CN102064555A - 采用机械开关的链式statcom链节单元旁路结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种采用机械开关的链式STATCOM链节单元旁路结构，其特征在于，选用特殊设计的机械开关代替电力电子器件作为链节单元的旁路电路，该电路结构简单，选用元件数量少，安装操作方便，为整个链节单元提供了可靠的保护，实现了链节的冗余功能，避免链式STATCOM装置因链节故障而频繁退出；解决了大容量开关器件的选型困难以及开关器件的控制电源不容易获得等问题。

Description

采用机械开关的链式STATCOM链节单元旁路结构

技术领域

本发明属于电力***动态无功补偿技术领域，具体涉及一种采用机械开关的链式STATCOM链节单元旁路结构。

背景技术

输电***用STATCOM-静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator)，是一种新型静止无功动态补偿装置，由并联接入***的电压源换流器构成，其输出的容性或感性无功电流连续、可调且独立于与***连接点的电压。目前，STATCOM的主电路主要包含三种结构，即多重化结构、多电平结构和链式结构。

多重化结构以三相大功率电压源换流器为核心，电容器上的直流电压通过逆变产生相位相差若干度的方波电压，经过多重化变压器的电磁耦合作用，在输出端产生三相阶梯波电压，以减小输出谐波。存在的缺点是：(1)三相共用一个直流电压支撑，无法进行分相控制；(2)采用可关断器件串并联提高电压和容量，产生均压和均流问题；(3)多重化变压器损耗大、占地面积大。

多电平结构是采用箝位二极管或箝位电容构成的多电平结构，可以在减少串联的同时增大容量，并优化谐波特性。包括二极管箝位多电平结构、飞跨电容多电平结构、基本全桥级联多电平结构等。这种结构也有一定的缺点：(1)难以实现电容电压平衡控制；(2)开关频率增高，开关损耗增加，效率降低；(3)需要多个独立的直流电源。

链式STATCOM的主电路是一种新型的拓扑结构，其主电路的核心部分是链式(H桥串联)结构的电压源换流器，每一相都是一个独立的链，由N个结构完全相同的基本单元串联而成，每个基本单元是一个可输出三电平的单相桥式电压源换流器，N个基本单元串联可得到2N+1级的阶梯电压波形。随着H桥数量的增加，输出电压的畸变率也明显改善；且随着H桥数量的增加，装置的容量也相应的增加。

链式STATCOM装置三相换流链是由多个相同结构的链节单元串联而成，为了提高STATCOM装置的可靠性，减少装置频繁投切，根据国网公司企业标准Q/GDW241-2008规定，链式STATCOM应至少设置一个冗余链节。在少于等于冗余个数链节故障时，故障链节应被自动旁路，装置在故障链节旁路后继续运行；当超过冗余个数链节故障时，装置应退出运行。因此，每个链节单元都要设计简单、经济、可靠的旁路电路，为整个链节单元提供保护，同时实现冗余功能。

旁路电路用于实现对整个链节的保护，基本方式是反并联晶闸管结构。当装置补偿无功输出时，链节单元H桥开关过程中产生的高频率、高dv/dt的脉冲电压极易导致晶闸管的误导通，采用通常的RC吸收电路也无法解决问题。

旁路电路也可以采用二极管整流接单晶闸管旁路的方式。晶闸管配有阻容缓冲吸收回路，防止过大的dv/dt及过高的反向恢复电压对器件的损坏。旁路电路直流侧与电压源换流器直流侧通过10kΩ级的隔离电阻连接，固定电位、抑制局放的同时防止对晶闸管的干扰。链式STATCOM装置输出电压高、电流大，根据目前晶闸管的制造水平，很难找到满足电气参数要求的方形封装的晶闸管模块；若选取圆饼状封装的晶闸管模块，需要额外增加散热、安装固定件等辅助设备，造成体积庞大，不便于安装，也不利于模块的紧凑化设计；而且晶闸管是不可控器件，一旦导通不能控制其关断，在过零点自然关断，不能维持导通状态。

旁路电路还可以采用两只反向串联的IGBT器件组成的旁路结构。当链节单元内部发生故障时，封锁H桥电路，同时开通旁路IGBT，在此过程中会出现冲击电流和电压，IGBT器件承受冲击的能力比较弱，很容易因承受冲击电流和电压而损坏，且控制电源也不容易获取。

