采用機械開關的鏈式statcom鏈節單元旁路結構的制作方法

專利名稱：采用機械開關的鏈式statcom鏈節單元旁路結構的制作方法
技術領域：
本發明屬于電力系統動態無功補償技術領域，具體涉及一種采用機械開關的鏈式 STATC0M鏈節單元旁路結構。
背景技術：
輸電系統用STATC0M-靜止同步補償器(Static Synchronous Compensator)，是一 種新型靜止無功動態補償裝置，由并聯接入系統的電壓源換流器構成，其輸出的容性或感 性無功電流連續、可調且獨立于與系統連接點的電壓。目前，STATC0M的主電路主要包含三 種結構，即多重化結構、多電平結構和鏈式結構。多重化結構以三相大功率電壓源換流器為核心，電容器上的直流電壓通過逆變產 生相位相差若干度的方波電壓，經過多重化變壓器的電磁耦合作用，在輸出端產生三相階 梯波電壓，以減小輸出諧波。存在的缺點是(1)三相共用一個直流電壓支撐，無法進行分 相控制；( 采用可關斷器件串并聯提高電壓和容量，產生均壓和均流問題；C3)多重化變 壓器損耗大、占地面積大。多電平結構是采用箝位二極管或箝位電容構成的多電平結構，可以在減少串聯的 同時增大容量，并優化諧波特性。包括二極管箝位多電平結構、飛跨電容多電平結構、基本 全橋級聯多電平結構等。這種結構也有一定的缺點(1)難以實現電容電壓平衡控制；(2) 開關頻率增高，開關損耗增加，效率降低；(3)需要多個獨立的直流電源。鏈式STATC0M的主電路是一種新型的拓撲結構，其主電路的核心部分是鏈式(H橋 串聯)結構的電壓源換流器，每一相都是一個獨立的鏈，由N個結構完全相同的基本單元串 聯而成，每個基本單元是一個可輸出三電平的單相橋式電壓源換流器，N個基本單元串聯可 得到2N+1級的階梯電壓波形。隨著H橋數量的增加，輸出電壓的畸變率也明顯改善；且隨 著H橋數量的增加，裝置的容量也相應的增加。鏈式STATC0M裝置三相換流鏈是由多個相同結構的鏈節單元串聯而成，為了提高 STATC0M裝置的可靠性，減少裝置頻繁投切，根據國網公司企業標準Q/GDWM1-2008規定， 鏈式STATC0M應至少設置一個冗余鏈節。在少于等于冗余個數鏈節故障時，故障鏈節應被 自動旁路，裝置在故障鏈節旁路后繼續運行；當超過冗余個數鏈節故障時，裝置應退出運 行。因此，每個鏈節單元都要設計簡單、經濟、可靠的旁路電路，為整個鏈節單元提供保護， 同時實現冗余功能。旁路電路用于實現對整個鏈節的保護，基本方式是反并聯晶閘管結構。當裝置補 償無功輸出時，鏈節單元H橋開關過程中產生的高頻率、高dv/dt的脈沖電壓極易導致晶閘 管的誤導通，采用通常的RC吸收電路也無法解決問題。旁路電路也可以采用二極管整流接單晶閘管旁路的方式。晶閘管配有阻容緩沖吸 收回路，防止過大的dv/dt及過高的反向恢復電壓對器件的損壞。旁路電路直流側與電壓 源換流器直流側通過IOkQ級的隔離電阻連接，固定電位、抑制局放的同時防止對晶閘管 的干擾。鏈式STATC0M裝置輸出電壓高、電流大，根據目前晶間管的制造水平，很難找到滿足電氣參數要求的方形封裝的晶閘管模塊；若選取圓餅狀封裝的晶閘管模塊，需要額外增 加散熱、安裝固定件等輔助設備，造成體積龐大，不便于安裝，也不利于模塊的緊湊化設計； 而且晶間管是不可控器件，一旦導通不能控制其關斷，在過零點自然關斷，不能維持導通狀 態。旁路電路還可以采用兩只反向串聯的IGBT器件組成的旁路結構。當鏈節單元 內部發生故障時，封鎖H橋電路，同時開通旁路IGBT，在此過程中會出現沖擊電流和電壓， IGBT器件承受沖擊的能力比較弱，很容易因承受沖擊電流和電壓而損壞，且控制電源也不 容易獲取。

