风口自动关闭，保证了整机风道的完整性，防止风道短路的发生，保证了链节的可靠散热。
并机系统省电
TSVG内置了每种机型负载量和损耗之间的关系，应用在并机系统中，TSVG可以根据目前并机系统所需的负荷量，选取损耗最小的方式确定并机台数，进行负荷分配，达到性能和损耗的最佳平衡点。
图10为12Mvar升压机型效率图表，列出了电抗器、IGBT等的损耗数据。在组成并机系统时，主机会综合SVG主体、连接变压器或电抗器、散热系统的综合损耗数据，根据当前控制模式下的负荷需求，智能决定并机台数及分配负荷，达到效率与性能的最优。
以上图9台12MVar TSVG并机系统为例，主机运行在恒电压模式，动态控制PCC点电压，从机作为无功源接收主机的调度，某种工况下，假如主机计算出需要12MVar无功来保证PCC点母线的稳定，则根据并机能耗曲线计算，2台SVG各发6MVar无功即可满足要求，这时主机会根据优先级控制两台SVG脱网以减小损耗，留下两台SVG继续挂网运行来满足无功需求。
——最先进的SVG
精确的谐波补偿及谐振抑制能力
谐波补偿：TSVG不仅能根据需要提供基波无功电流，实现无功补偿，改善电网功率因数。还可以主动消除电力谐波，从而实现对电力谐波的动态快速彻底治理。我司采用全数字化控制，实时精确补偿系统中的谐波和无功电流；可实现同时补偿谐波与无功；可同时滤除2~25次谐波，也可滤除指定次谐波；动态响应时间小于30ms。
如图13所示，SVG设备通过外部电流互感器，实时检测负载或电网电流，通过内部FPGA计算，提取出负载电流的谐波成分，经过谐波补偿算法控制和PWM调制，产生一个和负载谐波电流大小相等，方向相反的谐波电流注入到电网中，达到滤波目的。除滤除谐波外，有源滤波器可以对负载的无功进行补偿，最终使电网测谐波及功率因数满足要求。
特变电工无功补偿装置，通过外部CT测量负载电流或电网电流送到信号板进行处理，采用高性能FPGA的谐波检测算法，快速、准确完成负荷谐波电流的计算。通过对旋转坐标系下的基波电流和谐波电流独立控制，形成谐波电流补偿的闭环控制回路，并产生PWM驱动信号到功率器件实现调制，可对指定次谐波进行有针对性的补偿，将所需的补偿电流输出到电网，完成谐波滤除的功能，实现了25次及以下谐波补偿能力。
通过投运特变电工静止无功发生器，利用其谐波补偿技术，有效改善了大型荒漠光伏电站的电能质量，提高了光伏电站和输电网络的系统稳定性.
谐振抑制：光伏电站背景谐波电压与输电线路参数匹配时会产生串联谐振造成严重的谐波电压放大；当光伏电站谐波电流与电网输电线路参数匹配时，会产生并联谐振，造成谐波电流放大。
光伏电站配网基波域数学模型为对称二端口网络，该模型为谐振模型的研究基础。
200-300km的输电线路易于对3次谐波电压产生谐振，谐振点处约有5倍的放大。100-200km输电线易于对5、7次产生谐振，在谐振点处有接近10倍的放大，对其它次数的谐波电压无放大。100km内的输电线路对11、13以及更高次的谐波电压可能产生谐振，放大系数可能超过20。由于背景谐波电压多为3、5、7次等低次，需要关注100km以上输电线路的影响，谐振将导致输电线路谐波电压过高，甚至影响光伏电站的运行。
由于光伏电站输出谐波电流的特殊性，5、7、19、23等次谐波电流均为光伏电站输出电流中含量较多的次数，需要关注100km以内输电线路的影响。
SVG作为一个并联的无功补偿以及谐波补偿装置，检测负载端电流作为参考指令，可以有效的补偿非线性负载谐波的电流，由于谐振的影响，PCC点上就会出现一个很大的谐振次频率的电压，从而使得线路电流更加恶化。由于谐振产生的那部分电流是这种检测方式下无法消除的，因此在有谐振的时候，经过SVG补偿后，PCC 点电压和线路电流在谐振频率处不能满足电能质量IEEE-519 标准。
为了减小谐振带来的影响，需要阻尼谐振，可以直接并联上一个线性负载（电阻），那么谐振时的等效电阻就可以根据并联的电阻大小来控制，这种方法可以有效的减小了PCC点上谐振频率次的电压，但是这个电阻会消耗大量有功功率，在实际应用中不可取。
TSVG采用的控制策略同时检测负载电流和公共接入点(PCC)电压中的谐波分量，用电网测的谐波电压来控制指令电流。那么，就相当于在电网侧并联了一个可调电阻。此电阻对基波电流表现为阻抗无穷大，对检测的谐波电流表现为一定的电阻，改变电压检测通道的检测系数就相当于改变电阻的阻值。其等效电路如图14所示。
TSVG的谐振抑制功能，有效改善了大型荒漠光伏电站的电能质量，提高了光伏电站和输电网络的系统稳定性。
强大的频率超限运行能力
微网系统或弱电网系统在一般情况下频率波动范围±2.5Hz，最大频率波动范围达到±5Hz，常规SVG无法正常投运，TSVG基于改进的锁相技术，支持最大频率波动范围±10Hz，可以完全满足微电网及弱电网系统的应用。
锁相环实质上是一个反馈控制系统，与普通的反馈控制系统不同之处在于其输入信号为相位信号。
