CN102136730A - 一种紧凑化结构设计的移动式静止同步补偿器 - Google Patents

Abstract

本发明的一种紧凑化结构设计的移动式静止同步补偿器，该补偿器补偿容量大，调节速度快，采用紧凑化结构设计及便于运输的方式，可在紧急需要无功支撑的地点快速转移、安装和投运，从而使电网动态无功补偿装置的规划、布置和运行更加灵活、有效。所述移动式静止同步补偿器包括三个结构相同的功能模块集装箱、辅助设备集装箱和可移动底座，所述功能模块集装箱包括单相换流链和换流链避雷器，所述辅助设备集装箱包括控制保护系统、水冷系统和三相启动回路，所述可移动底座包括连接电抗器、主断路器、隔离开关和接地开关。本发明装置具有：响应速度快、调节范围广、输出谐波含量低、采用紧凑化设计、具备可移动性以及占地面积小等明显优势。

Description

一种紧凑化结构设计的移动式静止同步补偿器

技术领域

本发明属于电力系统无功补偿技术领域，具体涉及一种紧凑化结构设计的移动式静止同步补偿器。

背景技术

随着我国电网规模的不断扩大，受端电网负荷集中地区发生严重故障时，会由于无功电压支持能力不足、电压难以恢复，导致系统稳定被破坏，进而造成电压崩溃引起大面积停电。在受端电网配置一定规模的电源，将有利于提供动态电压支持，也有利于通道保持较高的稳定裕度，提高系统整体稳定水平。动态无功补偿装置作为灵活的动态无功电源配置手段，在提高电压稳定性方面作用明显。

根据特高压电网规范研究成果，将来在受端电网会有多回大容量特高压交、直流线路受入大量电力，当特高压线路发生三相短路单相开关拒动等严重故障时，受端电网电压往往难以恢复，需要切负荷才能使系统保持稳定。因此，为保证电网安全、避免大面积停电，需要在受端电网，特别是直流落点附件配置一定容量的动态无功补偿装置，以提高受端电网动态电压支撑能力。

静止同步补偿器(STATCOM)较好的解决了上述问题，它是一种新型静止无功动态补偿装置，由并联接入系统的电压源换流器构成，其输出的容性或感性无功电流连续、可调且独立于与系统连接点的电压。SSTATCOM的无功电流输出可在很大电压变化范围内恒定，在低电压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，且具有占地面积小，无功调节速度快，输出谐波含量低，接入系统无谐振等优点，结合我国的国情和已有的技术，发展STATCOM应是解决我国电压稳定问题的有效手段。

随着输电系统的不断发展，无功需求和补偿位置将来会发生改变，其它地点对无功补偿的要求可能突然紧急增加，所以有必要建立一种移动式无功补偿系统，可以向系统紧急需要无功的地点快速转移、安装和投入运行。

移动式STATCOM采用紧凑化结构设计、便于运输的方式，在寿命期内可快速转移安装地点，可根据系统条件简单配置即可投运的STATCOM装置。由于受功率器件制造水平及工艺的限制，要实现大容量的STATCOM装置，其主电路结构要采用级联方式；目前，移动式STATCOM主要包括三种结构：多重化结构、多电平结构和链式结构。多重化结构的变压器成本高、损耗大、占地面积大；多电平结构难以实现电容电压平衡控制，开关频率增高，开关损耗增加，效率降低；因此，固定式和移动式STATCOM装置大都采用链式结构。

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节，由N个结构完全相同的链节串联而成，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个链节串联可得到2N+1级的阶梯电压波形。链式结构STATCOM和输出电压波形如说明书附图1所示。

目前，英国已经投运的1套移动式STATCOM装置，主电路采用链式结构，每个链节由四个GTO及续流二极管组成的单相桥式电压源换流器构成，设计成模块化单元装在集装箱内；但每个链节单元需要外加链节平衡辅助电路，需要辅助电源以实现直流电容电压的平衡，结构不紧凑，占用面积大。国内已经投运的1套固定式STATCOM装置，主电路也是链式结构，每个链节由四个IGCT器件组成单相电压源换流器；但IGCT器件需要附加钳位电路限制阳极电感电压，这些电路及元件所占体积很大，参数优化困难，不利于紧凑化设计。以上所述的STATCOM装置，其链节单元的主功率器件为GTO和IGCT，在进行链节单元设计时都需要增加一些辅助电路，增加了单个链节的体积，不利于紧凑化设计，增大了装置的占地面积。基于IGBT的链式STATCOM装置设计技术尚不成熟，国内外尚未见到成熟的结构布局技术方案，其主要元件的合理结构布局存在诸多技术难点。