發明內容
本發明采用一種新型的旁路結構-由機械開關構成的旁路電路，與其它旁路結構 相比，該電路具有明顯的優勢電路結構簡單，安裝操作方便，選用元件少。本發明提出的一 種采用機械開關的鏈式靜止同步補償器STATC0M鏈節單元旁路結構，其特征在于，靜止同 步補償器STATC0M主電路采用H橋級聯的鏈式結構，并由機械開關構成鏈節單元旁路結構， 其中鏈式STATC0M裝置三相換流鏈是由多個相同結構的鏈節單元串聯而成，包含鏈式 電壓源換流器、連接電抗器、主控制器、避雷器、電流傳感元件和冷卻系統；所述電壓源換流器，由可關斷器件實現換相，直流側儲能元件為采用電容器的換 流器；所述連接電抗器的作用是濾出換流鏈產生的高次諧波電流，實現鏈式STATC0M與 系統之間的能量交換；所述控制器用來控制鏈式STATC0M裝置的運行和操作；所述避雷器與換流鏈兩端并聯使用，用于實現換流鏈的過電壓保護；所述電流傳感元件串聯于換流鏈，用于電流檢測；所述冷卻系統用于實現換流鏈的冷卻；所述機械開關設計為交流、戶內、單相操作的結構，主要包括進出線端(導電體)、 真空開關管、絕緣支撐、絕緣拉桿、磁力操作機構以及控制器等，根據裝置的控制策略，機械 開關是在裝置閉鎖無輸出電流的條件下進行分合閘操作的，因此，機械開關不需要滅弧能 力，真空開關管可以不需要專門的滅弧室，大大減小了機械開關的體積，便于鏈式STATC0M 裝置實現緊湊化；其中，所述機械開關采用直動式垂直布置，從而減少機械傳遞環節以提高開關的 合閘速度，在鏈節單元發生故障時，機械開關能夠快速閉合，減少裝置因鏈節故障而閉鎖時 間，從而降低對系統的影響；其中，所述機械開關為自動分合閘，并且配置有手動分閘操作，采用磁力操作機 構，電磁操動，永磁保持，無機械保持及脫扣裝置，具體操作方法為控制電源先通過電源模 塊給電容器充電，使其儲存足夠的能量；當需要進行機械開關操作時，控制器發出脈沖觸發 開關器件，開關器件開通構成回路，電容器就向磁力操作機構的電磁線圈放電，線圈帶電后 驅動真空管進行分、合閘操作；其中，由機械開關構成的鏈節單元主要包括直流電容、H橋電路、放電電路和旁路電路；所述直流電容起到電壓支撐作用，并作為取能電源的輸入電源；所述H橋電路是鏈節單元的核心電路，根據控制器指令輸出補償電壓；所述放電電路主要用于為直流母線電容提供過壓保護，緊急和正常退出時直流電 容放電；電路主要由放電IGBT(Qd)與放電電阻Rd串聯構成，當直流母線電壓超過整定的閾 值之后，放電IGBT導通，通過放電電阻給直流母線電容放電；所述旁路電路為整個鏈節提供保護，當鏈節單元正常運行時，H橋電路投入工作， 旁路電路退出運行；當鏈節單元內部發生特定故障時，信號上報給主控制器，主控制器經過 判斷發出命令，封鎖H橋電路，同時旁路電路開通，輸出電流轉移至旁路部分，實現故障鏈 節退出功能。本發明的有益效果是避免裝置頻繁退出；旁路電路結構簡單，安裝操作方便；開關無滅弧裝置，體積小；開關合閘速度快，減少對系統影響；
電路元件少，便于裝置實現緊湊化。


