1、许继集团公司许继集团公司20062006年年9 9月月内容提要内容提要 电力电子技术在电力系统应用概述电力电子技术在电力系统应用概述 STATCOMSTATCOM（静止同步补偿装置）工作原理（静止同步补偿装置）工作原理 高压大功率主电路方案比较及器件选型高压大功率主电路方案比较及器件选型 链式主电路拓扑系统方案设计链式主电路拓扑系统方案设计 阀单元设计阀单元设计 阀体型式试验阀体型式试验 IGCTIGCT损坏原因分析改进措施损坏原因分析改进措施 总结总结我国电网面临的技术问题我国电网面临的技术问题 1.我国电网输电能力总体水平偏低，不能很好地适应远距我国电网输电能力总体水平偏低，不能很好地适应
2、远距离、大容量输电的需要；离、大容量输电的需要；2.电网规模不断扩大，结构日益复杂，电网安全稳定问题电网规模不断扩大，结构日益复杂，电网安全稳定问题较为突出；较为突出；3.大负荷中心动态电压支持不足，电网电压稳定问题严重；大负荷中心动态电压支持不足，电网电压稳定问题严重；4.部分电网的短路容量超过或接近开关遮断容量，已经成部分电网的短路容量超过或接近开关遮断容量，已经成为电网运行的重大安全隐患；为电网运行的重大安全隐患；5.电网损耗较大，电网总体效率和效益有待于进一步提高；电网损耗较大，电网总体效率和效益有待于进一步提高；6.在国家环保要求不断趋严和输电走廊资源有限的条件下，在国家环保要求不断
3、趋严和输电走廊资源有限的条件下，如何提高和改善输变工程走廊资源利用率；如何提高和改善输变工程走廊资源利用率；7.电力市场环境下，如何实现对电力潮流的有效控制；电力市场环境下，如何实现对电力潮流的有效控制；8.供电系统所提供的常规电能已经不能满足敏感性负荷的供电系统所提供的常规电能已经不能满足敏感性负荷的特殊要求。特殊要求。电力输电系统面临的挑战电力输电系统面临的挑战o 需求需求n 传输更多的功率传输更多的功率n 更好的电能质量更好的电能质量n 更高的可靠性更高的可靠性n 更低的成本更低的成本o 限制限制n 安全极限安全极限n 扰动性负荷扰动性负荷n 开放性要求开放性要求n 环境影响和规划许可环
4、境影响和规划许可远距离输电及负荷波动带来的问题远距离输电及负荷波动带来的问题0MW 弗雷迪效应弗雷迪效应800 km500kV目标目标 800MW 负荷负荷1000MW 系统崩溃系统崩溃500kV500kV800MWGeneration800MWLoad500kVPower500kV500kV 输电线输电线(未补偿未补偿)补偿后的传输容量变化补偿后的传输容量变化800 km线路长度线路长度500kV目标目标 1000MW SVC带来容量提高带来容量提高500kV500kV1000MWGeneration1000MWLoad500kV1000MW500kVSVCSVC并联补偿线路并联补偿线路电力
5、电子技术在电力系统的应用前景电力电子技术在电力系统的应用前景 电力电子技术应用提高输电能力储能、新能源和分布发电节能、降耗精确、快速控制更大容量、更大范围的电力交换环保和可持续发展更加经济、高效电网更加安全、可靠 以以HVDCHVDC、FACTSFACTS、DFACTSDFACTS为代表的电力电子技术可以在为代表的电力电子技术可以在电力系统的输配电各个环节发挥作用，提高电网的灵活性电力系统的输配电各个环节发挥作用，提高电网的灵活性与可控性，实现电网的经济性、可靠性、环保性和高效性与可控性，实现电网的经济性、可靠性、环保性和高效性的发展目标。其中的发展目标。其中FACTS/DFACTSFACTS
6、/DFACTS技术是逐渐加入现行的交技术是逐渐加入现行的交流系统，而不是摒弃现有系统，可以与现行的交流输电系流系统，而不是摒弃现有系统，可以与现行的交流输电系统并行发展、完全兼容，具有强大的技术生命力。统并行发展、完全兼容，具有强大的技术生命力。柔性电力系统 在交流输电系统中，引入各类并联型、串联型在交流输电系统中，引入各类并联型、串联型电力电子补偿控制器，可显著增大交流输电的可控电力电子补偿控制器，可显著增大交流输电的可控性，提高交流输电极限容量，改善电力系统运行安性，提高交流输电极限容量，改善电力系统运行安全稳定性和经济性，使交流输电系统成为控制灵活全稳定性和经济性，使交流输电系统成为控制