发明内容

本发明采用一种新型的旁路结构-由机械开关构成的旁路电路，与其它旁路结构相比，该电路具有明显的优势：电路结构简单，安装操作方便，选用元件少。本发明提出的一种采用机械开关的链式静止同步补偿器STATCOM链节单元旁路结构，其特征在于，静止同步补偿器STATCOM主电路采用H桥级联的链式结构，并由机械开关构成链节单元旁路结构，其中

链式STATCOM装置三相换流链是由多个相同结构的链节单元串联而成，包含链式电压源换流器、连接电抗器、主控制器、避雷器、电流传感元件和冷却***；

所述电压源换流器，由可关断器件实现换相，直流侧储能元件为采用电容器的换流器；

所述连接电抗器的作用是滤出换流链产生的高次谐波电流，实现链式STATCOM与***之间的能量交换；

所述控制器用来控制链式STATCOM装置的运行和操作；

所述避雷器与换流链两端并联使用，用于实现换流链的过电压保护；

所述电流传感元件串联于换流链，用于电流检测；

所述冷却***用于实现换流链的冷却；

所述机械开关设计为交流、户内、单相操作的结构，主要包括进出线端(导电体)、真空开关管、绝缘支撑、绝缘拉杆、磁力操作机构以及控制器等，根据装置的控制策略，机械开关是在装置闭锁无输出电流的条件下进行分合闸操作的，因此，机械开关不需要灭弧能力，真空开关管可以不需要专门的灭弧室，大大减小了机械开关的体积，便于链式STATCOM装置实现紧凑化；

其中，所述机械开关采用直动式垂直布置，从而减少机械传递环节以提高开关的合闸速度，在链节单元发生故障时，机械开关能够快速闭合，减少装置因链节故障而闭锁时间，从而降低对***的影响；

其中，所述机械开关为自动分合闸，并且配置有手动分闸操作，采用磁力操作机构，电磁操动，永磁保持，无机械保持及脱扣装置，具体操作方法为：控制电源先通过电源模块给电容器充电，使其储存足够的能量；当需要进行机械开关操作时，控制器发出脉冲触发开关器件，开关器件开通构成回路，电容器就向磁力操作机构的电磁线圈放电，线圈带电后驱动真空管进行分、合闸操作；

其中，由机械开关构成的链节单元主要包括：直流电容、H桥电路、放电电路和旁路电路；

所述直流电容起到电压支撑作用，并作为取能电源的输入电源；

所述H桥电路是链节单元的核心电路，根据控制器指令输出补偿电压；

所述放电电路主要用于为直流母线电容提供过压保护，紧急和正常退出时直流电容放电；电路主要由放电IGBT(Qd)与放电电阻Rd串联构成，当直流母线电压超过整定的阈值之后，放电IGBT导通，通过放电电阻给直流母线电容放电；

所述旁路电路为整个链节提供保护，当链节单元正常运行时，H桥电路投入工作，旁路电路退出运行；当链节单元内部发生特定故障时，信号上报给主控制器，主控制器经过判断发出命令，封锁H桥电路，同时旁路电路开通，输出电流转移至旁路部分，实现故障链节退出功能。