下面結合附圖對本發明進行進一步說明。圖1是鏈式結構STATC0M和輸出波形圖。圖2是三相換流鏈和單個鏈節示意圖。圖3是反并聯晶閘管旁路電路圖。圖4是整流橋接晶閘管旁路電路圖。圖5是反向串聯IGBT旁路電路圖。圖6是機械開關旁路電路圖。圖7是鏈節單元內部主電路圖。圖8是機械開關結構示意圖。圖9是旁路結構控制流程圖。
具體實施例方式鏈式STATC0M的結構和輸出波形如圖1所示，它是由H橋串聯組成的鏈式結構的 STATC0M裝置，該裝置除了具有多電平變流器的一般特點外，還具有如下特點(1)無需鉗位二極管或鉗位電容，對于相同電平數，所需器件最少，易于封裝；(2)容易實現非常高的交流輸出電壓，從根本上省去了多重化變壓器，在大型 FACTS設備中具有較好的應用前景；(3)基于低壓小容量換流器級聯的組成方式，技術成熟，避免了器件的串聯，易于 模塊化，易于實現緊湊化結構設計。換流鏈的輸出電壓是N個H橋的輸出電壓的和Vs = vkl+vk2+-+vkN
式中N為每一相的級聯H橋的數量。鏈式STATC0M并聯接于電力系統中，通過對系統電壓和電流量的采集和檢測，計 算出目標補償量，然后通過控制換流鏈輸出電壓的幅值和相角來輸出相應的無功。三相換流鏈和單個鏈節示意圖如圖2所示，換流鏈由三相角接的級聯H橋電壓源 換流器組成，裝置通過連接電抗器并聯接入系統中，通過控制裝置輸出電壓的幅值和相角 來實現鏈式STATC0M與系統之間有功功率和無功功率的交換。為了提高鏈式STATC0M裝置 的可靠性，減小鏈節單元故障對系統的影響，每個鏈節單元都要設置簡單、可靠、經濟的旁 路電路，為整個鏈節單元提供保護。旁路電路要求操作具有快速性，通流能力要求較高，一般要選擇基于電力電子器 件的旁路手段。最簡單的方式為反并聯晶閘管結構，如圖3所示，此結構中晶閘管容易誤通 及損壞；也可以采用兩只IGBT反向串聯的方式，如圖5所示，此方式中要選擇高壓、大容量 的IGBT器件，成本較高；還可以采用經二極管整流接晶閘管方式，如圖4所示，晶閘管配有 阻容緩沖吸收回路，防止過大的dv/dt及過高的反向恢復電壓對器件的損壞。旁路電路直 流側與電壓源換流器直流側通過IOkQ級的隔離電阻連接，固定電位、抑制局放的同時防 止對晶間管的干擾。鏈式STATC0M裝置輸出電壓高、電流大，根據目前晶間管的制造水平， 很難找到滿足電氣參數要求的方形封裝的晶閘管模塊；若選取圓餅狀封裝的晶閘管模塊， 需要額外增加散熱、安裝固定件等輔助設備，造成體積龐大，不便于安裝，也不利于模塊的 緊湊化設計；而且晶間管是不可控器件，一旦導通不能控制其關斷，在過零點自然關斷，不 能維持導通狀態。綜上所述，本發明中采用由機械開關構成的旁路電路，如圖6所示，與以上幾種旁 路方式相比，該電路結構簡單，選用元件少，成本較低。目前，可選用的機械開關主要有隔離 開關、負荷開關、斷路器等。隔離開關主要用來隔離電源，形成明顯斷開點，保證檢修安全， 沒有專門的滅弧裝置，只能通斷很小的電流，一般手動操作；負荷開關是一種功能介于隔離 開關和斷路器之間的電器，具有簡單的滅弧裝置，能通斷一定的負荷電流和過負荷電流，但 體積較大；斷路器具有專門的滅弧裝置，能通斷負載電流和短路電流，具有電磁操作機構， 能夠自動控制分合間，但動作時間較長，體積也較大，不利于鏈節單元的緊湊化設計。因此， 需要設計一種結構簡單、安裝方便、體積小、單相操作的機械開關作為鏈節單元的旁路電 路。