7、灵活的柔性交流输电系统（的柔性交流输电系统（Flexible AC Transmission System，简称，简称FACTS）。在发电、输电、配电和负）。在发电、输电、配电和负载用电整个电力系统中广泛采用电力电子技术，引载用电整个电力系统中广泛采用电力电子技术，引入各类电力电子补偿控制器和电力电子变换器，可入各类电力电子补偿控制器和电力电子变换器，可以改善电力系统的结构，为电力系统提供众多有效以改善电力系统的结构，为电力系统提供众多有效的控制手段，显著提高电力系统发电、输电、配电的控制手段，显著提高电力系统发电、输电、配电和负载用电的可控性。和负载用电的可控性。柔性电力系统 在这种电力系统
8、中再配置各地电力设备运行工在这种电力系统中再配置各地电力设备运行工况和运行参数的实时、同步定时监（视）、测（量）况和运行参数的实时、同步定时监（视）、测（量）系统，远程实时数据交换和通信系统，在各级信息系统，远程实时数据交换和通信系统，在各级信息处理、监控的基础上，中央信息处理和决策管理系处理、监控的基础上，中央信息处理和决策管理系统集中完成对监测数据的处理，运行状态的分析，统集中完成对监测数据的处理，运行状态的分析，按一定的控制目标形成控制决策和相关的控制指令，按一定的控制目标形成控制决策和相关的控制指令，在电力系统正常运行和暂态过程中，利用从传统经在电力系统正常运行和暂态过程中，利用从传统
9、经典控制到基于现代控制理论的智能控制技术，对各典控制到基于现代控制理论的智能控制技术，对各地的电力电子补偿控制器和相关电力设备的运行进地的电力电子补偿控制器和相关电力设备的运行进行实时、适式、灵活、有效地协调控制行实时、适式、灵活、有效地协调控制 柔性电力系统 这将使现今系统结构不够合理、缺乏有效的控制这将使现今系统结构不够合理、缺乏有效的控制手段的传统电力系统，无论是发电、输电、配电和负手段的传统电力系统，无论是发电、输电、配电和负载电能应用都将获得更高的安全可靠性，更好的经济载电能应用都将获得更高的安全可靠性，更好的经济效益，更灵活有效的控制特性，更好的运行特性和供效益，更灵活有效的控制特
10、性，更好的运行特性和供电质量。电质量。随着电力电子技术的广泛应用和电力系统控制技随着电力电子技术的广泛应用和电力系统控制技术的不断发展，传统电力系统将成为一个运行更加安术的不断发展，传统电力系统将成为一个运行更加安全、可靠、经济、优质、控制更为灵活的柔性电力系全、可靠、经济、优质、控制更为灵活的柔性电力系统统FPS(Flexible Power System)，传统电力系统将发生，传统电力系统将发生革命性的变革，同时也将推动电力电子技术在更高水革命性的变革，同时也将推动电力电子技术在更高水平上的新发展。平上的新发展。FACTS FACTS 柔性交流输电技术柔性交流输电技术Parallel Co
11、mpensationSeries CompensationG G 0Load-Flow Control 0PmaxPm功角曲线功角曲线306090120 150 180负荷曲线负荷曲线稳定运行点稳定运行点 不稳定运行点不稳定运行点FACTS FACTS 柔性交流输电技术柔性交流输电技术FACTS装置种类及其主要功能装置种类及其主要功能序序号号名称名称接入接入方式方式换流换流方式方式主要功能主要功能 1 1可控串联电抗器可控串联电抗器(TCR)(TCR)串联串联自然自然电流控制、暂态稳定、电压稳定、抑制故障电流电流控制、暂态稳定、电压稳定、抑制故障电流 2 2可控制动电阻器可控制动电阻器(TCB
12、R)(TCBR)串联串联自然自然谐波抑制、暂态稳定谐波抑制、暂态稳定3 3可控串联电容补偿器（可控串联电容补偿器（TCSCTCSC）串联串联自然自然电流控制、暂态稳定、电压稳定、抑制故障电流电流控制、暂态稳定、电压稳定、抑制故障电流44 可控移相器可控移相器(TCPR)(TCPR)串联串联自然自然有功控制、暂态稳定、电压稳定有功控制、暂态稳定、电压稳定5 5短路电流限制器（短路电流限制器（SCCLSCCL）串联串联自然自然抑制故障电流抑制故障电流6 6可控并联电容器（可控并联电容器（TSCTSC）并联并联自然自然电压控制、无功补偿、暂态稳定、电压稳定电压控制、无功补偿、暂态稳定、电压稳定77
13、静止无功补偿器（静止无功补偿器（SVCSVC）并联并联自然自然电压控制、无功补偿、暂态稳定、电压稳定电压控制、无功补偿、暂态稳定、电压稳定88 静止同步补偿器（静止同步补偿器（STATCOMSTATCOM）并联并联强迫强迫电压控制、无功补偿、谐波抑制、暂态稳定、电压稳定电压控制、无功补偿、谐波抑制、暂态稳定、电压稳定9 9静止同步串联补偿器静止同步串联补偿器(SSSC)(SSSC)串联串联强迫强迫电流控制、谐波抑制、暂态稳定、电压稳定、抑制故障电流控制、谐波抑制、暂态稳定、电压稳定、抑制故障电流电流1010统一潮流控制器（统一潮流控制器（UPFCUPFC）串联串联并联并联强迫强迫有功控制、无功
