CN102447261B - 一种链式静止同步补偿器的轮流充电启动电路及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种链式静止同步补偿器的轮流充电启动电路及控制方法，在交流电网和链式静止同步补偿器之间并联一个轮流充电启动电路；轮流充电启动包括辅助电源、限流电阻、充电开关和变压器；变压器的原边与辅助电源连接；变压器的副边一端与串联的限流电阻和充电开关连接，变压器的副边另一端与电网一端连接；充电开关与电网另一端连接。通过控制充电开关和静止同步补偿器的IGBT模块，实现先将静止同步补偿器直流侧充电，充电完成后再接入电网。本发明将静止同步补偿器的直流侧充电完成后再接入电网，冲击电流小。本发明的启动电路简单，易于实现。本发明加入的变压器，起到很好的隔离作用，并且根据变比的不同，可配置幅值不同的交流电源。

Description

一种链式静止同步补偿器的轮流充电启动电路及控制方法
技术领域：
本发明涉及电力电子领域，具体涉及一种链式静止同步补偿器的轮流充电启动电路及控制方法。
背景技术：
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。它是以电压源换流器(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。STATCOM可以等效地被视为幅值和相位均可以控制的一个与电网同频率的交流电压源。该装置具有动态连续无功补偿、调节速度快、调节范围广、欠压下无功调节能力强、谐波含量小、功耗低的特点。
目前，STATCOM装置多采用链式多电平拓扑结构，由若干个H桥链节模块串联而成，其链节模块还包括与H桥结构并联的电容器等元件。其中H桥结构包括两个桥臂，每个桥臂包括上下两个IGBT模块，每个IGBT模块由反并联的IGBT和二极管构成。STATCOM正常运行的首要条件就是各级联链节模块的直流侧电容电压必须维持在一定幅值范围之内，称之为“直流侧工作电压”。直流侧工作电压不能过高，以免导致功率开关器件过压损坏；直流侧工作电压也不能过低，以免STATCOM工作在不可控整流状态而失去控制能力。STATCOM装置的启动就是指直流侧电容电压从0上升到直流侧工作电压的过程；当直流侧电压上升到其工作电压范围时，闭环电流和直流侧电压控制开始工作，直流侧电容电压逐渐趋于设定值，至此，装置启动充电过程结束，STATCOM进入正常运行状态。
STATCOM装置的并网启动方式主要分为自励启动、半自励启动和他励启动3种方式。
自励启动是STATCOM装置并网时，直流电容器上电压为0，且并网后迅速投入变流器PWM脉冲驱动及闭环控制的启动方式。在启动初始阶段，由于直流侧电容电压较低，即使有变流器PWM脉冲，变流器的IGBT中也没有电流流过，而是其反并联二极管导通，变流器处于不可控全桥整流状态，其等效电路示意图如附图1所示，此时变流器的电流闭环控制失去作用；当直流侧电压上升到其工作电压范围，并且电流由最大值变到0之后，闭环电流和直流侧电压控制恢复正常工作，直流侧电容电压逐渐趋于设定值，至此，STATCOM装置启动过程结束，进入正常运行状态。通过仿真计算，自励启动时的冲击电流远远超过装置最大电流限制。该启动方式虽然简单，但由于并网时刻产生很大的冲击电流，因此，在实际装置中很少采用。
他励启动是经过辅助整流器为STATCOM直流侧电容充电，使其直流电压达到工作电压，然后投入IGBT驱动脉冲，此时STATCOM输出交流电压幅值、频率及相位与电网电压幅值、频率及相位相等，然后合上并网开关，STATCOM投入正常运行。该方式并网时虽然没有冲击电流，但STATCOM控制不当时直流侧会产生“泵升电压”，而且当用H桥串联的变流器实现较高交流电压输出的STATCOM时，需要高绝缘耐压和低局放指标的隔离变压器，使得启动电路复杂程度增加，可靠性较低。