发明内容

为解决上述元器件合理布局、换流链紧凑化结构设计中存在的诸多技术问题，本发明的目的是提供一种布局合理、结构紧凑、工作可靠的移动式静止同步补偿器，该装置具有：响应速度快、调节范围广、输出谐波含量低、采用紧凑化设计、具备可移动性以及占地面积小等明显优势。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种紧凑化结构设计的移动式静止同步补偿器，所述移动式静止同步补偿器包括功能模块集装箱、辅助设备集装箱、连接电抗器、开关回路和可移动底座；其改进之处在于：所述功能模块集装箱包括单相换流链，所述单相换流链是由结构相同的链节单元串联组成，所述链节单元在功能模块集装箱内采用分排、分层、分列的布置方式；所述功能模块集装箱采用水冷为主的散热方式，水路结构采用先串联再并联的方式。

本发明提供的另一优选技术方案为：所述功能模块集装箱中换流链同一排链节单元的连接方式为：同一排同一列的链节单元从下而上或从上而下依次按顺序串联，同一排相邻列的链节单元，通过前一列串联至列尾的链节单元与相邻列同层的链节单元之间串联，同一排链节单元的电路结构组成S型连接方式；

所述功能模块集装箱中换流链相邻排之间的连接方式为：所述前一排串联连接至排尾的链节单元与其相邻排同列同层的链节单元之间串联。

本发明提供的另一优选技术方案为：所述相邻链节单元的串联连接：所述链节单元由H桥电压源换流器组成，所述H桥电压源换流器主电路包括H桥电路、放电电路、旁路电路、单元控制器、驱动电路和取能电源；所述H桥电路主功率器件选用IGBT，所述H桥电路由两个分别由上、下管串联构成的桥臂并联组成，两个桥臂上端通过直流母线与直流电容的正极相连，两个桥臂下端通过直流母线与直流电容的负极相连，两个桥臂的中点作为本链节单元的交流输出端分别与相邻链节单元交流端首尾连接，实现相邻链节单元的串联。

本发明提供的再一优选技术方案为：所述链节单元设有水冷散热器，所述水冷散热器底部设进水口，上部设出水口，所述相邻链节单元的水冷散热器通过水管连接。

本发明提供的又一优选技术方案为：所述水冷散热器设计为两路独立的水路，水冷散热器底部设两个进水口，上部设两个出水口。

本发明提供的再一优选技术方案为：所述底层链节单元下方设置进水母管，所述顶层链节单元上方设置出水母管，所述底层链节单元的水冷散热器的进水口与所述进水母管并联，所述顶层链节单元的水冷散热器的出水口与所述出水母管并联，所述底层链节单元的水冷散热器的出水口与上方相邻层链节单元的水冷散热器的进水口串联，各相邻层处于上下对应位置关系的链节单元的水冷散热器之间均为串联。

本发明提供的又一优选技术方案为：所述移动式静止同步补偿器包括三个结构相同的功能模块集装箱，每个功能模块集装箱为一个单相STATCOM，每个功能模块集装箱通过电缆或铜排连接成三角形，所述每个功能模块集装箱再通过电缆或铜排与启动回路、连接电抗器和主断路器连接，三个单相STATCOM共同构成1个三相STATCOM，三相STATCOM并联接入系统母线侧。

本发明提供的又一优选技术方案为：所述启动回路包括启动电阻和旁路断路器。

本发明提供的再一优选技术方案为：所述辅助设备集装箱的功能为实现对功能模块集装箱的控制、监测和保护，所述辅助设备集装箱可扩展出控制保护系统集装箱、水冷系统集装箱和启动回路集装箱。

本发明提供的又一优选技术方案为：所述可移动底座包括连接电抗器、主断路器、隔离开关和接地开关，所述开关回路位于可移动的底座上。

由于采用了以上技术方案，与现有技术比，本发明带来的有益效果如下：

1)采用紧凑化设计，占地面积小

所述移动式静止同步补偿器，所述单相换流链在集装箱内采用多排、多层、多列布置方式，电路结构采用S型电气连接方式，使得相邻链节模块的电位差较小，可以缩小模块之间的距离，且电气连接简单清晰，减小电气连接占用的空间；水路结构采用先串联再并联方式，此种连接方式需要水接头数量少，连接关系简单，电位分布明晰，占用空间小，便于换流链紧凑化设计；

