CN102638157A - 一种链式statcom的单元h桥模块旁路电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种链式STATCOM的单元H桥模块旁路电路，包括直流电源、H桥模块、电流互感器和旁路开关，直流电源与H桥模块连接，直流电源经H桥模块逆变为交流电源，电流互感器与交流电源一端连接，旁路开关包括反并联晶闸管电路、RC吸收电路和晶闸管门极电子电路板，本发明的电路采用电压和电流同时取能的方式，在H桥模块中的IGBT损坏的情况下，仍然能够提供直流电源给旁路开关，突破了以往旁路开关从单元H桥模块直流侧取能的传统，保证了旁路开关能够稳定可靠地动作。

Description

一种链式STATCOM的单元H桥模块旁路电路

技术领域

本发明涉及一种链式STATCOM的单元H桥模块旁路电路。

背景技术

随着电力电子技术的发展，基于可关断器件（IGBT,IGCT）的静止同步补偿器( SVG或STATCOM )逐渐得到应用，STATCOM 采用自换相的变流器, 它把变流器电路看成是一个产生基波和谐波电压的交流电压源, 控制补偿器基波电压大小与相位, 可改变基波无功电流的大小与相位, 或者直接控制其交流侧电流, 就可以使电路吸收或发出满足要求的无功功率, 实现集动态补偿感性无功功率和容性无功功率于一体，并且装置的最大补偿容量不受电网电压影响。

STATCOM的主电路结构包括多重化，链式和多电平结构，其中链式结构以其众多优势逐渐成为研究和应用的热点，链式STATCOM主电路的核心部分是链式（H桥串联）结构的电压源变流器，每相都是由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变流器，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，随着H桥数量的增加，装置的容量也相应的增加。

链式STATCOM装置三相变流装置是由多个相同结构的H桥单元串联而成，为了提高STATCOM装置的可靠性和电力系统的稳定性，减少装置的频繁投切，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单元，在少于或等于冗余单元故障时，故障单元应被自动旁路，装置在故障单元旁路后继续运行，当超过冗余个数单元故障时，装置应退出运行，因此，每个H桥单元都要设计简单，经济，可靠的旁路电路，为整个H桥单元提供保护，同时实现冗余功能。

申请号为201010624231.1的发明专利提供了一种采用机械开关的链式STATCOM链节单元旁路结构，选用特殊设计的机械开关K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H桥链节单元提供了可靠的保护，实现了H桥模块冗余功能，避免了链式STATCOM装置因模块故障而频繁退出；解决了大容量开关器件的选型困难和控制电源不容易获取的问题，但是在随机启动旁路开关时，需要封锁整个链式STATCOM装置的脉冲，相当于将整个装置停下来，这将会影响电力系统的稳定性和安全性；同时，从直流侧获取接触器电源，如果IGBT模块故障时，直流电压有可能异常上升或者降至零，这时取能电源将失效，同时旁路开关将失效，从而导致旁路开关失效，装置必须退出运行，这使得链式STATCOM装置可靠性大大降低，频繁投切也给电力系统带来重大的安全隐患。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种链式STATCOM的单元H桥模块旁路电路，避免旁路开关失效，提高STATCOM装置的可靠性。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种链式STATCOM的单元H桥模块旁路电路，包括直流电源、H桥模块、电流互感器和旁路开关，直流电源与H桥模块连接，直流电源经H桥模块逆变为交流电源，电流互感器与交流电源一端连接，旁路开关包括反并联晶闸管电路、RC吸收电路和晶闸管门极电子电路板，反并联晶闸管电路与交流电源连接，RC吸收电路与反并联晶闸管电路并联；所述晶闸管门极电子电路板上包括电流取能电路、电压取能电路和触发检测电路，电流取能电路、电压取能电路分别与触发检测电路连接，电流取能电路的输入端与电流互感器的二次侧连接，电压取能电路从RC吸收电路取能，触发检测电路与反并联晶闸管电路阳极连接，触发检测电路为双单稳态触发器；所述电压取能电路包括六个并联支路，第一支路包括稳压管，第二支路由电感和晶闸管组成，第三支路包括二极管，第四支路包括电容，第五支路包括稳压管，第六支路包括三极管，第三支路与第四支路之间接有二极管，第五支路和第六支路之间接有一个续流二极管；所述电流取能电路包括电源、整流电路、场效应管、电容、比较器、稳压管和由两个电阻串联组成的电阻支路，其中整流电路、场效应管、电容和电阻支路依次连接，比较器输入端与场效应管连接，比较器的一个输出端接入电阻支路两电阻之间，比较器另一个输出端经稳压管与电源连接。

