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