所述移动式静止同步补偿器，链节单元H桥电路主功率器件选用IGBT，它无需复杂的辅助电路，布置在水冷散热器上，IGBT的布局安装位置经过优化设计与直流支撑电容器距离达到最短，具有占用空间小、布局紧凑的优点；IGBT驱动电源采用简单、可靠的直流电容电压取能方式，省掉了送能方式复杂的电路及送能变压器等设备，链节的体积大为缩小，利于紧凑化设计；链节单元的交、直流母排采用结构紧凑的无感复合叠层母排，将交流母排、直流母排通过绝缘材料层叠在一起，分别与相邻链节模块相连，这样的设计大大减小了复合母排的体积，节约功率模块的空间，利于链节的紧凑化设计；

2)具备可移动性

采用集装箱和可移动底座安装方式，便于移动和运输；可在紧急需要无功支撑的地点快速转移、安装和投运，从而使电网动态无功补偿装置的规划、布置和运行更加灵活、有效。

3)补偿容量大，调节速度快

链节单元H桥电路主功率器件选用IGBT，使得所述移动式静止同步补偿器，补偿容量大，调节速度快。

附图说明

图1是链式结构STATCOM和输出波形图

图2是移动式STATCOM主电路拓扑结构图

图3是移动式STATCOM平面布置图

图4是链节单元内部电路图

图5是链节单元布局图

图6是集装箱内换流链布局图

附图标记：

1-直流电容器、2-H桥电路、3-放电电路、4-旁路电路、5-取能电源、6-单元控制器、7-驱动电路、8-交直流母排、9-水冷散热器、10-功能模块集装箱、11-辅助设备集装箱、12-开关回路、13-连接电抗器；

Rs-STATCOM装置启动电阻，Sa-A相主断路器，Sb-B相主断路器，Sc-C相主断路器，Spa-启动电阻A相旁路断路器，Spb-启动电阻B相旁路断路器，Spc-启动电阻C相旁路断路器，0.5X-连接电抗器。

具体实施方式

下面结合实例对本发明进行详细的说明。

实施例1：

移动式STATCOM的基本原理就是以电压源换流器(VSC)为核心，直流侧采用直流电容器为储能元件，利用可关断器件IGBT将直流侧电压转换成与电网同频率的交流电压，并通过连接电抗器并联在电网上，适当地调节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，就可以使装置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。为了形成实用的大容量和符合要求的低谐波，移动式STATCOM主电路的拓扑结构采用图2所示链式结构，主要由三相换流链、连接电抗器、启动电阻、主断路器、隔离开关等构成。每相换流链均由多个结构完全相同的H桥电压源换流器依次串联组成，然后由单相换流链的首尾相连组成三角连接的三相换流链，再通过电缆与启动回路、连接电抗器、主断路器等相连并联接入系统35kV母线侧。

实施例2：

本发明中所述辅助设备集装箱11可以根据功能模块集装箱10的需求扩展出多个集装箱，例如：控制保护系统集装箱、水冷系统集装箱和启动回路集装箱，其中控制保护系统集装箱用于实现对功能模块集装箱10的控制、检测和保护，水冷系统集装箱用于保障功能模块集装箱10中换流链功率器件IGBT的工作结温不超过最高允许结温，启动回路集装箱用于实现功能模块集装箱10的软启动。并且辅助设备集装箱11的排列布置方式可根据实际情况设定。

为适用移动工程的需要，方便运输，移动式STATCOM装置在结构设计上力求紧凑、美观，本实施例中包括三个功能模块集装箱10和一个辅助设备集装箱11，并具体给出功能模块集装箱10、辅助设备集装箱11、连接电抗器13、开关回路12和可移动底座的布置方式。所有设备都安装在集装箱及可移动的底座上，占地面积尽量不超过同容量无功补偿装置，电气平面布置图如图3所示；主要包括四个集装箱和三个可移动底座，4个集装箱分别为三个STATCOM功能模块集装箱10，一个辅助设备集装箱11。每个功能模块集装箱通过电缆或铜排连接成三角形，所述每个功能模块集装箱再通过电缆或铜排与启动回路、连接电抗器、主断路器等相连，共同构成一个三相STATCOM，三相STATCOM并联接入系统母线侧。本发明所述装置整体外观比较简介，接线简单。集装箱满足道路运输的要求，装置内部采用软连接，并在连接处采用橡胶垫、弹垫、弹簧等减震措施，以减小运输过程中的震动冲击；同时考虑加强结构，使之具备较高的抗扭、抗拉、抗压的性能。箱体采用隔热材料，可以抵抗外界辐射的影响；集装箱内部设置温度、湿度、烟雾等监测手段及照明、通风、排水设施；箱体内配有空调，空调采用冗余配置，具有散热、除尘的功能，并安装摄像头及观察窗，方便监控换流链的运行状态；可移动底座12上布置连接电抗器、隔离刀闸、断路器、避雷器等设备。

