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CN103840474B - 一种中高压直挂式静止同步无功补偿器主电路拓扑结构 - Google Patents

一种中高压直挂式静止同步无功补偿器主电路拓扑结构 Download PDF

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CN103840474B
CN103840474B CN201410075640.9A CN201410075640A CN103840474B CN 103840474 B CN103840474 B CN 103840474B CN 201410075640 A CN201410075640 A CN 201410075640A CN 103840474 B CN103840474 B CN 103840474B
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汤海雁
张占奎
魏林君
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China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
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State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd
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CLP Puri Zhangbei Wind Power Research and Test Ltd
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Abstract

本发明提供一种中高压直挂式静止同步无功补偿器主电路拓扑结构，包括单相变换电路、公共直流母线电路、换流电抗器和启动电路；单相变换电路与公共直流母线电路并联，并联后输出端连接换流电抗器，换流电抗器通过启动电路接入交流电网。本发明可以实现无功电压支撑、谐波污染治理以及功率振荡阻尼等功能，可直挂中高压交流电网，输出波形质量好、开关动作频率低、所需开关器件数量相对较少、直流电压利用率高以及可抑制直流侧故障电流等特点，可以减少交流侧滤波器数量，降低补偿器的前期投入成本和控制复杂度，提高无功补偿器的能量转换效率，提高无功补偿器的故障生存能力，提升无功补偿器的单位利用率以及扩大无功补偿器的应用场合和作用。

Description

一种中高压直挂式静止同步无功补偿器主电路拓扑结构
技术领域
本发明涉及一种拓扑结构，具体讲涉及一种中高压直挂式静止同步无功补偿器主电路拓扑结构。
背景技术
无功补偿对于交流电力系统来讲意义重大，无功功率的平衡直接影响电力系统的安全、稳定及经济运行。适当的无功功率补偿可以解决电力系统在不同运行模式下由于无功不足和无功过剩带来的过电压及系统稳定等问题。
固定式无功补偿装置和相控型动态无功补偿装置是现阶段发展最为成熟的两种无功补偿方式，但由于目前系统中高速铁路、大量非线性负荷以及有源负荷的引入，系统潮流剧烈变化，要求系统无功响应更加迅速，且具备良好谐波滤除功能，常规的基于电容器或电抗器投切的固定无功补偿方式由于存在无功补偿线性度欠佳，且有可能引起系统谐波放大及过电压等问题，已无法满足当前无功迅速响应及交流系统动态稳定运行需求。
基于电压源换相的静止同步补偿器（STATCOM）是近年来迅速发展的一种同时具备无功补偿和谐波抑制的新型装置，该补偿器在国外已经相当成熟，但在国内还没有实现关键技术的突破，主要是应用在中高压领域的变换器拓扑技术，现阶段已实现工程化的STATCOM主电路拓扑一般是带有工频变压器的设计方式，该方式存在设备投资大、占地多、成本高以及生产周期长等问题。另外存在一种基于级联多电平的拓扑结构，该结构存在器件投资大、控制相对较复杂等问题，且目前应用电压等级较低，一般为10kV及以下。