所述晶闸管门极电子电路板上还包括分压电阻和保护电路，分压电阻与保护电路串联后并联接入反并联晶闸管电路两端；触发检测电路与分压电阻并联。

所述保护电路为BOD保护电路。

所述触发检测电路采用CD4538逻辑芯片。

所述直流电源与H桥模块之间并接有一个直流支撑电容和一个放电电阻，直流支撑电容与放电电阻并联。

所述电压取能电路还包括吸收电容和RC吸收电路，吸收电容与第一支路并联，RC吸收电路与第一支路稳压管连接；第一支路与第二支路之间接有一个限流电阻；第六支路还包括与三极管连接的分压电阻、储能平波电容。

所述电流取能电路中，电阻支路中两个电阻阻值的比为9：1。

本发明的电路采用电压和电流同时取能的方式，在H桥模块中的IGBT损坏的情况下，仍然能够提供直流电源给旁路开关，突破了以往旁路开关从单元H桥模块直流侧取能的传统，保证了旁路开关能够稳定可靠地动作，旁路开关中设置有保护电路，增加了旁路开关的可靠性，在单元H桥模块发生故障时，自动实现旁路，并通知操作后台更换H桥模块，工作人员可在线更换单元H桥模块，保证了链式STATCOM在电力系统中运行的连续性。

附图说明

图1为申请号为201010624231.1的发明专利提供的链式STATCOM链节单元旁路结构示意图；

图2为本发明一实施例结构示意图；

图3为本发明一实施例晶闸管门极电子电路板结构框图；

图4为本发明一实施例电压取能电路原理图；

图5为本发明一实施例电流取能电路原理图；

图6为本发明一实施例链式STATCOM三相拓扑结构图；

图7为本发明一实施例单元H桥模块输出交流电压示意图；

图8为本发明一实施例级联变流器输出交流电压示意图；

图9为本发明一实施例IGBT模块故障后晶闸管两端承受的电压示意图；

图10为本发明一实施例电子旁路开关旁路过程波形图；

图11为本发明一实施例电子旁路开关旁路过程流程图；

其中：

1：旁路开关；2：H桥模块；3：交流电源；4：反并联晶闸管电路；5：RC吸收电路；6：TE板；7：电流取能电路；8：电压取能电路；9：触发检测电路。

具体实施方式

如图2所示，本发明一实施例包括直流电源、H桥模块、电流互感器TA、旁路开关1，直流电源与H桥模块2连接，直流电源经H桥模块2逆变为交流电源3，电流互感器TA与交流电源U端连接，旁路开关1包括反并联晶闸管电路4、RC吸收电路5、晶闸管门极电子电路板（TE板）6，反并联晶闸管电路4与交流电源3连接，RC吸收电路5与反并联晶闸管电路4并联，RC吸收电路包括电阻R和电容C，电阻R和电容C串联；H桥模块包括四个IGBT，四个IGBT两两串联组成两条串联支路，两条串联支路并联，每个IGBT与一个二极管D并联。

如图3所示，晶闸管门极电子电路板6上包括电流取能电路7、电压取能电路8、触发检测电路9，电流取能电路7、电压取能电路8分别与触发检测电路9连接，电流取能电路7的输入端与电流互感器的二次侧连接，电压取能电路8从RC吸收电路5取能，触发检测电路9与反并联晶闸管电路4阳极连接，触发检测电路为双单稳态触发器CD4538逻辑芯片；晶闸管门极电子电路板上还包括分压电阻R和BOD保护电路，分压电阻R与BOD保护电路串联后并联接入反并联晶闸管电路4两端。

如图4所示，电压取能电路8包括六个并联支路，第一支路包括稳压管D6，第二支路由电感L和晶闸管KP组成，第三支路包括二极管D8，第四支路包括电容C，第五支路包括稳压管D7，第六支路包括三极管P，第三支路与第四支路之间接有二极管D9，第五支路和第六支路之间接有一个续流二极管D10；电压取能电路还包括吸收电容C1和RC吸收电路，RC吸收电路由电阻R6和电容C2并联组成，吸收电容C1与第一支路并联，RC吸收电路与第一支路稳压管D6连接；第一支路与第二支路之间接有一个限流电阻R9；第六支路还包括与三极管P连接的分压电阻R8、储能平波电容C4。