实施例3：

STATCOM功能模块集装箱10内设备主要包括单相换流链。每相换流链有多个结构完全相同的链节模块单元串联组成，每一个链节单元是由H桥构成的电压源换流器构成，H桥由多只带有反并联二极管的IGBT组成，如图4所示。主要包括直流电容器1、H桥电路2、放电电路3、旁路电路4、取能电源5、单元控制器6、驱动电路7等。为了将换流链安装在空间狭小的集装箱内，链节功率模块单元需采用紧凑化设计，优化其布局，压缩链节单元体积及连接占用的体积，使链节单元的结构具备体积小、重量轻的特点，采用如图5所示的结构布局图。主要包括直流电容器1、H桥电路2、旁路电路4、取能电源5、交直流母排8、水冷散热器9等组成。

实施例4：

链节单元的H桥电路2中主功率器件选用IGBT，与IGCT器件相比，IGBT无需复杂的嵌位电路，无需辅助电压平衡电路和辅助电源，因此选用IGBT为主功率器件减小功率器件占用的体积；而且IGBT器件对驱动电源要求相对较低，可以在主电上电的情况下再给上控制电，因而可采用简单的取能方式，取能电路与链节单元大体等电位，省掉了送能方式复杂的电路及送能变压器等设备，链节单元的体积大为缩小，利于紧凑化设计；多组并联安装的直流电容器1并排布置在一侧，通过直流母排与桥臂IGBT相连；两个桥臂均采用多只IGBT并联布置在直流电容器1的一侧，IGBT的布局安装位置经过优化设计与直流支撑电容器距离达到最短；交、直流母排8采用结构紧凑的无感复合叠层母排，将交流母排、直流母排通过绝缘材料层叠在一起，分别与相邻链节单元相连，这样的设计大大减小了复合母排的体积，节约功率模块的空间，利于链节的紧凑化设计；驱动器直接安装在IGBT上，IGBT安装在散热器上；为了将IGBT开通、关断过程中产生的热量充分散发出去，采用水冷为主散热方式，各链节不再设计风机、风道，减小它们所占用的空间，减小链节体积，结构紧凑；水冷散热器9采用底部进水上部出水的设计，为两路独立的水路，进水口和出水口设计在散热器的一侧，方便链节单元之间水路连接，减少连接占用的空间；水冷散热器9下方的空间用来安装单元控制器6、驱动电路7、取能电源5、旁路电路4等设备，充分利用链节单元的空间，使链节单元的体积大大减小，便于链节单元的模块化、紧凑化设计。

实施例5：

为充分利用集装箱内空间，单相换流链在功能模块集装箱10内布置为分排、分层、分列的布置方式，如图5所示。排与排之间留有足够距离，作为检修人员通道和布置进水母管；每一排由5-10列平行布置，每1列由2-6个链节单元上下垂直叠放布置，固定在绝缘支架上，上下模块输出侧采用垂直电气连接方式，列与列之间采用S型电气连接方式，即将功能模块集装箱10内链节模块从下而上-从上而下依次按顺序串联起来，使得相邻链节模块的电位差较小，可以缩小模块之间的距离，且电气连接简单清晰，减小电气连接占用的空间；换流链的两端通过穿墙套管从集装箱内引出，分别与另外两个单相换流链首尾相连组成三角接线，构成三相换流链；换流链的顶部、底部靠支撑绝缘子固定，在运输过程中还要安装辅助支撑件，以加强固定强度；水路结构采用先串联再并联方式，即同一排同一列上的2-6个链节模块的水管上下依次串联后再并联在总母管上，底部为进水母管，顶部为出水母管，此种连接方式需要水接头数量少，连接关系简单，电位分布明晰，占用空间小；换流链内选用良好的耐蚀性、电绝缘性和施工工艺性的复合高压绝缘材料，减小链节单元间的空气距离，进一步压缩换流链的体积，满足换流链的紧凑化设计。

实施例6：

辅助设备集装箱11的主要功能是实现对功能模块集装箱10的控制、监测和保护，辅助设备集装箱11内的主要设备包括：控制保护系统、水冷系统、三相启动回路、散热风机等。控制保护系统检测STATCOM装置运行状态，使其满足设计的要求，当STATCOM装置运行状态出现故障，对其起保护作用。冷却系统是换流链的重要组成部分，其功能是将换流阀上各元器件的功耗发热排放到功能模块集装箱10外，保障换流链功率器件工作结温不超过最高允许结温。本装置的水冷系统采用全封闭纯水冷却系统，主要包括主循环冷却回路，去离子水处理回路，氮气稳压系统及冷却介质及管路四个部分，其二次热交换采用水-风冷却方式，散热效益高，运行可靠，且在大容量STATCOM装置中具有成本优势。启动回路包括启动电阻及其旁路断路器，启动电路通过启动电阻对所述装置的直流电容器进行充电，实现装置的软启动功能。