半自励启动常用有2种方法。第1种方法是先封锁所有IGBT驱动脉冲，将直流电压由多台小容量的辅助整流器升高至正常工作电压，然后并网，并网后即可解除IGBT脉冲封锁，装置投入闭环控制运行；此时冲击电流小，但所需硬件电路复杂。第2种方法是像自励启动一样在直流电容器上电压为0时并网，但不投入控制脉冲，且在充电回路串入较大的限流电阻来抑制电容充电电流，当电容电压不再上升时，短接限流电阻，解除IGBT脉冲封锁，投入闭环控制运行。但其缺点为所需旁路开关容量很大。
发明内容：
针对现有技术的不足，本发明提供一种链式静止同步补偿器的轮流充电启动电路及控制方法，以简单的启动电路，解决了静止同步补偿器并网时直流电容充电的技术难题。
本发明提供的一种链式静止同步补偿器的轮流充电启动电路，所述链式静止同步补偿器包括N个串联的结构完全相同的链节模块；所述N个串联的链节模块与连接电感串联后通过并网开关后与电网并联；所述链节模块包括并联的H桥结构和电容；所述H桥结构包括两个桥臂，每个桥臂包括两个串联的IGBT模块；其改进之处在于，在所述交流电网和所述链式静止同步补偿器之间并联所述轮流充电启动电路；
所述轮流充电启动电路包括辅助电源、限流电阻、充电开关和变压器；所述变压器的原边与所述辅助电源连接；所述变压器的副边一端与串联的限流电阻和充电开关连接，所述变压器的副边另一端与电网一端连接；所述充电开关与电网另一端连接。
其中，所述轮流充电是指在所述链式静止同步补偿器启动时，用辅助电源按照次序轮流为链式静止同步补偿器的各链节模块直流电容充电的一种启动方式。
其中，所述轮流充电启动电路包括电流检测元件，当检测出所述链式静止同步补偿器出现过流时，断开所述充电开关，实现过流保护。
其中，所述变压器包括高漏阻变压器。高漏阻变压器是指漏阻大(一般大于0.1pu)的变压器，使用高漏阻变压器时，启动电路中可以不用配置限流电阻。
其中，所述变压器包括全绝缘变压器。
其中，所述链节模块与控制器连接；所述控制器控制所述链节模块的IGBT。所述控制器包括阀基控制设备。
其中，所述辅助电源为低压电源。低压电源是指交流电源中，电压小于1kV的电源。
其中，所述电流检测元件包括电流互感器。
本发明基于另一目的提供的一种如上述所说轮流充电启动电路的控制方法，其改进之处在于，所述方法包括如下步骤：
(1)装置启动前，所述充电开关和并网开关均处于断开状态；
(2)闭合所述充电开关，按照所述次序依次为所述链节模块的电容充电；
(3)充电完毕，断开充电开关，闭合并网开关，所述静止同步补偿器进入正常运行状态。
其中，步骤(2)所述依次为所述链节模块的电容充电的步骤为：
控制器按照所述次序封锁第i个链节模块的所有IGBT脉冲，其余N-1个链节模块H桥结构的上桥臂或下桥臂两个IGBT处于导通状态(上桥臂或下桥臂两个IGBT处于导通状态由控制器根据设定进行控制)，此时辅助电源对封锁第i个链节模块的直流电容充电，直到第i个链节模块的电容充电完成；同样，按照所述次序封锁下一个链节模块的所有IGBT脉冲，其余N-1个链节模块H桥结构的上桥臂或下桥臂两个IGBT处于导通状态，此时辅助电源对该链节模块的直流电容充电，按照此模式，直至所有链节模块的电容充电完成。其中，所述次序认为设定。
其中，控制器控制链节模块的电容充电时间按照所述次序逐渐减少，用于使N个链节模块电容电压值平衡。
与现有技术比，本发明的有益效果为：
本发明的启动电路简单，易于实现。
本发明启动电路的辅助电源容量小，实现方式多。可以是交流电源，也可以是高压直流电源，还可以是普通的直流电源加BOOST组成。
本发明启动电路的充电开关容量小。
本发明启动电路的启动电阻间耐压水平低，容易制造。
本发明加入的变压器，起到很好的隔离作用，并且根据变比的不同，可配置幅值不同的交流电源。
