CN112186776A - 功率模块旁路结构、svg旁路系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率模块旁路结构，包括多个旁路电路和取电模块；所有旁路电路均与功率模块并接；响应于功率模块为工作功率模块，所有旁路电路均处于关断状态；响应于功率模块为冗余功率模块，所有旁路电路均处于导通状态；取电模块直接从交流电网取电，给所有旁路电路供电。同时公开了相应的SVG旁路系统及控制方法。本发明采用多个旁路电路并联结构，对功率模块进行了双重保护，增强了旁路的可靠性，避免了旁路因重度故障而导致旁路失败，同时取电模块直接从交流电网取电，突破了传统的从直流侧或交流侧的复杂取电电路，增强了旁路供能的可靠性。

Description

功率模块旁路结构、SVG旁路系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种功率模块旁路结构、SVG旁路系统及控制方法，属于无功补偿装置设计领域。

背景技术

链式高压静止无功发生装置（Static Var Generator，SVG），采用可关断电力电子器件（如IGBT）组成自换相桥式电路，经过电抗器并联在电网上，适当地调节桥式电路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。迅速吸收或者发出所需的无功功率，实现快速动态调节无功的目的。作为有源形补偿装置，不仅可以跟踪冲击型负载的冲击电流，而且可以对谐波电流也进行跟踪补偿。

由四个IGBT组成的H桥电路为链式高压静止无功发生装置的最基本单元，每相由N个功率模块串联而成，其中包含M个主工作回路的功率模块和（N-M）个冗余工作回路的冗余功率模块，通过三相星形接法实现高压输出，N个基本功率模块串联可得到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。

旁路结构用于保护链式高压静止无功发生装置，并联于功率模块的两侧，当功率模块发生故障时，旁路结构对故障功率模块进行旁路，保证SVG能够继续平稳运行，但是目前常见的旁路结构可靠性低。

发明内容

本发明提供了一种功率模块旁路结构、SVG旁路系统及控制方法，解决了现有旁路结构可靠性低的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

功率模块旁路结构，包括多个旁路电路和取电模块；

所有旁路电路均与功率模块并接；响应于功率模块为工作功率模块，所有旁路电路均处于关断状态；响应于功率模块为冗余功率模块，所有旁路电路均处于导通状态；

取电模块直接从交流电网取电，给所有旁路电路供电。

旁路电路包括第一旁路电路和第二旁路电路，第一旁路电路为与功率模块并接的双向晶闸管，第二旁路电路位于功率模块并接的机械开关。

双向晶闸管的两端还并接有RC串联电路。

取电模块包括串联取电模块和并联取电模块，串联取电模块串接在功率模块所连交流线上，并联取电模块与功率模块并接。

SVG旁路系统，包括控制器和与功率模块一一对应的若干旁路结构，控制器连接所有取电模块、所有功率模块和所有旁路电路。

SVG旁路系统的控制方法，包括，

响应于检测到某相若干工作功率模块重度故障、且该相冗余功率模块数量大于重度故障的工作功率模型数量，向重度故障工作功率模块对应的至少一个旁路电路发出切换指令，将旁路电路从关断状态转换为导通状态，使重度故障工作功率模块退出；

向该相与重度故障工作功率模块数量一致的冗余功率模块发出导通指令，向对应的旁路电路发出切换指令，将旁路电路从导通状态转换为关断状态，使冗余功率模块投入。

在发出切换指令之前，先检测取电模块和旁路电路是否正常，响应于取电模块正常、至少一个旁路电路正常，向正常的旁路电路发出切换指令。

还包括向脉宽调制电路发出电压调节指令，使SVG的三相电压保持平衡。

响应于检测到工作功率模块故障为重度故障，向后台发出维修通知；响应于接收到重度故障工作功率模块维修完成的反馈，根据该功率模块低压测试反馈的波形，判断维修后的重度故障工作功率模块是否正常，若正常，则将其转换成冗余功率模块。

本发明所达到的有益效果：1、本发明采用多个旁路电路并联结构，对功率模块进行了双重保护，增强了旁路的可靠性，避免了旁路因重度故障而导致旁路失败，同时取电模块直接从交流电网取电，突破了传统的从直流侧或交流侧的复杂取电电路，增强了旁路供能的可靠性；2、本发明的旁路结构与冗余功率模块配合使用，工作功率模块发生重度故障时，导通旁路电路，重度故障功率模块退出链结，关断冗余功率模块的旁路电路，冗余功率模块投入使用，避免了因功率模块发生重度故障而需停止SVG、更换功率模块的问题；2、当功率模块发生重度故障时，只有当重度故障模块旁路结构全部故障导致旁路失败，或冗余功率模块已超出使用量，SVG才需工程技术人员对其进行停机维护，降低维护量；3、功率模块、旁路电路、取电模块等均由控制器控制，故障模块经过控制器检测后由控制器发送动作指令，完成操作，操作方便。