此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。

Claims (10)

1.一种紧凑化结构设计的移动式静止同步补偿器，所述移动式静止同步补偿器包括功能模块集装箱(10)、辅助设备集装箱(11)、连接电抗器(13)、开关回路(12)和可移动底座；其特征在于：所述功能模块集装箱(10)包括单相换流链，所述单相换流链是由结构相同的链节单元串联组成，所述链节单元在功能模块集装箱(10)内采用分排、分层、分列的布置方式；所述功能模块集装箱(10)采用水冷为主的散热方式，水路结构采用先串联再并联的方式。

2.如权利要求1所述的一种紧凑化结构设计的移动式静止同步补偿器，其特征在于：

所述功能模块集装箱(10)中换流链同一排链节单元的连接方式为：同一排同一列的链节单元从下而上或从上而下依次按顺序串联，同一排相邻列的链节单元，通过前一列串联至列尾的链节单元与相邻列同层的链节单元之间串联，同一排相邻列链节单元的电路结构组成S型连接方式；

所述功能模块集装箱(10)中换流链相邻排之间的连接方式为：所述前一排串联连接至排尾的链节单元与其相邻排同列同层的链节单元之间串联。

3.如权利要求1所述的一种紧凑化结构设计的移动式静止同步补偿器，其特征在于所述相邻链节单元的串联连接：所述链节单元由H桥电压源换流器组成，所述H桥电压源换流器主电路包括H桥电路(2)、放电电路(3)、旁路电路(4)、单元控制器(6)、驱动电路(7)和取能电源(5)；所述H桥电路(2)主功率器件选用IGBT，所述H桥电路(2)由两个分别由上、下管串联构成的桥臂并联组成，两个桥臂上端通过直流母线与直流电容的正极相连，两个桥臂下端通过直流母线与直流电容的负极相连，两个桥臂的中点作为本链节单元的交流输出端分别与相邻链节单元交流端首尾连接，实现相邻链节单元的串联。

4.如权利要求1所述的一种紧凑化结构设计的移动式静止同步补偿器，其特征在于：所述链节单元设有水冷散热器(9)，所述水冷散热器(9)底部设进水口，上部设出水口，所述相邻链节单元的水冷散热器(9)通过水管连接。

5.如权利要求4所述的一种紧凑化结构设计的移动式静止同步补偿器，其特征在于所述水冷散热器(9)设计为两路独立的水路，水冷散热器(9)底部设两个进水口，上部设两个出水口。

6.如权利要求1所述的一种紧凑化结构设计的移动式静止同步补偿器，其特征在于所述底层链节单元下方设置进水母管，所述顶层链节单元上方设置出水母管，所述底层链节单元的水冷散热器(9)的进水口与所述进水母管并联，所述顶层链节单元的水冷散热器(9)的出水口与所述出水母管并联，所述底层链节单元的水冷散热器(9)的出水口与上方相邻层链节单元的水冷散热器(9)的进水口串联，各相邻层处于上下对应位置关系的链节单元的水冷散热器(9)之间均为串联。

7.如权利要求1所述的一种紧凑化结构设计的移动式静止同步补偿器，其特征在于：所述移动式静止同步补偿器包括三个结构相同的功能模块集装箱(10)，每个功能模块集装箱(10)为一个单相STATCOM，每个功能模块集装箱(10)通过电缆或铜排连接成三角形，所述每个功能模块集装箱(10)再通过电缆或铜排与启动回路、连接电抗器(13)和主断路器连接，三个单相STATCOM共同构成1个三相STATCOM，三相STATCOM并联接入系统母线侧。

8.如权利要求7所述的一种紧凑化结构设计的移动式静止同步补偿器，其特征在于：所述启动回路包括启动电阻和旁路断路器。

9.如权利要求1所述的一种紧凑化结构设计的移动式静止同步补偿器，其特征在于所述辅助设备集装箱(11)的功能为实现对功能模块集装箱(10)的控制、监测和保护，所述辅助设备集装箱(11)可扩展出控制保护系统集装箱、水冷系统集装箱和启动回路集装箱。

10.如权利要求1所述的一种紧凑化结构设计的移动式静止同步补偿器，其特征在于：所述开关回路(12)包括主断路器、隔离开关和接地开关，所述开关回路(12)位于可移动的底座上。

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