本发明的有益效果是：

避免装置频繁退出；

旁路电路结构简单，安装操作方便；

开关无灭弧装置，体积小；

开关合闸速度快，减少对***影响；

电路元件少，便于装置实现紧凑化。

附图说明

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

图1是链式结构STATCOM和输出波形图。

图2是三相换流链和单个链节示意图。

图3是反并联晶闸管旁路电路图。

图4是整流桥接晶闸管旁路电路图。

图5是反向串联IGBT旁路电路图。

图6是机械开关旁路电路图。

图7是链节单元内部主电路图。

图8是机械开关结构示意图。

图9是旁路结构控制流程图。

具体实施方式

链式STATCOM的结构和输出波形如图1所示，它是由H桥串联组成的链式结构的STATCOM装置，该装置除了具有多电平变流器的一般特点外，还具有如下特点：

(1)无需钳位二极管或钳位电容，对于相同电平数，所需器件最少，易于封装；

(2)容易实现非常高的交流输出电压，从根本上省去了多重化变压器，在大型FACTS设备中具有较好的应用前景；

(3)基于低压小容量换流器级联的组成方式，技术成熟，避免了器件的串联，易于模块化，易于实现紧凑化结构设计。

换流链的输出电压是N个H桥的输出电压的和：

v_s＝v_k1+v_k2+…+v_kN

式中N为每一相的级联H桥的数量。

链式STATCOM并联接于电力***中，通过对***电压和电流量的采集和检测，计算出目标补偿量，然后通过控制换流链输出电压的幅值和相角来输出相应的无功。

三相换流链和单个链节示意图如图2所示，换流链由三相角接的级联H桥电压源换流器组成，装置通过连接电抗器并联接入***中，通过控制装置输出电压的幅值和相角来实现链式STATCOM与***之间有功功率和无功功率的交换。为了提高链式STATCOM装置的可靠性，减小链节单元故障对***的影响，每个链节单元都要设置简单、可靠、经济的旁路电路，为整个链节单元提供保护。

旁路电路要求操作具有快速性，通流能力要求较高，一般要选择基于电力电子器件的旁路手段。最简单的方式为反并联晶闸管结构，如图3所示，此结构中晶闸管容易误通及损坏；也可以采用两只IGBT反向串联的方式，如图5所示，此方式中要选择高压、大容量的IGBT器件，成本较高；还可以采用经二极管整流接晶闸管方式，如图4所示，晶闸管配有阻容缓冲吸收回路，防止过大的dv/dt及过高的反向恢复电压对器件的损坏。旁路电路直流侧与电压源换流器直流侧通过10kΩ级的隔离电阻连接，固定电位、抑制局放的同时防止对晶闸管的干扰。链式STATCOM装置输出电压高、电流大，根据目前晶闸管的制造水平，很难找到满足电气参数要求的方形封装的晶闸管模块；若选取圆饼状封装的晶闸管模块，需要额外增加散热、安装固定件等辅助设备，造成体积庞大，不便于安装，也不利于模块的紧凑化设计；而且晶闸管是不可控器件，一旦导通不能控制其关断，在过零点自然关断，不能维持导通状态。

综上所述，本发明中采用由机械开关构成的旁路电路，如图6所示，与以上几种旁路方式相比，该电路结构简单，选用元件少，成本较低。目前，可选用的机械开关主要有隔离开关、负荷开关、断路器等。隔离开关主要用来隔离电源，形成明显断开点，保证检修安全，没有专门的灭弧装置，只能通断很小的电流，一般手动操作；负荷开关是一种功能介于隔离开关和断路器之间的电器，具有简单的灭弧装置，能通断一定的负荷电流和过负荷电流，但体积较大；断路器具有专门的灭弧装置，能通断负载电流和短路电流，具有电磁操作机构，能够自动控制分合闸，但动作时间较长，体积也较大，不利于链节单元的紧凑化设计。因此，需要设计一种结构简单、安装方便、体积小、单相操作的机械开关作为链节单元的旁路电路。

机械开关设计为交流、户内、单相操作的结构，其结构示意图如图8所示，主要由进线端(采用导电体)1、出线端(采用导电体)2、真空开关管3、绝缘支撑4、绝缘拉杆5、磁力操作机构6以及控制回路7等组成。进、出线端1、2和真空开关管3构成开关的主回路部分，磁力操作机构6和控制回路7作为该机械开关的控制回路及辅助回路，控制线圈的充放电，从而控制机械开关的分合闸操作。根据装置的控制策略，机械开关是在装置闭锁无输出电流的条件下进行分合闸操作的，因此，机械开关不需要灭弧能力，真空开关管可以不需要专门的灭弧室，大大减小了机械开关的体积，便于链式STATCOM装置实现紧凑化。

机械开关采用直动式垂直布置，可以最大限度的减少机械传递环节以提高开关的合闸速度。在链节单元发生故障时，机械开关能够快速闭合，减少装置因链节故障而闭锁时间，从而降低对***的影响。

机械开关为自动分合闸，并且配置有手动分闸操作，采用磁力操作机构，电磁操动，永磁保持，无机械保持及脱扣装置，具体操作方法为：控制电源先通过电源模块给电容器充电，使其储存足够的能量；当需要进行机械开关操作时，主控制器向每个链节单元的单元控制器发出合闸信号，单元控制器再向该链节单元中旁路电路的控制回路发出合闸信号，控制回路的开关合闸接点闭合，合闸回路导通，电容器就向磁力操作机构的电磁线圈放电，线圈带电后驱动真空管进行合闸操作；