機械開關設計為交流、戶內、單相操作的結構，其結構示意圖如圖8所示，主要由 進線端(采用導電體)1、出線端(采用導電體)2、真空開關管3、絕緣支撐4、絕緣拉桿5、磁 力操作機構6以及控制回路7等組成。進、出線端1、2和真空開關管3構成開關的主回路 部分，磁力操作機構6和控制回路7作為該機械開關的控制回路及輔助回路，控制線圈的充 放電，從而控制機械開關的分合間操作。根據裝置的控制策略，機械開關是在裝置閉鎖無輸 出電流的條件下進行分合閘操作的，因此，機械開關不需要滅弧能力，真空開關管可以不需 要專門的滅弧室，大大減小了機械開關的體積，便于鏈式STATC0M裝置實現緊湊化。機械開關采用直動式垂直布置，可以最大限度的減少機械傳遞環節以提高開關的 合閘速度。在鏈節單元發生故障時，機械開關能夠快速閉合，減少裝置因鏈節故障而閉鎖時 間，從而降低對系統的影響。機械開關為自動分合閘，并且配置有手動分閘操作，采用磁力操作機構，電磁操動，永磁保持，無機械保持及脫扣裝置，具體操作方法為控制電源先通過電源模塊給電容 器充電，使其儲存足夠的能量；當需要進行機械開關操作時，主控制器向每個鏈節單元的 單元控制器發出合間信號，單元控制器再向該鏈節單元中旁路電路的控制回路發出合閘信 號，控制回路的開關合間接點閉合，合間回路導通，電容器就向磁力操作機構的電磁線圈放 電，線圈帶電后驅動真空管進行合閘操作；磁力操作機構由永磁體8、動鐵心9和合閘線圈10構成，正常工作時磁力操作機構 的工作位置為分閘位置。合閘時，合閘線圈通過電流，產生的磁場增加了下面磁路的磁場強 度，通過下面氣隙的磁力線增多，對動鐵心下端產生的吸力增加，通過主軸、拉桿作用在真 空開關管觸頭上，使真空開關管觸頭由分閘位置變為合閘位置。當動鐵心到達最終位置時， 通過控制回路使得合間線圈不再有電流通過。控制回路采用本領域技術人員所公知的現有 技術。由機械開關構成的旁路電路鏈節內部主電路如圖7所示，主要包括直流電容、H橋 電路、放電電路、旁路電路、取能電源、驅動電路以及單元控制器。H橋電路、直流電容、放電 電路及取能電源相互并聯，H橋電路包括兩個相互并聯的橋臂，兩個橋臂的中點作為本鏈節 單元的交流輸出端，交流輸出端之間并聯有一旁路電路，取能電源將所得到的控制電源提 供給單元控制器和驅動電路，單元控制器分別對H橋電路、直流電容、放電電路、旁路電路 和取能電源進行控制，驅動電路對H橋電路中的IGBT器件和放電電路中的IGBT器件進行 驅動。所述H橋電路包括兩個相并聯的橋臂，每個橋臂由上、下兩個電力電子元件串聯構 成，每個電力電子元件由大功率IGBT器件及二極管按反電流流向并聯而成，兩個橋臂的上 端與直流電容C的正極相連，兩個橋臂下端與直流電容C的負極相連，兩個橋臂的中點作為 本鏈節的交流輸出端，交流輸出端之間并聯一旁路電路后再與相鄰鏈節單元的交流端首尾 連接，圖中U為相鄰鏈節單元左橋臂的輸出端，V為相鄰鏈節單元右橋臂的輸出端；放電電 路包括IGBT器件Qd、放電電阻Rd、二極管以及兩個電阻Rl和R2，IGBT器件與放電電阻相 串聯后與兩個相互串聯的電阻進行并聯，二極管并聯在放電電阻的兩端。所述單元控制器 采用單片機。直流電容起到電壓支撐作用，并作為取能電源的輸入電源。H橋電路是鏈節單元的核心電路，根據控制器指令輸出補償電壓。