现阶段由于大规模新能源电力的注入，功率的波动性及随机性较强，系统备用无功容量不足，电能质量问题以及系统电压稳定问题逐渐外延到交流传输网，严重影响大系统的稳定运行，甚至有可能导致大规模新能源电站的高低电压脱网事故。因此应用于中高压领域的大容量快速动态同步无功补偿器的主电路拓扑问题尤显突出。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种中高压直挂式静止同步无功补偿器主电路拓扑结构，该无功补偿器与传统无功补偿器相比，不仅可以实现无功电压支撑、谐波污染治理以及功率振荡阻尼等功能，而且无需输入变压器，可直挂中高压交流电网，输出波形质量好、开关动作频率低、所需开关器件数量相对较少、直流电压利用率高以及可抑制直流侧故障电流等特点，可以减少交流侧滤波器数量，降低补偿器的前期投入成本，降低补偿器的控制复杂度，提高无功补偿器的能量转换效率，提高无功补偿器的故障生存能力，提升无功补偿器的单位利用率以及扩大无功补偿器的应用场合和作用。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
本发明提供一种中高压直挂式静止同步无功补偿器主电路拓扑结构，所述拓扑结构包括单相变换电路、公共直流母线电路、换流电抗器和启动电路；所述单相变换电路与公共直流母线电路并联，并联后输出端连接换流电抗器，换流电抗器通过启动电路接入交流电网。
所述单相变换电路包括A相变换电路、B相变换电路和C相变换电路；所述A相变换电路、B相变换电路和C相变换电路均包括上桥臂和下桥臂。
所述上桥臂和下桥臂均包括依次连接的波形发生电路、环流抑制电抗器和切换开关电路。
A相变换电路、B相变换电路和C相变换电路中的上桥臂和下桥臂对称分布，上桥臂的波形发生电路一端连接，形成公共直流母线正极，下桥臂的波形发电路一端连接，形成公共直流母线负极，上/下桥臂的波形发生电路的另一端连接环流抑制电抗器，环流抑制电抗器的另一端连接切换开关电路，切换开关电路的另一端连接换流电抗器。
所述上桥臂的波形发生电路工作于正半周期，下桥臂的波形发生电路工作于负半周期，上/下桥臂的波形发生电路均采用正弦波作为调制波；
所述波形发生电路由N个相同或不同标准的功率模块串联而成，输出相电压电平阶梯数为2N+1，功率模块的首末两端分别为波形发生电路的输入端和输出端；
所述功率模块输出的电平阶梯包括正电平、负电平和零电平，不同标准的功率模块输出幅值相同或不同的电平阶梯。
所述功率模块包括IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4和直流侧电容器C；所述IGBT1与IGBT2、IGBT3与IGBT4分别串联后，再分别与直流侧电容器C并联，所述IGBT1与IGBT2的公共端及IGBT3与IGBT4的公共端分别为该功率模块的输入端或输出端；
所述IGBT1、IGBT2、IGBT3和GBT4均包括开关器件和二极管，开关器件和二极管反并联。
所述功率模块包括IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、、IGBT5、直流侧电容器C1、直流侧电容器C2、二极管D1和二极管D2；所述IGBT1与IGBT2串联后与直流侧电容器C1并联，直流侧电容器C1一端与二极管D1一端相连，该连接点为功率模块直流母线正极1，直流侧电容器C1的另一端为直流母线负极1；所述IGBT3与IGBT4串联后与直流侧电容器C2并联，直流侧电容器C2一端与二极管D2一端相连，该连接点为功率模块直流母线负极2，直流侧电容器C2的另一端为直流母线正极2；二极管D1的另一端与直流母线正极2连接；二极管D2另一端与直流母线负极2连接；IGBT5的一端连接直流母线正极2，其另一端连接直流母线负极2；所述IGBT1与IGBT2的公共端及IGBT3与IGBT4的公共端分别为该功率模块的输入端或输出端。
所述环流抑制电抗器用于抑制上下桥臂间的环流幅值，并参与功率模块直流电压平衡控制，并可将换流电抗器电抗值折算至环流抑制电抗器电抗值。
所述切换开关电路由IGBT串联组成，IGBT包括开关器件和与其反并联的二极管，开关器件的门极驱动信号保持一致；
所述切换开关电路工作于低频工作状态，开关频率为调制波频率的2倍；当调制波处于正半周期工作状态时，上桥臂的切换开关电路处于导通状态；当调制波处于负半期工作状态时，下桥臂的切换开关电路处于导通状态。
所述公共直流母线电路由电容器组串联组成；其中电容器组由单体电容器并联组成，且每个单体电容器并联分压电阻，以保证电容器单体均分直流母线电压。
所述启动电路包括A相启动电路、B相启动电路和C相启动电路，所述A相启动电路、B相启动电路和C相启动电路均包括充电电阻和旁路开关，所述充电电阻和旁路开关并联。