附图说明

图1为SVG的电气图；

图2为SVG的示意图；

图3为主工作回路功率模块双旁路结构图

图4为冗余工作回路功率模块双旁路结构图；

图5为系统的结构图；

图6为低压测试结构图；

图7为输出波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，为目前SVG的电气图，包括依次连接的进线断路器QF1、变压器，接触器KM、串联电抗器和SVG；其中，接触器KM两端并接第一充电电阻，SVG包括取电模块、功率模块和旁路电路，取电模块为储能单元。其启动逻辑为SVG直挂在交流电网上，合上进线断路器QF1，电流流经变压器、第一充电电阻、电抗器、SVG，实现对第一充电电阻、储能单元和功率模块的充电，待第一充电电阻充电完成，接触器KM闭合将第一充电电阻旁路，高压合闸允许信号传至SVG，SVG可启动运行，如果 SVG发生故障，导致停机，为了保护设备及电站其他设备，除了接触器KM会跳闸，进线断路器QF1也会同时跳闸。

如图2所示为SVG的示意图，同一相内功率模块串联，串联电路通过三相星形接法实现高压输出，其级联数根据具体电网电压和SVG容量计算而得，每相分为主工作回路和冗余工作回路，主工作回路包括适应电网平稳运行的一定数量的功率模块，这些功率模块为工作功率模块，冗余工作回路包含一定数量的冗余功率模块，这些功率模块为冗余工作功率模块。两条工作回路所包含的功率模块相同。

工作功率模块和冗余功率模块的结构一致，如图3和4所示，功率模块包括放电电路和H桥电路，放电电路由电阻R1和电容C1并联组成，用于功率模块出现紧急情况或者正常退出时，直流电容进行放电，H桥电路结构由四个IGBT组成，为功率模块核心电路用以输出补偿电压。

功率模块旁路结构，包括多个旁路电路和取电模块。所有旁路电路均与功率模块并接；若功率模块为工作功率模块，所有旁路电路均处于关断状态；若功率模块为冗余功率模块，所有旁路电路均处于导通状态；取电模块直接从交流电网取电，给所有旁路电路供电。

图中的旁路结构为双旁路电路，第一旁路电路和第二旁路电路，第一旁路电路为与功率模块并接的双向晶闸管，为防止双向晶闸管因电流过大而出现误导通现象，双向晶闸管的两端还并接有RC串联电路（即电阻R2和电容C2串联电路），第二旁路电路位于功率模块并接的机械开关，具体采用磁吸式机械开关。工功率模块对应的双向晶闸管和机械开关均为关断状态，冗余功率模块对应的双向晶闸管和机械开关均为导通状态。

取电模块包括串联取电模块和并联取电模块，均为储能单元，串联取电模块串接在功率模块所连交流线上，并联取电模块与功率模块并接。取电模块直接从交流电网取电，待工作功率模块发生故障时，工作功率模块突然掉电，取电模块可为旁路电路进行供电，以保证旁路电路旁路成功。

如图5所示， SVG旁路系统，包括控制器和与功率模块一一对应的若干旁路结构，控制器连接所有取电模块、所有功率模块和所有旁路电路。

SVG旁路系统的控制方法，包括以下步骤：

1）响应于检测到SVG故障、且自复位失败（即自复位后故障仍然存在），判断故障类型。

自复位失败后，进行封锁脉冲检测，判断是否为电网故障、是否为SVG的其他电力设备发生故障，若其中一个成立，则停机；若为旁路电路或取电模块故障（全部故障），则停机，若为工作功率模块故障，则根据预设规则，判定是轻度故障还是重度故障；其中轻度故障发出告警，重度故障进行后续切换操作，并向后台发出维修通知。

2）响应于检测到某相若干工作功率模块重度故障、且该相冗余功率模块数量大于故障的工作功率模型数量，向故障工作功率模块对应的至少一个旁路电路发出切换指令，将旁路电路从关断状态转换为导通状态，使故障工作功率模块退出。

3）向该相与重度故障工作功率模块数量一致的冗余功率模块发出导通指令，向对应的旁路电路发出切换指令，将旁路电路从导通状态转换为关断状态，使冗余功率模块投入。

4）向脉宽调制电路发出电压调节指令，使SVG的三相电压保持平衡。

在发出切换指令之前，先检测取电模块和旁路电路是否正常，响应于取电模块正常、至少一个旁路电路正常，向正常的旁路电路发出切换指令；其中，旁路电路不正常为旁路电路一致保存在断开状态，无法切换。