放電電路主要用于為直流母線電容提供過壓保護，緊急和正常退出時直流電容放 電；電路主要由放電IGBT(Qd)與放電電阻Rd串聯構成，當直流母線電壓超過整定的閾值之 后，放電IGBT導通，通過放電電阻給直流母線電容放電；該鏈節內還安裝有箝位電阻Rl和 R2，可在放電電路退出工作時作為輔助放電電阻實現對直流電容的充分放電。單元控制器負責接受并執行主控制器下發的命令，把功率模塊內部的狀態上傳給 主控制器，對功率模塊進行控制、監測和保護。驅動電路用于驅動觸發IGBT器件，電路處于較高的變化電場環境下，對信號的抗 干擾能力有較高要求。信號通過光纖與接口板連接，光纖連接方式可以保證接口板和驅動 電路之間的電氣隔離，可以解決信號傳導過程中的干擾問題。旁路電路為整個鏈節提供保護，當鏈節單元正常運行時，H橋電路投入工作，旁路 電路退出運行；當鏈節單元內部發生特定故障時，信號上報給主控制器，主控制器經過判斷 發出命令，封鎖H橋電路，同時旁路電路開通，輸出電流轉移至旁路部分，實現故障鏈節退出功能。鏈節單元在正常工作時，旁路電路退出運行，機械開關處于備用狀態；當鏈節單元 內部發生特定故障，且通過旁路冗余方式可以僅退出故障鏈節，裝置仍然可以正常工作的 情況下才考慮旁路故障鏈節，切換到旁路電路。切換的條件包括直流電壓過高、直流欠壓、 放電電阻過熱、放電IGBT開通故障、放電IGBT關斷故障、H橋IGBT溫度過高、2路直流取能 電源故障、放電IGBT開通次數超限等。其旁路結構控制流程如圖9所示。具體控制方式為1)單元控制器檢測到裝置鏈節單元內部發生故障時，封鎖故障鏈節H橋單元所有 IGBT觸發脈沖，并將鏈節單位故障類型上報給主控制器；2)主控制器接收到上報的故障信號以后，下發控制命令，封鎖三相所有鏈節單元 IGBT觸發脈沖；3)主控制器進行判斷，看各相旁路鏈節數是否小于冗余鏈節數；4)如果不滿足要求，分主斷路器，鏈節單元進行放電，裝置退出運行；5)如果滿足要求，閉合故障鏈節機械開關，開通旁路電路，讀取機械開關位置信 號，并啟動錄波；6)旁路成功后，調整控制指令，解鎖三相所有鏈節觸發脈沖，重新下發PWM信號， 啟動換流鏈，裝置重新投入運行，完成旁路切換操作。由于機械開關帶有永磁保持，一旦旁路成功，即使控制電源掉電，機械開關也不會 出現斷開的情況。在某些情況下，雖然是鏈節單元故障，但整套STATC0M裝置要退出運行，這些故障 包括1) 3路直流取能電源全部故障；2) H橋IGBT短路故障；3) H橋IGBT驅動電源欠壓故障；4)鏈節通訊故障；5)旁路失敗；6)旁路狀態下直流電壓有上升趨勢；7)單元控制器重啟次數超限。主要考慮到這幾種故障有可能造成IGBT損壞，或者鏈節單元已經完全失去監控， 或者無法進入旁路狀態，因而有必要在查明原因的情況下STATC0M裝置再投入使用。
權利要求
1.一種采用機械開關的鏈式靜止同步補償器STATC0M鏈節單元旁路結構，其特征在 于，靜止同步補償器STATC0M主電路采用H橋級聯的鏈式結構，并由機械開關構成鏈節單元 旁路結構，其中鏈式STATC0M裝置包含換流鏈、連接電抗器、主控制器、避雷器、電流傳感元件和冷卻 系統，其中，鏈式STATC0M裝置換流鏈是由多個相同結構的鏈節單元串聯而成；所述鏈節單元，由可關斷器件實現換相，直流側儲能元件為采用電容器的換流器； 所述連接電抗器的作用是濾出換流鏈產生的高次諧波電流，實現鏈式STATC0M與系統 之間的能量交換；所述控制器用來控制鏈式STATC0M裝置的運行和操作； 所述避雷器與換流鏈兩端并聯使用，用于實現換流鏈的過電壓保護； 