如图5所示，电流取能电路7包括电源VCC、整流电路、场效应管T、电容C5、比较器K1、稳压管D11、两个电阻R1和R2串联组成的支路，整流电路包括四个二极管D1～D4，D1与D2串联，D3与D4串联，D1、D2串联支路与D3、D4串联支路并联；整流电路、场效应管T、电容C5、电阻支路依次连接，比较器K1输入端与场效应管T连接，比较器K1的一个输出端接入电阻支路两电阻(R1、R2)之间，比较器K1另一个输出端与电源VCC连接，稳压管D11接入比较器K1与电源VCC之间；

电流取能电路从单元H桥模块上电流互感器二次侧取能，电压取能电路通过RC吸收电路取能，两个取能回路并联给晶闸管触发电路提供直流电源。这样晶闸管触发电路就可以从控制系统接收光纤信号，发出触发脉冲触发旁路反并联晶闸管，同时反馈晶闸管状态信号给控制系统。

电压取能电路如图4所示，当交流正弦电压处于正半波时，二极管D9导通，给电容C4充电。当C4电压充至51V时，稳压管D6（51V稳压管）导通，触发晶闸管KP，使晶闸管KP导通，这时电流主要从L流过，C4电压充电至50V不再升高,50V电压经过分压电阻R8和三极管P后，通过稳压管D7取得稳定的电子电路的工作电源VCC,当交流电压处于负半波时，D8导通，与RC吸收回路构成回路，此时C4没有充电。其中R6，C2为门极吸收电路，防止晶闸管KP门极出现浪涌电压，R9为门极限流电阻，C1为吸收电容，防止C4充电时出现浪涌电压,C3为储能平波电容，使5V电源更稳定，D10为续流二极管，一直处于导通状态。

电流取能电路如图5所示，单元H桥模块上电流互感器二次侧电流经过二极管D1,D2，D3，D4整流后，通过二极管D5 给电容C5充电。R1，R2电阻值比例为9:1，所以R2的电压值为电容C5电压的1/10，连接到比较器一端；比较器的另一端连接工作电源5V和稳压二极管D11（稳压值5V），当R2上分压大于5V，也就是电容C5上的电压高于50V时，比较器K1输出端为高电平，通过限流电阻R5后，触发场效应管T，使场效应管T导通，这样电容C充电至50V后，不再充电,再通过图4中三极管P和稳压管D7后得到稳定的5V工作电源。

H桥模块是整个链式STATCOM的核心元器件，根据控制器发出的脉冲来触发H桥IGBT模块，逆变出所需的交流电压；反并联晶闸管（SCR）是整个电子旁路开关的核心器件，当H桥模块出现故障时，控制系统立即封锁H桥模块脉冲，触发晶闸管，两个晶闸管轮流导通，实现H桥模块旁路；RC吸收回路防止过大的dv/dt及恢复电压损坏晶闸管器件，并实现晶闸管未导通时的电压取能；BOD保护电路的作用是当晶闸管承受过高的电压时，快速强制触发晶闸管，以防止其被高电压击穿而失效。

链式STATCOM并联接入电力系统中，STATCOM控制系统通过对系统电压和电流的采集和检测，计算出目标补偿量，然后通过控制STATCOM级联变流器的输出电压幅值和相角来输出相应的无功电流，实现其与系统之间有功功率和无功功率的交换。三相级联变流器和单个H桥模块如图6所示，级联变流器三相星形连接，通过连接电抗器并联接入电力系统。电子旁路开关的工作原理如下：

1）STATCOM级联变流器带电后，H桥模块通过光纤将状态反馈到控制系统，控制系统如果接收到IGBT模块和旁路晶闸管状态完好时，通知主控室后台STATCOM各模块和旁路开关状态正常，并准备发IGBT模块脉冲，启动STATCOM装置；

2）STATCOM启动后，每个单元H桥模块根据控制器的指令发出交流脉冲电压，如图7所示；整个级联变流器的电压就是每个H桥模块电压之和，如图8所示。STATCOM正常运行时，STATCOM控制系统控制主回路发出相应的电流。电子旁路开关两端承受如图6所示的交流脉冲电压，这时旁路开关取能回路既有电压取能，也有电流取能。同时，旁路开关的TE板向控制系统反馈晶闸管状态，表示电子旁路开关正常；

3）如果某相某个单元H桥IGBT模块故障时，立即封锁该IGBT模块触发脉冲，同时发出该单元电子旁路开关的晶闸管触发脉冲。晶闸管导通后，TE板将反馈不同于导通前的状态信号给控制系统，控制系统收到电子旁路开关晶闸管导通后的状态信号后，通知主控室后台某单元H桥IGBT模块故障，旁路成功。由于旁路晶闸管导通后，晶闸管两端电压在1V左右，所以这时候将由电流取能回路单独给TE板提供电源；