14、控制、电压控制、无功补偿、谐波抑制、有功控制、无功控制、电压控制、无功补偿、谐波抑制、暂态稳定、电压稳定、抑制故障电流暂态稳定、电压稳定、抑制故障电流1111可转换静止补偿器可转换静止补偿器(CSC)(CSC)串联串联并联并联强迫强迫有功控制、无功控制、电压控制、无功补偿、谐波抑制、有功控制、无功控制、电压控制、无功补偿、谐波抑制、暂态稳定、电压稳定、抑制故障电流暂态稳定、电压稳定、抑制故障电流DFACTS装置种类及其主要功能装置种类及其主要功能 序序号号名称名称接入接入方式方式换流换流方式方式主要功能主要功能1 1动态电压恢复器动态电压恢复器(DVR)(DVR)串联串联强迫强迫抑制系统的电压
15、波动、不平衡、高次谐波等对负抑制系统的电压波动、不平衡、高次谐波等对负荷的影响荷的影响22静止同步补偿器静止同步补偿器（DSTATCOMDSTATCOM）)并联并联强迫强迫抑制负荷所产生的高次谐波、不对称、无功和闪抑制负荷所产生的高次谐波、不对称、无功和闪变等对系统的影响变等对系统的影响33 有源滤波器有源滤波器(APF)(APF)串联串联强迫强迫补偿负荷的谐波电压补偿负荷的谐波电压并联并联强迫强迫补偿负荷的谐波电流补偿负荷的谐波电流4 4统一电能质量补偿器统一电能质量补偿器(UPQC)(UPQC)串联串联并联并联强迫强迫同时具备同时具备DSTATCOM DSTATCOM 和和DVRDVR的功
16、能的功能55 固态断路器（固态断路器（SSBSSB）串联串联自然自然实现快速无弧投切，避免操作过电压实现快速无弧投切，避免操作过电压6 6固态转换开关固态转换开关(SSTS)(SSTS)并联并联自然自然实现快速无弧投切，避免操作过电压实现快速无弧投切，避免操作过电压7 7飞轮储能系统（飞轮储能系统（FESSFESS）并联并联强迫强迫负荷波动、电压波动、功率因数负荷波动、电压波动、功率因数8 8超导储能系统（超导储能系统（SMESSMES）并联并联强迫强迫负荷波动、电压波动、功率因数负荷波动、电压波动、功率因数9 9电池储能系统（电池储能系统（BESSBESS）并联并联强迫强迫负荷波动、电压波动
17、、功率因数负荷波动、电压波动、功率因数1010静态电压调整器静态电压调整器(SVR)(SVR)串联串联自然自然电压波动电压波动静止无功补偿器的作用模拟静止无功补偿器的作用模拟FACTS FACTS 并联补偿技术发展并联补偿技术发展慢速无功设备慢速无功设备第一代第一代机械开关设备机械开关设备晶闸管控制组件晶闸管控制组件第二代第二代 基于基于VSC的技术的技术GTO,IGBT,IGCT第三代第三代快速无功设备快速无功设备 断路器延迟断路器延迟 2-3 周波周波 1-2 周波周波 响应时间响应时间V-控制控制I-控制控制:1 周波周波FACTS FACTS 并联补偿方案配置并联补偿方案配置MSC/M
18、SRMechanical SwitchedCapacitors/Reactors电抗器 开关电容器SVCStatic Var Compensator电抗器晶闸管阀 控制和保护变压器电容器STATCOMStatic CompensatorGTO/IGBT阀控制和保护变压器直流电容器 保护静止同步补偿器静止同步补偿器（STATCOMSTATCOM）的工作原理）的工作原理STATCOM STATCOM 作用及特点作用及特点特点特点作用作用控制电网无功功率潮流控制电网无功功率潮流稳定系统电压稳定系统电压提高线路输送能力提高线路输送能力抑制系统振荡抑制系统振荡短时有功输出短时有功输出谐波补偿谐波补偿动态
19、补偿动态补偿快速响应能力快速响应能力连续双向调节连续双向调节不会出现过补偿不会出现过补偿安装尺寸小安装尺寸小维护工作量小维护工作量小谐波及无功同时补偿谐波及无功同时补偿有源滤波器有源滤波器(APF)STATCOM STATCOM 补偿特性补偿特性system voltage(p.u.)STATCOMTCRTSC0.4capacitive current(leading)inductive current(lagging)01.0产品简介产品简介 新型静止同步补偿装置（新型静止同步补偿装置（STATCOMSTATic synchronous COMpensator）属于柔性交流输电系统（）属于柔