所述電流傳感元件串聯于換流鏈，用于電流檢測； 所述冷卻系統用于實現換流鏈的冷卻；所述機械開關設計為交流、戶內、單相操作的結構，主要包括進出線端(導電體)、真空 開關管、絕緣支撐、絕緣拉桿、磁力操作機構以及控制回路等，根據裝置的控制策略，機械開 關是在裝置閉鎖無輸出電流的條件下進行分合閘操作的，因此，機械開關不需要滅弧能力， 真空開關管可以不需要專門的滅弧室，大大減小了機械開關的體積，便于鏈式STATC0M裝 置實現緊湊化。
2.如權利要求1所述的結構，其特征在于所述機械開關采用直動式垂直布置，從而減少機械傳遞環節以提高開關的合間速度， 在鏈節單元發生故障時，機械開關能夠快速閉合，減少裝置因鏈節故障而閉鎖時間，從而降 低對系統的影響。
3.如權利要求2所述的結構，其特征在于所述機械開關為自動分合閘，并且配置有手動分閘操作，采用磁力操作機構，電磁操 動，永磁保持，無機械保持及脫扣裝置，具體操作方法為控制電源先通過電源模塊給電容 器充電，使其儲存足夠的能量；當需要進行機械開關操作時，控制器發出合閘信號，控制回 路的開關合閘接點閉合，合閘回路導通，電容器就向磁力操作機構的電磁線圈放電，線圈帶 電后驅動真空管進行合閘操作；所述磁力操作機構由永磁體、動鐵心和合閘線圈構成，正常工作時磁力操作機構的工 作位置為分閘位置。合閘時，合閘線圈通過電流，產生的磁場增加了下面磁路的磁場強度， 通過下面氣隙的磁力線增多，對動鐵心下端產生的吸力增加，通過主軸、拉桿作用在真空 開關管觸頭上，使真空開關管觸頭由分間位置變為合間位置。當動鐵心到達最終位置時，通 過控制回路使得合閘線圈不再有電流通過。
4.如權利要求1所述的結構，其特征在于由機械開關構成的鏈節單元主要包括直流電容、H橋電路、放電電路、旁路電路、取能 電源、驅動電路和單元控制器；所述直流電容起到電壓支撐作用，并作為取能電源的輸入電源； 所述H橋電路是鏈節單元的核心電路，根據控制器指令輸出補償電壓； 所述放電電路主要用于為直流母線電容提供過壓保護，緊急和正常退出時直流電容放 電；電路主要由放電IGBT(Qd)與放電電阻Rd串聯構成，當直流母線電壓超過整定的閾值之后，放電IGBT導通，通過放電電阻給直流母線電容放電；所述旁路電路為整個鏈節提供保護，當鏈節單元正常運行時，H橋電路投入工作，旁路 電路退出運行；當鏈節單元內部發生特定故障時，信號上報給主控制器，主控制器經過判斷 發出命令，封鎖H橋電路，同時旁路電路開通，輸出電流轉移至旁路部分，實現故障鏈節退 出功能。
全文摘要
本發明提供了一種采用機械開關的鏈式STATCOM鏈節單元旁路結構，其特征在于，選用特殊設計的機械開關代替電力電子器件作為鏈節單元的旁路電路，該電路結構簡單，選用元件數量少，安裝操作方便，為整個鏈節單元提供了可靠的保護，實現了鏈節的冗余功能，避免鏈式STATCOM裝置因鏈節故障而頻繁退出；解決了大容量開關器件的選型困難以及開關器件的控制電源不容易獲得等問題。
文檔編號H02H9/04GK102064555SQ20101062423
公開日2011年5月18日 申請日期2010年12月31日 優先權日2010年12月31日
發明者葉衛華, 楊武帝, 滕樂天, 熊超英, 王柯, 王軒, 蔣曉春, 袁蒙, 趙瑞斌, 鄧占鋒, 韓天緒 申請人:上海市電力公司, 中國電力科學研究院, 中電普瑞科技有限公司