5）响应于接收到重度故障工作功率模块维修完成的反馈，根据该功率模块低压测试反馈的波形，判断维修后的重度故障工作功率模块是否正常，若正常，则将其转换成冗余功率模块。

如图6所示为功率模块低压测试结构，包括第二充电电阻、空气开关、低压交流电源（380V）和示波器。其中，示波器需加装隔离变压器，使一次侧与二次侧的电气完全隔离，也使该回路隔离，另外，利用其铁芯的高频损耗大的特点，从而抑制高频杂波传入控制回路。

空气开关闭合，低压交流电源对功率模块的电容进行充电，中间经过第二充电电阻，第二充电电阻起限流作用，充电完成，空气开关断开，功率模块中电容进行放电，对功率模块施加脉冲，功率模块主控板，驱动板，IGBT工作，观察功率模块输出电压波形，若波形为方波波形（功率模块数量越多，波形越趋向于正弦波），则说明故障模块已正常，具备投运条件；具体输出电压波形见图7。

本发明的旁路结构与冗余功率模块配合使用，工作功率模块发生重度故障时，导通旁路电路，重度故障功率模块退出链结，关断冗余功率模块的旁路电路，冗余功率模块投入使用，避免了因功率模块发生重度故障而需停止SVG、更换功率模块的问题。本发明采用多个旁路电路并联结构，对功率模块进行了双重保护，增强了旁路的可靠性，避免了旁路因重度故障而导致旁路失败，同时取电模块直接从交流电网取电，突破了传统的从直流侧或交流侧的复杂取电电路，增强了旁路供能的可靠性。当功率模块发生重度故障时，只有当重度故障模块旁路结构全部故障导致旁路失败，或冗余功率模块已超出使用量，SVG才需工程技术人员对其进行停机维护，降低维护量。本发明的功率模块、旁路电路、取电模块等均由控制器控制，故障模块经过控制器检测后由控制器发送动作指令，完成操作，操作方便。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.功率模块旁路结构，其特征在于：包括多个旁路电路和取电模块；

所有旁路电路均与功率模块并接；响应于功率模块为工作功率模块，所有旁路电路均处于关断状态；响应于功率模块为冗余功率模块，所有旁路电路均处于导通状态；

取电模块直接从交流电网取电，给所有旁路电路供电。

2.根据权利要求1所述的功率模块的旁路结构，其特征在于：旁路电路包括第一旁路电路和第二旁路电路，第一旁路电路为与功率模块并接的双向晶闸管，第二旁路电路位于功率模块并接的机械开关。

3.根据权利要求2所述的功率模块的旁路结构，其特征在于：双向晶闸管的两端还并接有RC串联电路。

4.根据权利要求1所述的功率模块的旁路结构，其特征在于：取电模块包括串联取电模块和并联取电模块，串联取电模块串接在功率模块所连交流线上，并联取电模块与功率模块并接。

5.SVG旁路系统，其特征在于：包括控制器和与功率模块一一对应的若干权利要求1~4任意一项所述的旁路结构，控制器连接所有取电模块、所有功率模块和所有旁路电路。

6.基于权利要求5所述SVG旁路系统的控制方法，其特征在于：包括，

响应于检测到某相若干工作功率模块重度故障、且该相冗余功率模块数量大于重度故障的工作功率模型数量，向重度故障工作功率模块对应的至少一个旁路电路发出切换指令，将旁路电路从关断状态转换为导通状态，使重度故障工作功率模块退出；

向该相与重度故障工作功率模块数量一致的冗余功率模块发出导通指令，向对应的旁路电路发出切换指令，将旁路电路从导通状态转换为关断状态，使冗余功率模块投入。

7.根据权利要求6所述的SVG旁路系统的控制方法，其特征在于：在发出切换指令之前，先检测取电模块和旁路电路是否正常，响应于取电模块正常、至少一个旁路电路正常，向正常的旁路电路发出切换指令。

8.根据权利要求6所述的SVG旁路系统的控制方法，其特征在于：还包括向脉宽调制电路发出电压调节指令，使SVG的三相电压保持平衡。

9.根据权利要求6所述的SVG旁路系统的控制方法，其特征在于：响应于检测到工作功率模块故障为重度故障，向后台发出维修通知；响应于接收到重度故障工作功率模块维修完成的反馈，根据该功率模块低压测试反馈的波形，判断维修后的重度故障工作功率模块是否正常，若正常，则将其转换成冗余功率模块。

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