20、性交流输电系统（FACTSFlexible AC Transmission System）中的电压稳定及控制器，也可用于输电系统的潮流控制。它以大功率三相）中的电压稳定及控制器，也可用于输电系统的潮流控制。它以大功率三相电压型逆变器为核心，其输出电压通过连接电抗接入系统，与系统侧电压保持同频、电压型逆变器为核心，其输出电压通过连接电抗接入系统，与系统侧电压保持同频、同相，通过调节其输出电压幅值与系统电压幅值的关系来确定输出功率的性质，当其同相，通过调节其输出电压幅值与系统电压幅值的关系来确定输出功率的性质，当其幅值大于系统侧电压幅值时输出容性无功，小于时吸收感性无功。幅值大于系统侧电压幅值时输
21、出容性无功，小于时吸收感性无功。STATCOM作为作为FACTS最典型的设备，代表着最典型的设备，代表着FACTS（柔性交流输电）技术的（柔性交流输电）技术的发展方向，也可应用于输电系统及钢厂、电气化铁道等大型工业配电系统。其核心技发展方向，也可应用于输电系统及钢厂、电气化铁道等大型工业配电系统。其核心技术可以应用于其它术可以应用于其它FACTS/DFACTS设备以及各类新能源发电设备。由于设备以及各类新能源发电设备。由于STATCOM调节速度快，响应时间一般小于调节速度快，响应时间一般小于20ms，对提高电力系统稳定性，增加系统阻尼，抑，对提高电力系统稳定性，增加系统阻尼，抑制系统振荡和治理
22、谐波可起到显著作用。随着我国跨区电网建设的迅速发展，电力系制系统振荡和治理谐波可起到显著作用。随着我国跨区电网建设的迅速发展，电力系统的无功问题及动态电压稳定问题日益凸显统的无功问题及动态电压稳定问题日益凸显,装设高压大容量装设高压大容量 STATCOM是解决这一是解决这一问题的一种有效手段。问题的一种有效手段。50MVar STATCOM是由许继集团、清华大学和上海市电力公司联合研发的具是由许继集团、清华大学和上海市电力公司联合研发的具有自主知识产权和五项国家发明专利、达到国际领先水平的第一台有自主知识产权和五项国家发明专利、达到国际领先水平的第一台STATCOM，是国，是国家电网公司倡导的
23、自主创新，产、学、研多方联合，将科技成果转化为生产力的成功家电网公司倡导的自主创新，产、学、研多方联合，将科技成果转化为生产力的成功典范。典范。系统配置方案系统配置方案220kV10kV35kVIGCT换流器+30MVar固定电容器组1+30MVar固定电容器组250MVarSTATCOM110kV/10kV静阀变主变高压大功率的电力电子变换电路高压大功率的电力电子变换电路缺点：器件直接串联、谐波较大、缺点：器件直接串联、谐波较大、dv/dtdv/dt大、绝缘要求高大、绝缘要求高应用领域：工业传动，机车牵引，船舶推进，电力系统应用领域：工业传动，机车牵引，船舶推进，电力系统1.1.中点二极管钳
24、位三电平电路中点二极管钳位三电平电路高压大功率的电力电子变换电路高压大功率的电力电子变换电路2.2.多重化变流器多重化变流器缺点：变压器占地大、成本高、无冗余运行能力、磁非线性导致过电压缺点：变压器占地大、成本高、无冗余运行能力、磁非线性导致过电压和过电流、绝缘由变压器承担和过电流、绝缘由变压器承担高压大功率的电力电子变换电路高压大功率的电力电子变换电路优点优点模块化结构，便于制模块化结构，便于制造，扩容方便造，扩容方便开关频率低，输出电开关频率低，输出电压波形质量好压波形质量好模块输出电流小，功模块输出电流小，功率回路设计简单率回路设计简单采用普通变压器，工采用普通变压器，工艺要求低艺要求低
25、各模块负荷均分各模块负荷均分Cdc110kV馈线A 27.5kV馈线B 27.5kV缺点缺点变压器磁芯独立，制变压器磁芯独立，制造成本高造成本高3.3.变压器隔离型级联主电路拓扑变压器隔离型级联主电路拓扑高压大功率的电力电子变换电路高压大功率的电力电子变换电路优点优点模块化结构，便于制模块化结构，便于制造，扩容方便造，扩容方便开关频率低，输出电开关频率低，输出电压波形质量好压波形质量好模块输出电流小，功模块输出电流小，功率回路设计简单率回路设计简单采用普通变压器，工采用普通变压器，工艺要求低艺要求低各模块负荷均分各模块负荷均分缺点缺点多组电容器，不能进多组电容器，不能进行背靠背连接行背靠背连接