磁力操作机构由永磁体8、动铁心9和合闸线圈10构成，正常工作时磁力操作机构的工作位置为分闸位置。合闸时，合闸线圈通过电流，产生的磁场增加了下面磁路的磁场强度，通过下面气隙的磁力线增多，对动铁心下端产生的吸力增加，通过主轴、拉杆作用在真空开关管触头上，使真空开关管触头由分闸位置变为合闸位置。当动铁心到达最终位置时，通过控制回路使得合闸线圈不再有电流通过。控制回路采用本领域技术人员所公知的现有技术。

由机械开关构成的旁路电路链节内部主电路如图7所示，主要包括直流电容、H桥电路、放电电路、旁路电路、取能电源、驱动电路以及单元控制器。H桥电路、直流电容、放电电路及取能电源相互并联，H桥电路包括两个相互并联的桥臂，两个桥臂的中点作为本链节单元的交流输出端，交流输出端之间并联有一旁路电路，取能电源将所得到的控制电源提供给单元控制器和驱动电路，单元控制器分别对H桥电路、直流电容、放电电路、旁路电路和取能电源进行控制，驱动电路对H桥电路中的IGBT器件和放电电路中的IGBT器件进行驱动。所述H桥电路包括两个相并联的桥臂，每个桥臂由上、下两个电力电子元件串联构成，每个电力电子元件由大功率IGBT器件及二极管按反电流流向并联而成，两个桥臂的上端与直流电容C的正极相连，两个桥臂下端与直流电容C的负极相连，两个桥臂的中点作为本链节的交流输出端，交流输出端之间并联一旁路电路后再与相邻链节单元的交流端首尾连接，图中U为相邻链节单元左桥臂的输出端，V为相邻链节单元右桥臂的输出端；放电电路包括IGBT器件Qd、放电电阻Rd、二极管以及两个电阻R1和R2，IGBT器件与放电电阻相串联后与两个相互串联的电阻进行并联，二极管并联在放电电阻的两端。所述单元控制器采用单片机。

直流电容起到电压支撑作用，并作为取能电源的输入电源。

H桥电路是链节单元的核心电路，根据控制器指令输出补偿电压。

放电电路主要用于为直流母线电容提供过压保护，紧急和正常退出时直流电容放电；电路主要由放电IGBT(Qd)与放电电阻Rd串联构成，当直流母线电压超过整定的阈值之后，放电IGBT导通，通过放电电阻给直流母线电容放电；该链节内还安装有箝位电阻R1和R2，可在放电电路退出工作时作为辅助放电电阻实现对直流电容的充分放电。

单元控制器负责接受并执行主控制器下发的命令，把功率模块内部的状态上传给主控制器，对功率模块进行控制、监测和保护。

驱动电路用于驱动触发IGBT器件，电路处于较高的变化电场环境下，对信号的抗干扰能力有较高要求。信号通过光纤与接口板连接，光纤连接方式可以保证接口板和驱动电路之间的电气隔离，可以解决信号传导过程中的干扰问题。

旁路电路为整个链节提供保护，当链节单元正常运行时，H桥电路投入工作，旁路电路退出运行；当链节单元内部发生特定故障时，信号上报给主控制器，主控制器经过判断发出命令，封锁H桥电路，同时旁路电路开通，输出电流转移至旁路部分，实现故障链节退出功能。

链节单元在正常工作时，旁路电路退出运行，机械开关处于备用状态；当链节单元内部发生特定故障，且通过旁路冗余方式可以仅退出故障链节，装置仍然可以正常工作的情况下才考虑旁路故障链节，切换到旁路电路。切换的条件包括：直流电压过高、直流欠压、放电电阻过热、放电IGBT开通故障、放电IGBT关断故障、H桥IGBT温度过高、2路直流取能电源故障、放电IGBT开通次数超限等。其旁路结构控制流程如图9所示。