本发明将静止同步补偿器的直流侧充电完成后再接入电网，对电网的冲击小。
附图说明
图1为本发明提供的自励启动方式电路图。
图2为本发明提供的轮流充电启动方式电路图。
图3为本发明提供的轮流充电启动方式简化电路图。
图4为本发明提供的轮流启动仿真波形。
图中，uAB为电网，uS为辅助电源，T为变压器，RX为限流电阻，Ks为充电开关，Kb为并网开关，L为电感。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
实施例一
本实施例的轮流充电是指在链式静止同步补偿器启动过程中，利用低压电源按照定次序轮流为链式静止同步补偿器的各链节模块直流电容充电的一种启动方式。本实施例所说的次序可以人为定义(例如先单数后双数或者由最后一组链节模块到第一组链节模块等等)，本实施例仅以N个链节模块由上到下为1-N的顺序说明。具体的，链式静止同步补偿器包括N个串联的结构完全相同的链节模块；所述N个串联的链节模块与连接电感串联后通过并网开关后与电网并联；所述链节模块包括并联的H桥结构和电容；所述H桥结构包括两个桥臂，每个桥臂包括两个串联的IGBT模块；本实施例在此之上的改进之处是在所述交流电网(两端一边为I，另一边为II)和所述链式静止同步补偿器之间并联轮流充电启动电路；电路图如图2所示。
轮流充电启动电路包括辅助电源、限流电阻、充电开关和变压器；变压器的原边与辅助电源并联；变压器的副边一端与串联的限流电阻和充电开关连接，变压器的副边另一端与电网一端(II)连接；开关与电网另一端(I)连接，构成回路。
其中，轮流充电启动电路还可以包括电流检测元件，电流检测元件设置在限流电阻和充电开关之间，本实施例以电流互感器为例，当电流互感器检测出链式静止同步补偿器出现过流时，断开充电开关，实现过流保护。
变压器包括高漏阻变压器，高漏阻变压器是指漏阻大的变压器，使用高漏阻变压器时，启动电路中可以不用配置限流电阻。
本实施例中变压器为全绝缘变压器。需要说明的是，如果用普通的变压器，则可以在变压器副边一端与电网一端(II)之间设置一个隔离开关，在启动过程结束后，同时断开隔离开关和充电开关，使启动电路完全退出，降低变压器的绝缘要求。
本实施例将图2轮流充电启动电路应用在链式静止同步补偿器的控制方法包括如下步骤(本实施例以N等于5说明)：
(1)装置启动前，所述充电开关和并网开关均处于断开状态；
(2)闭合充电开关，控制器按照所述次序封锁第1个链节模块所有IGBT脉冲，其余4个链节模块H桥结构的上桥臂或下桥臂两个IGBT处于开通状态，此时辅助电源通过限流电阻对直流电容充电，直到第1个链节模块的电容充电完成；同样，按照顺序封锁下一个(即第2个)链节模块所有IGBT脉冲，其余4个链节模块H桥结构的上桥臂或下桥臂两个IGBT处于开通状态，此时辅助电源对该模块电容充电，直到下一个链节模块的电容充电完成；按照此模式，为每个链节模块的直流电容充电，直至所有链节模块的电容都充电完成，进行步骤(3)；
具体的充电原理为：当控制器按照所述次序封锁第1个链节模块所有IGBT脉冲，其余4个链节模块H桥结构的上桥臂或下桥臂两个IGBT处于开通状态，其简化的电路图如图3所示，其余链节模块的输出处于经IGBT及反并联二极管短路状态，因此，辅助电源通过限流电阻、充电开关只对包含有被封锁IGBT的链节模块的直流电容进行充电，直至达到其工作电压，至此1号模块直流电容充电结束。所有链节模块的充电原理与其类似。
需要说明的是，链节模块的电容常伴有并联的等效电阻，在电容充电完成后，电阻会消耗少量的电压。为此，本实施例的控制器控制链节模块的电容充电时间按照所述次序逐渐减少，电容充电电压值也按照所述次序逐渐减少，但因之前先充电的电容部分电压被电阻消耗，这样保证了N个链节模块的电容值平衡。
(3)断开充电开关，并闭合并网开关，控制器解锁所有IGBT触发脉冲，静止同步补偿器进入正常运行状态，充电结束。