26、TaTb110kV馈线A 27.5kV馈线B 27.5kVCdcCdcCdcCdcCdcCdcCdcCdcCdcCdcLfLf4.4.直流侧独立型级联主电路拓扑直流侧独立型级联主电路拓扑高压大功率的电力电子变换电路高压大功率的电力电子变换电路优点优点模块化结构，便于制模块化结构，便于制造，扩容方便造，扩容方便开关频率低，输出电开关频率低，输出电压波形质量好压波形质量好模块输出电流小，功模块输出电流小，功率回路设计简单率回路设计简单变压器共用磁芯，制变压器共用磁芯，制造成本较低造成本较低缺点缺点共用磁芯，各逆变模共用磁芯，各逆变模块间存在环流，必须块间存在环流，必须对环流进行抑制对环流进行抑制变
27、压器制造工艺复杂变压器制造工艺复杂，设计成本高设计成本高TaCdcTb110kV馈线A 27.5kV馈线B 27.5kV5.5.特殊变压器隔离型级联主电路拓扑特殊变压器隔离型级联主电路拓扑功率半导体器件的发展功率半导体器件的发展1001010.10.01100100010 0001010010 0001000Trend闭锁电压(V)换流器开关频率(kHz)Power-MOS10 kWLV-IGBTHV-IGBTGTOIGCT4 MW7 MW15 MW40 MW趋势关断电流(A)典型额定功率Thyristor1 MW电力半导体器件额定电流的定义电力半导体器件额定电流的定义序号序号器件种类器件种类
28、 基本工况基本工况 额定电流的定义额定电流的定义 相对关系相对关系 1 硅整流管硅整流管 不控整流不控整流 正弦半波电流在正弦半波电流在全波内的平均值全波内的平均值 I I1硅晶闸管硅晶闸管 可控整流可控整流 2 双向晶闸管双向晶闸管全波调压全波调压 正弦全波电流有效值正弦全波电流有效值 2.22I I13GTOIGCT逆变逆变 斩波斩波逆变逆变 斩波斩波 最大可关断最大可关断峰值电流峰值电流 3.14I I14GTRMOSFETIGBTIEGT开关工况开关工况 持续通过的持续通过的直流电流值直流电流值(2-3)I I1 visible LEDvisible LED indicators in
29、dicators Status Feedback Command SignalStatus Feedback Command Signaloptical fibre connectorsoptical fibre connectorspower supply power supply connectionconnectionuV VDRMDRM=4500V=4500VuI ITGQMTGQM=4000A=4000AuV VDClinkDClink=2800V=2800VudiT/dtcr1000A/SdiT/dtcr1000A/SuF Fm m=36kN=36kN44kN44kN功率器件选型功
30、率器件选型IGCT 5SHY 35L4510IGCT 5SHY 35L4510反并联二极管反并联二极管 5SDF 16L45035SDF 16L4503uV VRRMRRM=4500V=4500VuI IFAVMFAVM=1650A=1650AuV VDClinkDClink=2800V=2800VudiT/dtcr600A/SdiT/dtcr600A/SuF Fm m=36kN70kN=36kN70kNIGCT可能的损坏原因可能的损坏原因o 过压过压o 开通开通di/dt超限超限o 过温过温o 开通开通/关断时间过短关断时间过短o 不合适的门极驱动电源（电压不合适的门极驱动电源（电压/绝缘）
31、绝缘）o 不合适的压装应力不合适的压装应力o 不正常的损坏机理不正常的损坏机理IGCTIGCT开通和关断特性开通和关断特性低于低于1000A/uS1000A/uS小于小于3800A3800A低于低于4500V4500V大电流开断试验电路大电流开断试验电路ABBABB标准测试电路标准测试电路实际应用电路实际应用电路基本要求1.峰值电压低于允许值2.开通di/dt1000A/uS3.结温低于允许值4.最小开通/关断时间大于10uS，保证电流分布均匀5.门极交流电源幅值符合数据手册规定6.门极驱动电源与IGCT阳极和阴极绝缘7.压装力在36kN和40kN之间8.IGCT不具备反向阻断能力，其阴极和阳