所述A相启动电路、B相启动电路和C相启动电路分别通过交流开关QF1、QF2和QF3接入交流电网。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
（1）具有该主电路拓扑结构的静止无功补偿器无需输入变压器，可直挂中高压交流电网，使补偿器的生产周期缩短、体积和占地面积减小、成本降低、结构简化以及运输方便，便于组装成可移动式补偿器。
（2）具有该主电路拓扑结构的静止无功补偿器输出波形质量好，使补偿器的输出端基本不需要低次谐波滤波器，使补偿器的输出性能得到提升的同时，补偿器总体体积减小，总体造价降低，并且对系统的负面影响减小，电磁干扰也小。
（3）具有该主电路拓扑结构的静止无功补偿器开关器件相对较少，开关动作频率低，使得补偿器的电能转换效率得到提升，年损耗下降，经济性得以提升。
（4）具有该主电路拓扑结构的静止无功补偿器直流电压利用率高，使得补偿器的输出电压能适应电网的宽范围变动需求，提升补偿器的电网适应性。
（5）具有该主电路拓扑结构的静止无功补偿器可抑制直流侧故障电流，使得补偿器的开关器件最大电压、电流应力下降，节省了器件成本，提升了装置生存能力。
附图说明
图1是中高压直挂式静止无功补偿器主电路拓扑结构示意图；
图2是本发明实施例中一种波形发生电路中功率模块结构示意图；
图3是本发明实施例中另一种波形发生电路中功率模块结构示意图；
图4是本发明实施例中切换开关电路拓扑示意图；
图5是本发明实施例中静止无功补偿器工作原理示意图；
图6是本发明实施例中环流电抗器设计原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明提供一种中高压直挂式静止同步无功补偿器主电路拓扑结构，所述拓扑结构包括单相变换电路、公共直流母线电路、换流电抗器和启动电路；所述单相变换电路与公共直流母线电路并联，并联后输出端连接换流电抗器，换流电抗器通过启动电路接入交流电网。
所述单相变换电路包括A相变换电路、B相变换电路和C相变换电路；所述A相变换电路、B相变换电路和C相变换电路均包括上桥臂和下桥臂。
所述上桥臂和下桥臂均包括依次连接的波形发生电路、环流抑制电抗器和切换开关电路。
A相变换电路、B相变换电路和C相变换电路中的上桥臂和下桥臂对称分布，上桥臂的波形发生电路一端连接，形成公共直流母线正极，下桥臂的波形发电路一端连接，形成公共直流母线负极，上/下桥臂的波形发生电路的另一端连接环流抑制电抗器，环流抑制电抗器的另一端连接切换开关电路，切换开关电路的另一端连接换流电抗器。
所述上桥臂的波形发生电路工作于正半周期，下桥臂的波形发生电路工作于负半周期，上/下桥臂的波形发生电路均采用正弦波作为调制波；
所述波形发生电路由N个相同或不同标准的功率模块串联而成，输出相电压电平阶梯数为2N+1，功率模块的首末两端分别为波形发生电路的输入端和输出端；
所述功率模块输出的电平阶梯包括正电平、负电平和零电平，不同标准的功率模块输出幅值相同或不同的电平阶梯。
所述功率模块包括IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4和直流侧电容器C；所述IGBT1与IGBT2、IGBT3与IGBT4分别串联后，再分别与直流侧电容器C并联，所述IGBT1与IGBT2的公共端及IGBT3与IGBT4的公共端分别为该功率模块的输入端或输出端；
所述IGBT1、IGBT2、IGBT3和GBT4均包括开关器件和二极管，开关器件和二极管反并联。
所述功率模块包括IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、、IGBT5、直流侧电容器C1、直流侧电容器C2、二极管D1和二极管D2；所述IGBT1与IGBT2串联后与直流侧电容器C1并联，直流侧电容器C1一端与二极管D1一端相连，该连接点为功率模块直流母线正极1，直流侧电容器C1的另一端为直流母线负极1；所述IGBT3与IGBT4串联后与直流侧电容器C2并联，直流侧电容器C2一端与二极管D2一端相连，该连接点为功率模块直流母线负极2，直流侧电容器C2的另一端为直流母线正极2；二极管D1的另一端与直流母线正极2连接；二极管D2另一端与直流母线负极2连接；IGBT5的一端连接直流母线正极2，其另一端连接直流母线负极2；所述IGBT1与IGBT2的公共端及IGBT3与IGBT4的公共端分别为该功率模块的输入端或输出端。
所述环流抑制电抗器用于抑制上下桥臂间的环流幅值，并参与功率模块直流电压平衡控制，并可将换流电抗器电抗值折算至环流抑制电抗器电抗值。