图4是应用本实施例的仿真图，充电电源依次给5个链节模块级联构成的链式静止同步补偿器直流侧电容充电，其中上图为各链节直流电容电压，下图为充电电流，从图中可以看出，每个链节充电时间相同，充电后各链节直流电压近似相等。这样，本实施例实现了低压电源给各链节模块充电，减小了冲击电流。
实施例二
本实施例与实施例一基本相同，但区别点在于：
本实施的轮流充电启动电路不包括变压器，即将串联的限流电阻和充电开关直接与交流电源连接。这样，根据链节模块直流侧电容所需的电压，计算出辅助电源(为交流电源时)的幅值，选出交流电源。
最后应该说明的是：结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到：本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。

Claims (10)

1.一种链式静止同步补偿器的轮流充电启动电路，所述链式静止同步补偿器包括N个串联的链节模块；所述N个串联的链节模块与连接电感串联后通过并网开关与电网并联；所述链节模块包括并联的H桥结构和电容；所述H桥结构包括两个桥臂，每个桥臂包括两个串联的IGBT模块；其特征在于，在交流电网和所述链式静止同步补偿器之间并联所述轮流充电启动电路；
所述轮流充电启动电路包括辅助电源、限流电阻、充电开关和变压器；所述变压器的原边与所述辅助电源连接；所述变压器的副边一端与串联的限流电阻和充电开关连接，所述变压器的副边另一端与电网一端连接；所述充电开关与电网另一端连接;
所述轮流充电是指在所述链式静止同步补偿器启动时，用辅助电源按照次序轮流为链式静止同步补偿器的各链节模块直流电容充电的一种启动方式。
2.如权利要求1所述的轮流充电启动电路，其特征在于，所述轮流充电启动电路包括电流检测元件，当检测出所述链式静止同步补偿器出现过流时，断开所述充电开关，实现过流保护。
3.如权利要求1所述的轮流充电启动电路，其特征在于，所述变压器包括高漏阻变压器。
4.如权利要求1所述的轮流充电启动电路，其特征在于，所述变压器包括全绝缘变压器。
5.如权利要求1所述的轮流充电启动电路，其特征在于，所述链节模块与控制器连接；所述控制器控制所述链节模块的IGBT。
6.如权利要求1所述的轮流充电启动电路，其特征在于，所述辅助电源为低压电源。
7.如权利要求2所述的轮流充电启动电路，其特征在于，所述电流检测元件包括电流互感器。
8.一种基于权利要求1所述轮流充电启动电路的控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
（1）装置启动前，所述充电开关和并网开关均处于断开状态；
（2）闭合所述充电开关，按照次序依次为所述链节模块的直流电容充电；
（3）充电完毕，断开充电开关，闭合并网开关，所述静止同步补偿器进入正常运行状态。
9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，步骤（2）所述依次为所述链节模块的电容充电的步骤为：
控制器按照所述次序封锁第i个链节模块的所有IGBT脉冲，其余N-1个链节模块H桥结构的上桥臂或下桥臂两个IGBT处于导通状态，辅助电源对封锁第i个链节模块的直流电容充电，直到第i个链节模块的电容充电完成；按照所述次序封锁下一个链节模块的所有IGBT脉冲，其余N-1个链节模块H桥结构的上桥臂或下桥臂两个IGBT处于导通状态，辅助电源对该链节模块的直流电容充电，按照此模式，直至所有链节模块的电容充电完成。
10.如权利要求9所述的控制方法，其特征在于，控制器控制链节模块的电容充电时间按照所述次序逐渐减少，用于使N个链节模块电容电压值平衡。
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