32、极之间的反向电压不能超过20V级联多电平级联多电平PQCPQC理论模型理论模型等效主电路：逆变单元的级联等效主电路：逆变单元的级联可等效为相等直流侧电容的可可等效为相等直流侧电容的可控导通串联模式，假设逆变单控导通串联模式，假设逆变单元的开关函数为元的开关函数为 ，则级，则级联逆变器的输出为联逆变器的输出为 等效电阻：各级逆变单元在各等效电阻：各级逆变单元在各种导通状态下的组合，因此等种导通状态下的组合，因此等效电阻的大小随着运行状态的效电阻的大小随着运行状态的不同而不同。不同而不同。连接电抗：仅与系统要求有关，连接电抗：仅与系统要求有关，与主电路的形式没有关系。与主电路的形式没有关系。)()
33、()()(21ttttSSSvnf)(tSnSTATCOM STATCOM 阀体阀体单相阀的构成单相阀的构成参数参数数值数值说明说明阀额定工作电压阀额定工作电压10kV rms10kV rms阀最大连续工作电压阀最大连续工作电压13.6kV rms13.6kV rms系统短时过电压系统短时过电压1.3 p.u./1s1.3 p.u./1s阀过电压保护水平阀过电压保护水平1.5 p.u1.5 p.u.链节过电压保护水平链节过电压保护水平DC2650V DC2650V 闭锁闭锁DC3000V DC3000V 放电放电阀避雷器保护水平阀避雷器保护水平30kV(30kV(峰值）峰值）操作冲击波操作冲击
34、波IGCTIGCT额定值额定值4500V/4000A4500V/4000A阀体（每相）链节数阀体（每相）链节数9 91 11 1个冗余链节个冗余链节直流侧最高电压直流侧最高电压DC2450VDC2450V连接电抗连接电抗15%15%直流侧电容直流侧电容80008000F/DC2700V开关频率开关频率150Hz150Hz阀额定工作电流阀额定工作电流1670A rms1670A rms过流保护水平过流保护水平3000A 3000A 瞬时值瞬时值3000A 3000A 闭锁闭锁IGCTIGCT故障电流故障电流11.1kA11.1kA散热方式散热方式水冷水冷最高环境温度最高环境温度45IGCTIGC
35、T阀体参数阀体参数STATCOMSTATCOM三相阀的构成三相阀的构成CDC+_CDC+_A相阀CDC+_CDC+_B相阀CDC+_CDC+_C相阀电抗器升压变压器STATCOM STATCOM 系统接线图系统接线图STATCOM STATCOM 成套装置平面布置图成套装置平面布置图STATCOM Devices LayoutSTATCOM Devices Layout基频优化基频优化PWMPWM控制策略控制策略 通过控制各LINK的开关角度，控制基波输出电压，并在同时寻求一个最优的谐波优化目标。优化函数如下：约束条件：其中 HnnnVKF7,5,3minKiinnnV1cos40901802
36、70360-10-8-6-4-20246810 va1 va2 va3 va4 va5 va6 va7 va8 va9 va1090 180 270 360 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 NiiM1cos/20i1.01ii实测相电压输出相电压各单相桥输出电压优化条件少，对直流电压纹波峰值限制及电压平衡控制不利各变换器三角载波依次相差固定的相位角，各变换器三角载波依次相差固定的相位角，主电路具有较高的开关频率，输出电流谐波含量很小。主电路具有较高的开关频率，输出电流谐波含量很小。相移相移PWMPWM调制及输出电压波形调制及输出电压波形150Hz 150Hz 优化优化PWMPWM
37、控制策略控制策略o使输出电压的基波幅值为控制目标值，并且使各单相桥输出的基波电压幅值相使输出电压的基波幅值为控制目标值，并且使各单相桥输出的基波电压幅值相位完全相同，且对直流电压峰值进行限制；位完全相同，且对直流电压峰值进行限制；o使逆变器总输出电压中的低次谐波性能达到最优。使逆变器总输出电压中的低次谐波性能达到最优。优化目标函数为优化目标函数为:约束条件为约束条件为:102,1,20321iiiiMui1HnnVF7,5,32min101101311)(cos)1(4iijijjninnanEuV090180270360 a12 a13 a91 a92 a93vo1 vo2 vo3 vo4
