CN103401462A - 基于三电平h桥级联的静止同步补偿器及电压源逆变模块 - Google Patents

基于三电平h桥级联的静止同步补偿器及电压源逆变模块 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种电压源逆变模块，包括依次连接的旁路开关电路、三电平H桥、直流侧电容电压放电回路。本发明还提供相应的基于三电平H桥级联的单相链式静止同步补偿器、基于三电平H桥级联的静止同步补偿器。本发明克服了现有的级联STATCOM的不足，对于高压系统串联模块多的缺陷，提供了一种由三电平H桥模块级联的STATCOM，此拓扑结构的单个模块具有耐压等级高，体积小，输出电流谐波含量低等优点。

Description

基于三电平H桥级联的静止同步补偿器及电压源逆变模块
技术领域
本发明涉及电力系统柔性交流输电(FACTS)技术领域，特别涉及一种基于三电平H桥模块级联的静止同步无功功率补偿器。
背景技术
近年来，节能减排、资源节约成了各国普遍关注的问题，电能作为应用最为广泛、最贴近工业生产与人民生活的能源，其生产、输送和使用的各个环节的节能、高效运行成为了人们关注的焦点。应用电力电子技术队电力系统主要参数进行调节与控制，来提高电力系统的可控性、有效性和可靠性的FACTS技术得到了广泛的应用与研究。
基于电压源逆变器的静止同步补偿器(STATCOM，Static SynchronousCompensator)，与传统的晶闸管控制的静止无功功率补偿装置SVC相比具有以下优点：(1)STATCOM调节速度快，补偿范围宽，抗电网波动能力强；(2)采用多电平和PWM技术后可大大减少补偿电流中的谐波含量，噪音小；(3)所用电容器和电抗器体积小，降低了设备体积和成本。
目前，STATCOM的主电路主要包括三种结构，即多重化结构、多电平结构和链式结构。其中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差若干度的方波电压，经过多重化变压器的电磁耦合，在输出端产生三相阶梯波电压，以减小输出谐波。此方法中三相共用一个直流电压，无法进行分相控制，并且变压器损耗大、成本高、占地面积大。多电平结构是采用钳位二极管或电容构成的多电平结构，次结构动态性能好，输出电流谐波少，结构紧凑。但是，当电平超过五后，系统控制复杂度大大升高，而且难以实现电容电压平衡控制。链式结构STATCOM每一相都是一个独立的链，由N个结构完全相同的逆变单元组成。此结构有输出谐波电流小，占地面积少，响应时间短，无功补偿范围宽，易维护，易扩展，成本低等优点，已经成为国内外专家研究的焦点，并逐步应用到高压输电网中。
链式STATCOM的核心部分是模块化的电压源逆变器，传统的链式结构模块由两电平H桥模块组成。此方式结构简单、易实现，但是在电压等级高的情况下两电平H桥串连模块多，这既增加了装置的体积，也增加了控制系统的难度。针对这一缺点本发明提出了一种三电平H桥级联的STATCOM，设备在相同电压等级和开关管的情况下，串联模块少、体积小、降低控制系统复杂度、增加了设备可靠性。
发明内容
本发明的目的是克服现有的级联STATCOM的不足，对于高压系统串联模块多的缺陷，提供一种由三电平H桥模块级联的STATCOM，此拓扑结构的单个模块耐压等级高，体积小，输出电流谐波少。
根据本发明的一个方面，提供一种电压源逆变模块，包括依次连接的旁路开关电路、三电平H桥、直流侧电容电压放电回路，其中：
所述旁路开关电路用于实现保护功能，所述旁路开关电路并联在所述三电平H桥的交流输出侧，
所述三电平H桥用于完成电压源逆变模块的直流到交流的逆变功能，所述三电平H桥包括两个二极管钳位的三电平桥臂、以及由两个直流侧储能电容器C1、C2构成的电容器组，两个二极管钳位的三电平桥臂和电容器组并联连接，两个三电平桥臂的阳极均与电容器组的正极相连，两个三电平桥臂的阴极均与电容器组的负极相连，两个三电平桥臂的中性点均与电容器组的中性点相连，两个三电平桥臂的中点构成交流输出点；
所述直流侧电容电压放电回路用于完成直流侧储能电容器电压过高、直流侧储能电容器电压不均衡、电压源逆变模块紧急或正常退出时的直流侧储能电容器放电，所述直流侧电容电压放电回路包括全控型器件T9、T10和放电电阻R1、R2，全控型器件T9、放电电阻R1串联后并联在直流侧储能电容器C1两端，全控型器件T10、放电电阻R2串联后并联在直流侧储能电容器C2两端。
优选地，所述三电平H桥包括由全控型器件构成的桥臂。