如图15所示，当电网电压幅值，即电压合成矢量 的幅值不变时， 的q轴分量ugq反映了d轴与电网电压 的相位关系。ugq>0时，d轴滞后 ，应增大同步信号频率；ugq <0时，d轴超前 ，应减小同步信号频率；ugq=0时，d轴与 同相。因此，可通过控制使ugq= 0来实现两者之间的同相。
图16为三相软件锁相环的基本结构框图，图中虚线框内的坐标变换为鉴相器，Cpll为环路滤波器，积分环节1/s为压控振荡器，ωgrid为压控振荡器的固有频率，其值为100π(电网额定频率)。
电网电压不平衡会使ugq含有2倍频(100Hz)分量，直流分量会使ugq含有基波(50Hz)分量。实际应用中，一般保证与电网电压的基波正序分量同相。因此，设计锁相环控制器时必须在跟踪速度和抗干扰能力两方面权衡考虑，在满足跟踪速度的要求下，尽量减小锁相环带宽，以减小上述不利因素对系统的影响。
TSVG基于改进的锁相控制策略，可以做到频率变化时的相位快速锁定。支持最大频率波动范围±10Hz，完全满足微电网及弱电网系统的应用。
可靠的故障穿越功能（FRT）
电站发生高低压故障时，特别是不对称故障时，往往造成SVG过压、过流，不能实现故障穿越，TSVG通过以下方式有效提高电站对称及不对称故障情况下高低电压穿越的能力。
光伏及风电场对低压穿越功能的要求
A．光伏电站要求:
参考标准
GB/T 19964-2012 光伏发电站接入电力系统技术规定
GB/T 29321-2012 光伏发电站无功补偿技术规范
基本要求
光伏发电站并网点电压跌至0时，光伏发电站应能不脱网连续运行0.15 s;
光伏发电站并网点电压跌至曲线1以下时，光伏发电站可以从电网切出
故障类型及考核电压
动态无功支撑能力
a)自并网点电压跌落的时刻起，动态无功电流的响应时间不大于30 ms
b)自动态无功电流响应起直到电压恢复至0.9 pu期间，光伏发电站注人电力系统的动态无功电流IT应实时跟踪并网点电压变化，并应满足图17.
B．风电场要求
参考标准
GB/T 19963-2011风电场接入电力系统技术规定
动态无功支撑能力：
当风电场并网点电压处于标称电压的20％～90％区间内时，风电场应能够通过注入无功电；
流支撑电压恢复；自并网点电压跌落出现的时刻起，动态无功电流控制的响应时间不大于75ms，持续时间应不少于550ms。
风电场注入电力系统的动态无功电流IT≥1.5×（0.9-UT）IN，（0.2≤UT≤0.9）
低电压穿越检测
我司采用直接电压前馈控制策略，实时检测电网变化，并迅速跟踪，保证高低电压故障时的快速响应，抑制SVG过流；采用零序电压注入方式，实现电流在三相间的再分配，解决在电压不平衡时SVG的过压、过流问题；针对跌落深度较大场合，采用角接TSVG分相控制策略，应对不平衡度较大时带来的SVG过压、过流问题。自如应对电网电压任意跌落深度，迅速提供100%无功电流支撑。
低电压穿越时的控制策略
电网不平衡跌落时，电网的负序电压会在SVG输出侧产生负序电流，严重时导致SVG过流关机，为了维持SVG的正常工作，需要增加负序电流控制环，负序电流给定为0，使SVG发出平衡的电流。
TSVG凭借准确快速的低压穿越检测以及稳定的穿越控制，在电网发生跌落式，满功率支撑电网电压，提高电网可靠性。
优异的三项不平衡补偿能力
电网公共连接点35kV母线的电压不平衡度≤1.3%，满足中华人民共和国国家标准《GB/T 15543 2008 电能质量 三相电压允许不平衡度》的要求。
针对由三相负载不平衡引起的公共连接点三相电压不平衡情况，特变电工TSVG采用正负序双环电压补偿策略，正序控制环节控制公共连接点电压和直流侧电压为给定值，负序电压控制环节改善公共连接点电压不平衡度，改善公共连接点电能质量。
电网电压负序分量检测是不平衡控制策略的重要环节，TSVG采用二次谐波滤除法来检测电网电压中的负序分量，实现了正、负分量的独立控制。
针对电网电压不平衡，TSVG采用DDSRF-SPLL锁相算法。可准确检测正序电压相位以及电网中正、负序分量的幅值。
特变电工TSVG补偿电网不平衡的方式如下：
针对由三相负载不平衡引起的公共连接点三相电压不平衡情况，TSVG采用正负序双环电压补偿策略，正序控制环节控制公共连接点电压和直流侧电压为给定值，负序电压控制环节改善公共连接点电压不平衡度，改善公共连接点电能质量；
电网电压负序分量检测是不平衡控制策略的重要环节，TSVG采用二次谐波滤除法来检测电网电压中的负序分量，实现了正、负分量的独立控制；
针对电网电压不平衡，TSVG采用DDSRF-SPLL锁相算法。可准确检测正序电压相位以及电网中正、负序分量的幅值；
电网电压相位突变以及电网电压频率突变时，锁相环节准确度丝毫不受影响，表现出良好的相位、频率适应性。并且当电网电压含有一定谐波时，锁相环节能对谐波起到很好的抑制作用。
综上，传承特变电工70年电力行业研发经验，特变电工无功补偿设备TSVG以其精确的谐波补偿及写真抑制能力、强大频率超限运行能力、可靠的故障穿越能力以及优异的三项不平衡补偿能力使其成为行业内最先进的SVG。