38、vo5 vo6 vo7 vo8vo9 vo10 a21 a22 a23 a31 a32 a33 a41 a42 a43 a51 a52 a53 a61 a62 a63 a71 a72 a73 a81 a82 a83 a101 a102 a103090180270360-10-50510各单相桥输出电压输出相电压实测相电压mUu50Hz PWM vs50Hz PWM vs 150Hz PWM 150Hz PWM50Hz PWM调制150Hz PWM调制STATCOMSTATCOM关键制造技术关键制造技术 链式单相链式单相H H桥级联拓扑结构主电路桥级联拓扑结构主电路(阀体阀体)电气设计电气设计
39、IGCTIGCT器件应用技术，包括器件压装，电气回路设计器件应用技术，包括器件压装，电气回路设计 10kV10kV无局放小型化隔离变压器设计技术无局放小型化隔离变压器设计技术 水冷阳极电抗器设计技术水冷阳极电抗器设计技术 阀体高压绝缘设计技术阀体高压绝缘设计技术 循环密闭水冷系统设计技术循环密闭水冷系统设计技术 阀体电磁兼容设计技术阀体电磁兼容设计技术 阀体及功率回路的材料工艺设计阀体及功率回路的材料工艺设计 功率器件和功率回路散热设计功率器件和功率回路散热设计 链节电气原理框图链节电气原理框图链节电气原理图链节电气原理图链节功率主电路构成及结构设计链节功率主电路构成及结构设计连接铜排尽可能短
40、连接铜排尽可能短结构对称，布置合理结构对称，布置合理安装维护方便安装维护方便功率电路模块化功率电路模块化电磁兼容设计要求电磁兼容设计要求电气绝缘设计要求电气绝缘设计要求散热设计要求散热设计要求功率半导体器件压装功率半导体器件压装压装组件（阀堆）压装组件（阀堆）压装组件（二极管）压装组件（二极管）器件叠放顺序及连接方式要保证连接最短；器件叠放顺序及连接方式要保证连接最短；压紧力要符合要求；压紧力要符合要求；压装组件要保证器件散热面受力均匀；压装组件要保证器件散热面受力均匀；压装组件要满足电气绝缘的设计要求；压装组件要满足电气绝缘的设计要求；压装组件在器件有效期内应具有稳定的机械性能；压装组件在器
41、件有效期内应具有稳定的机械性能；压装组件的设计应具有安装和维护方便的特点。压装组件的设计应具有安装和维护方便的特点。链节功率单元设计链节功率单元设计STATCOM STATCOM 链节设计链节设计阀串器件叠放顺序阀串器件叠放顺序PNPNPRAPLAPLBPRBDRBDRADLADLBPN左桥臂右桥臂(a)(a)链节原理图链节原理图 (b)(b)叠放顺序叠放顺序1 (c)1 (c)叠放顺序叠放顺序2 2阀体型式试验阀体型式试验试验试验试验对象试验对象阀端对地电介质试验阀端对地电介质试验交流电压试验交流电压试验阀阀雷电冲击试验雷电冲击试验阀阀阀端间电介质试验阀端间电介质试验交流电压试验交流电压试验
42、阀阀操作冲击试验操作冲击试验阀阀链节端间电介质补充试验链节端间电介质补充试验链节链节运行试验运行试验空载空载链节链节电容器电压平衡试验电容器电压平衡试验链节链节周期触发和熄灭试验周期触发和熄灭试验链节链节功率损耗和温升试验功率损耗和温升试验链节链节过电流试验过电流试验链节链节快速放电和辅助逆变器试验快速放电和辅助逆变器试验链节链节电磁干扰电磁干扰操作冲击试验操作冲击试验阀阀STATCOMSTATCOM型式试验型式试验 国家继电器质量监督检验中心（国家继电器质量监督检验中心（NCQTRNCQTR）u 链式静止无功补偿成套装置控制系统型式试验链式静止无功补偿成套装置控制系统型式试验u 链式静止无功
43、补偿成套装置监测系统型式试验链式静止无功补偿成套装置监测系统型式试验u 链式静止无功补偿成套装置链式静止无功补偿成套装置IGCTIGCT阀电磁兼容试验阀电磁兼容试验u 依据：依据：STATCOM 10STATCOM 10链式静止无功补偿成套装置企业标准链式静止无功补偿成套装置企业标准 中国电力科学院大功率电力电子实验室（中国电力科学院大功率电力电子实验室（CEPRICEPRI）u 链式静止无功补偿成套装置链式静止无功补偿成套装置IGCTIGCT阀型式试验阀型式试验u 依据：链式静止无功补偿器技术规范依据：链式静止无功补偿器技术规范阀体运行试验场地示意阀体运行试验场地示意试验用直流电源试验用直流
44、电源背靠背运行试验背靠背运行试验背靠背试验仿真波形背靠背试验仿真波形0.1950.20.2050.210.2150.22-4000-3000-2000-100001000200030004000timevoltsLead Lag 0.1950.20.2050.210.2150.22-3000-2000-10000100020003000time0.1950.20.2050.210.2150.22-4000-3000-2000-100001000200030004000time0.1950.20.2050.210.2150.22-3000-2000-10000100020003000time（a