所述切换开关电路由IGBT串联组成，IGBT包括开关器件和与其反并联的二极管，开关器件的门极驱动信号保持一致；
所述切换开关电路工作于低频工作状态，开关频率为调制波频率的2倍；当调制波处于正半周期工作状态时，上桥臂的切换开关电路处于导通状态；当调制波处于负半期工作状态时，下桥臂的切换开关电路处于导通状态。
所述公共直流母线电路由电容器组串联组成；其中电容器组由单体电容器并联组成，且每个单体电容器并联分压电阻，以保证电容器单体均分直流母线电压。
所述启动电路包括A相启动电路、B相启动电路和C相启动电路，所述A相启动电路、B相启动电路和C相启动电路均包括充电电阻和旁路开关，所述充电电阻和旁路开关并联。
所述A相启动电路、B相启动电路和C相启动电路分别通过交流开关QF1、QF2和QF3接入交流电网。
该主电路拓扑结构不需要串入传统的工频变压器，且具备两电平拓扑结构的优点，达到了降低成本、节省空间、降低控制复杂度和提升性能的目的。
具有该主电路拓扑结构的静止无功补偿器可直接接入中高压电力系统，且具有输出波形质量好、开关动作频率低、所需开关器件数量相对较少、直流电压利用率高以及可抑制直流侧故障电流等特点，可为中高压领域的大容量动态无功补偿器的商业化应用提供技术参考。
实施例
如图1，中高压直挂式静止无功补偿器主电路拓扑结构由3个单相变换电路组成，每个单相变换电路由上、下桥臂组成，每个桥臂由波形发生电路、环流抑制电抗器和切换开关电路组成。在上桥臂中，波形发生电路的一端连接在一起，形成公共直流母线正极，另一端与环流抑制电抗器La1,Lb1,Lc1连接；环流抑制电抗器La1,Lb1,Lc1的另一端与切换开关Sa1,Sb1,Sc1连接。单相变换电路中上、下桥臂拓扑结构呈对称分布，波形发生电路、环流抑制电抗顺和切换开关电路连接方式相同，且形成了公共直流母线负极。因此上桥臂环流抑制电抗器La1,Lb1,Lc1的另一端与下桥臂环流抑制电抗器La2,Lb2,Lc2的另一端相连，再输入电抗器La,Lb,Lc的一端相连，输入电抗器另一端连接充电电阻RF1，充电电阻RF1并联开关QF2后，再通过另一个开关QF1接入交流电网。
波形发生电路由相同或不同标准的功率模块串联而成，见图2或图3，两种标准功率模块单元拓扑结构。以图2为例说明，标准功率模块包括：4个开关器件S1、S2、S3、S4，4个二极管D1，D2，D3，D4和直流侧电容器C组成。开关器件S1、S2、S3、S4与二极管D1，D2，D3，D4分别并联，开关器件S1、S2和S3、S4分别相串联后再并联，再与直流侧电容器C相并联，开关器件S1、S2的公共端为该功率模块的输入或输出端口，开关器件S1、S2的公共端为该功率模块的另一输入或输出端口。该公共端再与其他功率单元的输入或输出端相联，形成波形发生电路。
图4为切换开关电路拓扑结构，由N个开关器件S1、S2、S3至SN，N个二极管D1,D2,D3至DN组成。开关器件S1、S2、S3至SN与二极管D1，D2，D3至DN分别并联后再串联，开关器件S1的集电极为切换开关电路的输入或输出端口，开关器件SN的发射极为切换开关电路的另一个输入或输出端口。
图5，该主电路拓扑结构的基本工作原理示意图，通过对波形发生电路和切换开关电路中开关器件的导通和关断的控制，实现对电网无功功率的补偿、直流电压的控制，以提高电力系统电能质量。当调制波处于正半周时，上桥臂波形发生电路按正弦调制，且存在直流偏置，上桥臂切换开关电路处于导通状态；下桥臂波形发生电路输出一半直流母线电压，下桥臂切换开关电路处于关断状态。当调制波处于负半周时，上桥臂波形发生电路输出一半直流母线电压，上桥臂切换开关电路处于关断状态；下桥臂波形发生电路按正弦调制，且存在直流偏置，下桥臂切换开关电路处于导通状态。
图6为环流抑制电抗器设计原理，当补偿器稳定工作时，存在如图所示的两条电流回路，回路1包括直流母线电压Udc、上下桥臂波形发生电路输出电压Uap，Uan和环流抑制电抗器暂态电压UL等，且三者之间存在一定数学关系；回路2包括一半直流母线电压Udc/2、下桥臂波形发生电路输出电压Uap，Uan和环流抑制电抗器暂态电压UL等，且三者之间存在一定数学关系。将上述数学关系进行整理可知，环流抑制电抗器的大小与桥臂暂态电流上升率和输入交流侧相电压峰值有关。