优选地，所述全控型器件为绝缘栅双极晶体管、门极换流晶闸管、门极可关断晶闸管、电力晶体管、或电力场效应晶体管。
根据本发明的另一个方面，还提供一种基于三电平H桥级联的单相链式静止同步补偿器，包括串联的多个权利要求1至3中任一项所述的电压源逆变模块。
优选地，当电压源逆变模块正常工作时所述旁路开关电路为开路状态，所述三电平H桥的交流侧电流在所述三电平H桥中流过；当电压源逆变模块内部发生故障时，所述旁路开关电路导通，所述三电平H桥的交流侧电流在旁路开关电路中流过，实现故障电压源逆变模块的在线切除。
根据本发明的又一个方面，还提供一种基于三电平H桥级联的静止同步补偿器，包括多个权利要求4或5所述的单相链式静止同步补偿器和多个连接电抗器，其中，所述连接电抗器用于滤除换流链产生的高次谐波电流，所述连接电抗器置于每一单相链式静止同步补偿器的两端，多个单相链式静止同步补偿器之间三角形连接，所述三角形连接具体为：三个由电抗器和单相链式静止同步补偿器组成的电路依次首尾链接。
优选地，还包括冷却系统、避雷器、预充电回路，其中，所述冷却系统用于静止同步补偿器中换流链和连接电抗器的冷却；所述避雷器与单相链式静止同步补偿器并联连接，所述避雷器用于实现单相链式静止同步补偿器的过电压保护；所述预充电回路与单相链式静止同步补偿器串联，所述预充电回路用于实现静止同步补偿器上电时对直流侧储能电容器进行预充电。
根据本发明的再一个方面，还提供一种基于三电平H桥级联的静止同步补偿器，包括多个权利要求4或5所述的单相链式静止同步补偿器和多个连接电抗器，其中，所述连接电抗器用于滤除换流链产生的高次谐波电流，所述连接电抗器置于所述单相链式静止同步补偿器与电网侧连接的一端，多个单相链式静止同步补偿器之间星形连接，所述星形连接具体为：三个单相链式静止同步补偿器非连接所述连接电抗器的一端端接在一个公共节点上。
优选地，还包括冷却系统、避雷器、预充电回路，其中，所述冷却系统用于静止同步补偿器中换流链和连接电抗器的冷却；所述避雷器与单相链式静止同步补偿器并联连接，所述避雷器用于实现单相链式静止同步补偿器的过电压保护；所述预充电回路与单相链式静止同步补偿器串联，所述预充电回路用于实现静止同步补偿器上电时对直流侧储能电容器进行预充电。
更为具体地，为了达到以上发明目的，STATCOM主电路的每一相都是由多个相同结构的链式单元串联而成，其中包括冷却系统、连接电抗器、避雷器、预充电回路和电压源逆变功率模块：
所述连接电抗器的作用是滤除换流链产生的高次谐波电流，实现STATCOM与电网系统之间的能量交换。当STATCOM为三角形连接时，连接电抗器置于每一相的电压源逆变模块链的两端；当其为星形连接时，连接电抗器置于电压源逆变模块链与电网侧连接的一端；
所述避雷器与电压源逆变模块链并联使用，用于实现电压源逆变模块链的过电压保护；
所述预充电回路与电压源逆变模块链串联，用于实现主回路上电时对直流侧电容进行预充电；
所述冷却系统用于主回路的冷却；
所述电压源逆变功率模块，由全控型电力电子器件、功率二极管、放电电路、旁路开关电路和电容器组成。其中全控电力电子器件和功率二极管实现功率模块的换相，电容器为直流侧储能元件，放电电路和旁路开关电路用于功率模块在线投切；
其中，电压源逆变模块中换相部分与直流侧储能部分为三电平H桥结构。H桥结构的两个桥臂由单相的三电平桥臂并联组成，直流侧储能电容部分由两个相同电抗参数的单个电容或者电容组串联而成，直流侧电容的中性点与两H桥中性点相连。三电平结构桥臂包括：二极管钳位型三电平，电容钳位型三电平和全控型器件钳位的三电平(ANPC)结构。
其中，放电电路由全控型电力电子器件与放电电阻组成，主要用于当直流电容电压过高、直流侧电容电压不均衡、逆变模块紧急或者正常退出时的直流侧电容放电。
其中，旁路开关电路主要实现链节模块的在保护功能，并联在H桥逆变电路的交流输出侧。当链节模块正常工作时其为开路状态，交流侧电流在H桥逆变电路中流过；当链节模块内部发生故障时，主控制器经过故障判断发出命令，封锁H桥逆变电路，同时使旁路电路导通，输出电流在旁路电路中流过，实现故障链节的在线切除。
此H桥逆变模块比两电平H桥模块耐压增高一倍，功率密度大，可以有效减小STATCOM设备的体积，降低其复杂程度，增加稳定和可靠性。
以上所述的的全控型电力电子器件包括：绝缘栅双极晶体管(IGBT)、门极换流晶闸管(IGCT)、门极可关断晶闸管(GTO)、电力晶体管(GTR)和电力场效应晶体管(P-MOSFET)。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明单相组成示意图，其由n个电压源逆变模块串联而成。