45、）链节输出电压 （b）滞后链节输出电压/电流波形 （c）超前链节输出电压/电流波形 （d）连接电抗电压/电流波形 背靠背试验试验波形背靠背试验试验波形（a）滞后链节输出电压/电流波形 （d）超前链节输出电压/电流波形 （b）超前链节输出电压/电流波形 （c）滞后链节输出电压/电流波形 过电流试验过电流试验过电流验试验波形过电流验试验波形（a）过流实验阳极电抗电流波形 （b）过流实验右下管关断电压波形 快速放电试验波形快速放电试验波形（a）快速放电实验直流电压波形（1kV/div）IGCT在试验过程中出现频繁损坏在试验过程中出现频繁损坏原因分析原因分析:uIGCTIGCT与反并联二极管的连接铜排
46、过长，寄生电感过大，无法通过与反并联二极管的连接铜排过长，寄生电感过大，无法通过2500V2500V关断关断3000A3000A的过流试验的过流试验 u反并联二极管允许的反并联二极管允许的dv/dtdv/dt较低较低,在从续流导通状态进入截止状态在从续流导通状态进入截止状态的反向恢复过程中容易损坏的反向恢复过程中容易损坏,并导致桥臂短路并导致桥臂短路,随后同桥臂随后同桥臂IGCTIGCT因因关断短路电流失败而损坏关断短路电流失败而损坏u在桥臂短路后的剧烈暂态振荡过程中有共模电流流过另一桥臂的在桥臂短路后的剧烈暂态振荡过程中有共模电流流过另一桥臂的IGCTIGCT门极驱动电路门极驱动电路,并有可
47、能导致并有可能导致IGCTIGCT门极损坏门极损坏u反并联二极管允许的电流上升率为反并联二极管允许的电流上升率为600A/uS,600A/uS,低于低于IGCTIGCT允许的电流允许的电流上升率上升率(1000A/uS),(1000A/uS),阳极电抗电感值偏小阳极电抗电感值偏小采取措施采取措施:u在每个反并联二极管两端安装在每个反并联二极管两端安装RCRC缓冲电路缓冲电路,抑制电压上升率抑制电压上升率dv/dtdv/dt,保护反并联二极管保护反并联二极管u在在IGCTIGCT驱动电源的输入端安装滤波器驱动电源的输入端安装滤波器,抑制共模干扰抑制共模干扰u加大阳极电抗电感值加大阳极电抗电感值二
48、极管硅片损坏情况二极管硅片损坏情况IGCT硅片及驱动损坏情况硅片及驱动损坏情况RC吸收电路设计吸收电路设计作用：限制作用：限制dv/dtdv/dt，保护反并联二极管，保护反并联二极管问题：问题：IGCTIGCT反并联二极管从续流导通状反并联二极管从续流导通状态进入截止状态，反向恢复过程中容易态进入截止状态，反向恢复过程中容易损坏，二极管损坏后桥臂短路，导致损坏，二极管损坏后桥臂短路，导致IGCTIGCT因关断失败而损坏。因关断失败而损坏。IGCTIGCT允许的允许的dv/dtdv/dt高达高达5600V/uS5600V/uS，而二极管损坏时的，而二极管损坏时的dv/dtdv/dt仅仅3700V
49、/uS3700V/uS原因：二极管允许的原因：二极管允许的dv/dtdv/dt较低较低措施：在每个反并联二极管两端安装措施：在每个反并联二极管两端安装RCRC吸收电路，减小二极管反向恢复过程中吸收电路，减小二极管反向恢复过程中的电压上升率。的电压上升率。滤波电路设计滤波电路设计作用：抑制作用：抑制IGCTIGCT驱动电源输入侧的共模和差模干扰驱动电源输入侧的共模和差模干扰问题：问题：IGCTIGCT桥臂短路时的暂态振荡过程中产生强烈的共模干扰桥臂短路时的暂态振荡过程中产生强烈的共模干扰,当共模电流流过当共模电流流过IGCTIGCT驱动器门极电路时可能损坏驱动器门极电路时可能损坏IGCTIGCT
50、驱动器门驱动器门极电路极电路;措施：在措施：在IGCTIGCT驱动电源输入端安装驱动电源输入端安装EMIEMI滤波器滤波器,并且在并且在IGCTIGCT驱动驱动电源输入线上安装非晶态磁芯电源输入线上安装非晶态磁芯,抑制共模干扰抑制共模干扰;EMI FilterMagnetic Core阳极电抗器设计阳极电抗器设计作用：限制作用：限制di/dtdi/dt（器件器件di/dtdi/dt允许允许达到达到600A/uS,600A/uS,设计值为设计值为400A/uS400A/uS）问题：电流波形如下图所示，谐波含问题：电流波形如下图所示，谐波含量大。采用自然风冷的空心电抗、半量大。采用自然风冷的空心电