同时，由于在某个单元H桥IGBT模块封锁脉冲时，该单元H桥旁路晶闸管承受一个接近电网电压的电压降（如图9所示），如果晶闸管导通失败，将使晶闸管击穿。所以为了保护晶闸管过压击穿，必须加上BOD保护回路；

4）某相某单元H桥模块旁路后，该相输出电压降低，所以控制系统计算出相应的电压指令和载波移相的角度（某相每个级联H桥模块之间的载波角度），控制级联变流器输出电压，保持三相平衡。如图10所示，第一通道和第二通道分别为反并联晶闸管电压（绿）和电流波形（蓝），第三通道为主电路的电流波形。在0.6s之前，晶闸管两端承受IGBT模块发出的脉冲电压，电流为零；在0.6s时刻，H桥模块出现故障，晶闸管立即导通，电子旁路开关串联在主电路中。主电路电流在0.6s时刻过渡调整后，仍然保持与H桥模块故障前一样；

整个旁路过程全部由控制系统自动完成，具体流程如图11所示，并及时通知后台检修或更换故障的单元IGBT模块。在线更换好IGBT模块后，将IGBT模块状态信号反馈给控制系统，控制系统收到该IGBT模块状态信号正常后，立即封锁旁路晶闸管脉冲，旁路晶闸管在电流过零时刻关断，TE板将发出不同于导通时的状态信号，通知控制系统旁路晶闸管已经关断，控制系统立即触发该单元IGBT模块。链式STATCOM继续正常运行。

Claims (7)

1.一种链式STATCOM的单元H桥模块旁路电路，包括直流电源、H桥模块、电流互感器和旁路开关，直流电源与H桥模块连接，直流电源经H桥模块逆变为交流电源，电流互感器与交流电源一端连接，其特征在于，旁路开关包括反并联晶闸管电路、RC吸收电路和晶闸管门极电子电路板，反并联晶闸管电路与交流电源连接，RC吸收电路与反并联晶闸管电路并联；所述晶闸管门极电子电路板上包括电流取能电路、电压取能电路和触发检测电路，电流取能电路、电压取能电路分别与触发检测电路连接，电流取能电路的输入端与电流互感器的二次侧连接，电压取能电路从RC吸收电路取能，触发检测电路与反并联晶闸管电路阳极连接，触发检测电路为双单稳态触发器；所述电压取能电路包括六个并联支路，第一支路包括稳压管，第二支路由电感和晶闸管组成，第三支路包括二极管，第四支路包括电容，第五支路包括稳压管，第六支路包括三极管，第三支路与第四支路之间接有二极管，第五支路和第六支路之间接有一个续流二极管；所述电流取能电路包括电源、整流电路、场效应管、电容、比较器、稳压管和由两个电阻串联组成的电阻支路，其中整流电路、场效应管、电容和电阻支路依次连接，比较器输入端与场效应管连接，比较器的一个输出端接入电阻支路两电阻之间，比较器另一个输出端经稳压管与电源连接。

2.根据权利要求1所述的链式STATCOM的单元H桥模块旁路电路，其特征在于，所述晶闸管门极电子电路板上还包括分压电阻和保护电路，分压电阻与保护电路串联后并联接入反并联晶闸管电路两端；触发检测电路与分压电阻并联。

3.根据权利要求2所述的链式STATCOM的单元H桥模块旁路电路，其特征在于，所述保护电路为BOD保护电路。

4.根据权利要求1所述的链式STATCOM的单元H桥模块旁路电路，其特征在于，所述双单稳态触发器为CD4538逻辑芯片。

5.根据权利要求1所述的链式STATCOM的单元H桥模块旁路电路，其特征在于，所述直流电源与H桥模块之间并接有一个直流支撑电容和一个放电电阻，直流支撑电容与放电电阻并联。

6.根据权利要求1所述的链式STATCOM的单元H桥模块旁路电路，其特征在于，所述电压取能电路还包括吸收电容和RC吸收电路，吸收电容与第一支路并联，RC吸收电路与第一支路稳压管连接；第一支路与第二支路之间接有一个限流电阻；第六支路还包括与三极管连接的分压电阻、储能平波电容。

7.根据权利要求1所述的链式STATCOM的单元H桥模块旁路电路，其特征在于，所述电流取能电路中，电阻支路中两个电阻阻值的比为9：1。

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