该拓扑结构充分利用了模块化多电平变流技术输出波形质量好和两电平拓扑变流技术控制简单等方面的特点，去掉了工频变压器，节省了投资成本和占地面积，提升了装置的经济性和适用性。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种中高压直挂式静止同步无功补偿器主电路拓扑结构，其特征在于：所述拓扑结构包括单相变换电路、公共直流母线电路、换流电抗器和启动电路；所述单相变换电路与公共直流母线电路并联，并联后输出端连接换流电抗器，换流电抗器通过启动电路接入交流电网；
所述单相变换电路包括A相变换电路、B相变换电路和C相变换电路；所述A相变换电路、B相变换电路和C相变换电路均包括上桥臂和下桥臂；
所述上桥臂和下桥臂均包括依次连接的波形发生电路、环流抑制电抗器和切换开关电路；
A相变换电路、B相变换电路和C相变换电路中的上桥臂和下桥臂对称分布，上桥臂的波形发生电路一端连接公共直流母线正极，下桥臂的波形发生电路一端连接公共直流母线负极，上/下桥臂的波形发生电路的另一端连接环流抑制电抗器，环流抑制电抗器的另一端连接切换开关电路，切换开关电路的另一端连接换流电抗器；
所述上桥臂的波形发生电路工作于正半周期，下桥臂的波形发生电路工作于负半周期，上/下桥臂的波形发生电路均采用正弦波作为调制波；
所述波形发生电路由N个相同或不同标准的功率模块串联而成，输出相电压电平阶梯数为2N+1，N个串联的功率模块的首末两端分别为波形发生电路的输入端和输出端；
所述功率模块输出的电平阶梯包括正电平、负电平和零电平，不同标准的功率模块输出幅值相同或不同的电平阶梯；
所述功率模块包括IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5、直流侧电容器C1、直流侧电容器C2、二极管D1和二极管D2；所述IGBT1与IGBT2串联后与直流侧电容器C1并联，直流侧电容器C1一端与二极管D1一端相连，该连接点为功率模块直流母线正极1，直流侧电容器C1的另一端为直流母线负极1；所述IGBT3与IGBT4串联后与直流侧电容器C2并联，直流侧电容器C2一端与二极管D2一端相连，该连接点为功率模块直流母线负极2，直流侧电容器C2的另一端为直流母线正极2；二极管D1的另一端与直流母线正极2连接；二极管D2另一端与直流母线负极1连接；IGBT5的一端连接直流母线正极2，其另一端连接直流母线负极1；所述IGBT1与IGBT2的公共端及IGBT3与IGBT4的公共端分别为该功率模块的输入端或输出端。
2.根据权利要求1所述的中高压直挂式静止同步无功补偿器主电路拓扑结构，其特征在于：所述功率模块包括IGBT6、IGBT7、IGBT8、IGBT9和直流侧电容器C；所述IGBT6与IGBT7、IGBT8与IGBT9分别串联后，再分别与直流侧电容器C并联，所述IGBT6与IGBT7的公共端及IGBT8与IGBT9的公共端分别为该功率模块的输入端或输出端；
所述IGBT6、IGBT7、IGBT8和IGBT9均包括开关器件和二极管，开关器件和二极管反并联。
3.根据权利要求1所述的中高压直挂式静止同步无功补偿器主电路拓扑结构，其特征在于：所述环流抑制电抗器用于抑制上下桥臂间的环流幅值，并参与功率模块直流电压平衡控制，并可将换流电抗器电抗值折算至环流抑制电抗器电抗值。
4.根据权利要求1所述的中高压直挂式静止同步无功补偿器主电路拓扑结构，其特征在于：所述切换开关电路由IGBT串联组成，IGBT包括开关器件和与其反并联的二极管，开关器件的门极驱动信号保持一致；
所述切换开关电路工作于低频工作状态，开关频率为调制波频率的2倍；当调制波处于正半周期工作状态时，上桥臂的切换开关电路处于导通状态；当调制波处于负半周期工作状态时，下桥臂的切换开关电路处于导通状态。
5.根据权利要求1所述的中高压直挂式静止同步无功补偿器主电路拓扑结构，其特征在于：所述公共直流母线电路由电容器组串联组成；其中电容器组由单体电容器并联组成，且每个单体电容器并联分压电阻，以保证电容器单体均分直流母线电压。
6.根据权利要求1所述的中高压直挂式静止同步无功补偿器主电路拓扑结构，其特征在于：所述启动电路包括A相启动电路、B相启动电路和C相启动电路，所述A相启动电路、B相启动电路和C相启动电路均包括充电电阻和旁路开关，所述充电电阻和旁路开关并联。
7.根据权利要求6所述的中高压直挂式静止同步无功补偿器主电路拓扑结构，其特征在于：所述A相启动电路、B相启动电路和C相启动电路分别通过交流开关QF1、QF2和QF3接入交流电网。
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