图2为本发明的三相STATCOM与电网连接的不同接法示意图：图中左侧为星形接法、右侧为角形接法。
图3为STATCOM电压源逆变模块的内部主回路结构示意图，全控型器件为IGBT。
图4为STATCOM电压源逆变模块的内部主回路结构示意图，全控型器件为IGCT。
图5为依据本发明的电压等级为35KV的STATCOM系统主接线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
链式STATCOM是电力电子技术、计算机控制技术和控制理论发展的产物，它并联于电力系统中，通过对系统电压和电流的检测和采集，计算出系统要补偿的无功功率补偿量，然后通过控制STATCOM设备输出电压的幅值和相位来补偿。其与采用变压器多重化逆变器的STATCOM相比较：节省了多重化变压器，这大大降低了装置的损耗和整个补偿设备的占地面积；其单相逆变桥由独立的电压源逆变单元链组成，基于实现模块化和冗余运行，提高了设备可靠性，并可实现独立分相控制，有利于解决系统三相不平衡的补偿问题。
图1为链式STATCOM的单相组合示意图，其由n个结构相同的电压源逆变模块组成，第i个电压源逆变模块的输出电压为Vki，i＝1，2，...，n，链式STATCOM的输出电压Vs为n个电压源逆变模块输出电压的和：
Vs＝Vk1+Vk2+…+Vkn
图2为链式STATCOM三相结构与电网并联示意图，包括星型接法和角型接法两种。STATCOM不同的接法，对电抗器的接法要求也不同：当采用星型接法时，三个电抗器分别串联在每一相的逆变模块链与电网连接的一侧；当采用角型接法时需要六个电抗器，分别串联在每一相的逆变模块链的两端。
图3和图4为由全控型器件IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)和IGCT(Intergrated Gate Commutated Thyristors，集成栅极换流晶闸管)实现的，基于三电平H桥结构的电压源逆变模块的内部主回路结构示意图。两图中只是全控型功率管不同，所以拿以IGBT实现的图来进一步描述电压源逆变模块的内部结构，如图3所示。电压源逆变模块内部主回路包括：三电平H桥、直流侧电容电压放电回路和旁路开关电路。
所述三电平H桥用于完成电压源逆变模块的直流到交流的逆变功能，由两个二极管钳位的三电平桥臂和直流侧储能电容器并联而成。其中，两个二极管钳位的三电平桥臂由全控型功率管T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8和钳位二极管D1、D2、D3、D4组成，直流侧储能电容器由两个型号相同的电容器C1、C2串联组成。其中两个三电平桥臂的阳极(即T1、T5的集电极)与电容器组的正极(即C1的正极)相连，两个三电平桥臂的阴极(即T4、T8的发射极)与电容器组的负极(即C2的负极)相连，两个三电平桥臂的中性点(即D1、D2的连接点和D3、D4的连接点)与电容器组的中性点(即C1、C2的连接点)相连，三电平H桥结构的交流输出点为两个三电平桥臂的中点，即为T2、T3的连接点和T6、T7的连接点。
所述直流侧电容电压放电回路主要完成直流电容电压过高、直流侧电容电压不均衡、逆变模块紧急或正常退出时的直流侧电容放电。所述直流侧电容电压放电回路由全控型功率管T9、T10和放电电阻R1、R2组成。T9、R1串联后并联在电容器C1两端，T10、R2串联后并联在电容器C2两端。可以通过控制功率管来完成对直流侧电容组的均衡和放电控制。
所述旁路开关电路主要实现链节模块的保护功能，并联在三电平H桥的交流输出侧。旁路开关电路主要要求操作具有快速性和通流能力高的特性，一般选用基于电力电子器件的旁路手段由晶闸管或者IGBT反向串、并联实现，此方法实现简单，但是成本比较高、电子电子器件要求配置电路复杂。用功率二极管与全控功率管实现，将交流侧电压整流成直流，直流侧由全控功率管控制，此方法成本相对较低，电路简单，但是旁路损耗大。用机械开关实现旁路电路，此方法与上两种方法比，电路结构简单，器件元件少，成本低。
综上所述依据本发明的STATCOM系统，应用在35KV电网系统上的主接线图如图5所示。基于三电平H桥结构的链式STATCOM系统为星型连接方式，通过一台隔离刀闸(带接地)QSl、一台断路器QF、三只电流互感器TA(a，b，c)、一台隔离刀闸QS2和三只避雷器F1(a，b，c)与35KV电网连接。