具体控制方式为：

1)单元控制器检测到装置链节单元内部发生故障时，封锁故障链节H桥单元所有IGBT触发脉冲，并将链节单位故障类型上报给主控制器；

2)主控制器接收到上报的故障信号以后，下发控制命令，封锁三相所有链节单元IGBT触发脉冲；

3)主控制器进行判断，看各相旁路链节数是否小于冗余链节数；

4)如果不满足要求，分主断路器，链节单元进行放电，装置退出运行；

5)如果满足要求，闭合故障链节机械开关，开通旁路电路，读取机械开关位置信号，并启动录波；

6)旁路成功后，调整控制指令，解锁三相所有链节触发脉冲，重新下发PWM信号，启动换流链，装置重新投入运行，完成旁路切换操作。

由于机械开关带有永磁保持，一旦旁路成功，即使控制电源掉电，机械开关也不会出现断开的情况。

在某些情况下，虽然是链节单元故障，但整套STATCOM装置要退出运行，这些故障包括：

1)3路直流取能电源全部故障；

2)H桥IGBT短路故障；

3)H桥IGBT驱动电源欠压故障；

4)链节通讯故障；

5)旁路失败；

6)旁路状态下直流电压有上升趋势；

7)单元控制器重启次数超限。

主要考虑到这几种故障有可能造成IGBT损坏，或者链节单元已经完全失去监控，或者无法进入旁路状态，因而有必要在查明原因的情况下STATCOM装置再投入使用。

Claims (4)

1.一种采用机械开关的链式静止同步补偿器STATCOM链节单元旁路结构，其特征在于，静止同步补偿器STATCOM主电路采用H桥级联的链式结构，并由机械开关构成链节单元旁路结构，其中

链式STATCOM装置包含换流链、连接电抗器、主控制器、避雷器、电流传感元件和冷却***，其中，链式STATCOM装置换流链是由多个相同结构的链节单元串联而成；

所述链节单元，由可关断器件实现换相，直流侧储能元件为采用电容器的换流器；

所述连接电抗器的作用是滤出换流链产生的高次谐波电流，实现链式STATCOM与***之间的能量交换；

所述控制器用来控制链式STATCOM装置的运行和操作；

所述避雷器与换流链两端并联使用，用于实现换流链的过电压保护；

所述电流传感元件串联于换流链，用于电流检测；

所述冷却***用于实现换流链的冷却；

所述机械开关设计为交流、户内、单相操作的结构，主要包括进出线端(导电体)、真空开关管、绝缘支撑、绝缘拉杆、磁力操作机构以及控制回路等，根据装置的控制策略，机械开关是在装置闭锁无输出电流的条件下进行分合闸操作的，因此，机械开关不需要灭弧能力，真空开关管可以不需要专门的灭弧室，大大减小了机械开关的体积，便于链式STATCOM装置实现紧凑化。

2.如权利要求1所述的结构，其特征在于

所述机械开关采用直动式垂直布置，从而减少机械传递环节以提高开关的合闸速度，在链节单元发生故障时，机械开关能够快速闭合，减少装置因链节故障而闭锁时间，从而降低对***的影响。

3.如权利要求2所述的结构，其特征在于

所述机械开关为自动分合闸，并且配置有手动分闸操作，采用磁力操作机构，电磁操动，永磁保持，无机械保持及脱扣装置，具体操作方法为：控制电源先通过电源模块给电容器充电，使其储存足够的能量；当需要进行机械开关操作时，控制器发出合闸信号，控制回路的开关合闸接点闭合，合闸回路导通，电容器就向磁力操作机构的电磁线圈放电，线圈带电后驱动真空管进行合闸操作；

所述磁力操作机构由永磁体、动铁心和合闸线圈构成，正常工作时磁力操作机构的工作位置为分闸位置。合闸时，合闸线圈通过电流，产生的磁场增加了下面磁路的磁场强度，通 过下面气隙的磁力线增多，对动铁心下端产生的吸力增加，通过主轴、拉杆作用在真空开关管触头上，使真空开关管触头由分闸位置变为合闸位置。当动铁心到达最终位置时，通过控制回路使得合闸线圈不再有电流通过。

4.如权利要求1所述的结构，其特征在于

由机械开关构成的链节单元主要包括：直流电容、H桥电路、放电电路、旁路电路、取能电源、驱动电路和单元控制器；

所述直流电容起到电压支撑作用，并作为取能电源的输入电源；

所述H桥电路是链节单元的核心电路，根据控制器指令输出补偿电压；

所述放电电路主要用于为直流母线电容提供过压保护，紧急和正常退出时直流电容放电；电路主要由放电IGBT(Qd)与放电电阻Rd串联构成，当直流母线电压超过整定的阈值之后，放电IGBT导通，通过放电电阻给直流母线电容放电；

所述旁路电路为整个链节提供保护，当链节单元正常运行时，H桥电路投入工作，旁路电路退出运行；当链节单元内部发生特定故障时，信号上报给主控制器，主控制器经过判断发出命令，封锁H桥电路，同时旁路电路开通，输出电流转移至旁路部分，实现故障链节退出功能。 

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