STATCOM系统主回路中每一相都是由相同个数的三电平H桥模块串联而成，其中三电平H桥模块的内部电路示意图如图3所示。其中每一相三电平H桥链都与一个避雷器(F1、F2、F3)并联，通过电抗器(L1、L2、L3)与预充电回路与系统相连。其中预充电回路分别有预充电电阻(R1、R2、R3)和旁路断路器QF2组成。
基于三电平H桥级联的STATCOM系统，比传统两电平H桥级联STATCOM的电压源逆变模块耐压增高一倍，功率密度大，可以有效减小STATCOM设备的体积，降低其复杂程度，有效增加设备的稳定性和可靠性。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种电压源逆变模块，其特征在于，包括依次连接的旁路开关电路、三电平H桥、直流侧电容电压放电回路，其中：
所述旁路开关电路用于实现保护功能，所述旁路开关电路并联在所述三电平H桥的交流输出侧；
所述三电平H桥用于完成电压源逆变模块的直流到交流的逆变功能，所述三电平H桥包括两个二极管钳位的三电平桥臂、以及由两个直流侧储能电容器C1、C2构成的电容器组，两个二极管钳位的三电平桥臂和电容器组并联连接，两个三电平桥臂的阳极均与电容器组的正极相连，两个三电平桥臂的阴极均与电容器组的负极相连，两个三电平桥臂的中性点均与电容器组的中性点相连，两个三电平桥臂的中点构成交流输出点；
所述直流侧电容电压放电回路用于完成直流侧储能电容器电压过高、直流侧储能电容器电压不均衡、电压源逆变模块紧急或正常退出时的直流侧储能电容器放电，所述直流侧电容电压放电回路包括全控型器件T9、T10和放电电阻R1、R2，全控型器件T9、放电电阻R1串联后并联在直流侧储能电容器C1两端，全控型器件T10、放电电阻R2串联后并联在直流侧储能电容器C2两端。
2.根据权利要求1所述的电压源逆变模块，其特征在于，所述三电平H桥包括由全控型器件构成的桥臂。
3.根据权利要求2所述的电压源逆变模块，其特征在于，所述全控型器件为绝缘栅双极晶体管、门极换流晶闸管、门极可关断晶闸管、电力晶体管、或电力场效应晶体管。
4.一种基于三电平H桥级联的单相链式静止同步补偿器，其特征在于，包括串联的多个权利要求1至3中任一项所述的电压源逆变模块。
5.根据权利要求4所述的基于三电平H桥级联的单相链式静止同步补偿器，其特征在于，当电压源逆变模块正常工作时所述旁路开关电路为开路状态，所述三电平H桥的交流侧电流在所述三电平H桥中流过；当电压源逆变模块内部发生故障时，所述旁路开关电路导通，所述三电平H桥的交流侧电流在旁路开关电路中流过，实现故障电压源逆变模块的在线切除。
6.一种基于三电平H桥级联的静止同步补偿器，其特征在于，包括多个权利要求4或5所述的单相链式静止同步补偿器和多个连接电抗器，其中，所述连接电抗器用于滤除换流链产生的高次谐波电流，所述连接电抗器置于每一单相链式静止同步补偿器的两端，三个单相链式静止同步补偿器之间三角形连接，所述三角形连接具体为：三个由电抗器和单相链式静止同步补偿器组成的电路依次首尾链接。
7.根据权利要求6所述的基于三电平H桥级联的静止同步补偿器，其特征在于，还包括冷却系统、避雷器、预充电回路，其中，所述冷却系统用于静止同步补偿器中换流链和连接电抗器的冷却；所述避雷器与单相链式静止同步补偿器并联连接，所述避雷器用于实现单相链式静止同步补偿器的过电压保护；所述预充电回路与单相链式静止同步补偿器串联，所述预充电回路用于实现静止同步补偿器上电时对直流侧储能电容器进行预充电。
8.一种基于三电平H桥级联的静止同步补偿器，其特征在于，包括多个权利要求4或5所述的单相链式静止同步补偿器和多个连接电抗器，其中，所述连接电抗器用于滤除换流链产生的高次谐波电流，所述连接电抗器置于所述单相链式静止同步补偿器与电网侧连接的一端，三个单相链式静止同步补偿器之间星形连接，所述星形连接具体为：三个单相链式静止同步补偿器非连接所述连接电抗器的一端接在一个公共节点上。
9.根据权利要求8所述的基于三电平H桥级联的静止同步补偿器，其特征在于，还包括冷却系统、避雷器、预充电回路，其中，所述冷却系统用于静止同步补偿器中换流链和连接电抗器的冷却；所述避雷器与单相链式静止同步补偿器并联连接，所述避雷器用于实现单相链式静止同步补偿器的过电压保护；所述预充电回路与单相链式静止同步补偿器串联，所述预充电回路用于实现静止同步补偿器上电时对直流侧储能电容器进行预充电。
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