1、許繼集團公司許繼集團公司20062006年年9 9月月內容提要內容提要電力電子技術在電力系統應用概述電力電子技術在電力系統應用概述STATCOMSTATCOM（靜止同步補償裝置）工作原理靜止同步補償裝置）工作原理高壓大功率主電路方案比較及器件選型高壓大功率主電路方案比較及器件選型鏈式主電路拓撲系統方案設計鏈式主電路拓撲系統方案設計閥單元設計閥單元設計閥體型式試驗閥體型式試驗IGCTIGCT損壞原因分析改進措施損壞原因分析改進措施總結總結我國電網面臨的技術問題我國電網面臨的技術問題 o我國電網輸電能力總體水平偏低，不能很好地適應遠距我國電網輸電能力總體水平偏低，不能很好地適應遠距離、大容量輸電的

2、需要；離、大容量輸電的需要；o電網規模不斷擴大，結構日益復雜，電網安全穩定問題電網規模不斷擴大，結構日益復雜，電網安全穩定問題較為突出；較為突出；o大負荷中心動態電壓支持不足，電網電壓穩定問題嚴重；大負荷中心動態電壓支持不足，電網電壓穩定問題嚴重；o部分電網的短路容量超過或接近開關遮斷容量，已經成部分電網的短路容量超過或接近開關遮斷容量，已經成為電網運行的重大安全隱患；為電網運行的重大安全隱患；o電網損耗較大，電網總體效率和效益有待于進一步提高；電網損耗較大，電網總體效率和效益有待于進一步提高；o在國家環保要求不斷趨嚴和輸電走廊資源有限的條件下，在國家環保要求不斷趨嚴和輸電走廊資源有限的條件下

3、，如何提高和改善輸變工程走廊資源利用率；如何提高和改善輸變工程走廊資源利用率；o電力市場環境下，如何實現對電力潮流的有效控制；電力市場環境下，如何實現對電力潮流的有效控制；o供電系統所提供的常規電能已經不能滿足敏感性負荷的供電系統所提供的常規電能已經不能滿足敏感性負荷的特殊要求。特殊要求。 電力輸電系統面臨的挑戰電力輸電系統面臨的挑戰o需求需求n傳輸更多的功率傳輸更多的功率n更好的電能質量更好的電能質量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安全極限安全極限n擾動性負荷擾動性負荷n開放性要求開放性要求n環境影響和規劃許可環境影響和規劃許可遠距離輸電及負荷波動帶來的問題遠距離

4、輸電及負荷波動帶來的問題0MW 弗雷迪效應弗雷迪效應800 km500kV目標目標 800MW 負荷負荷1000MW 系統崩潰系統崩潰500kV500kV800MWGeneration800MWLoad500kVPower500kV500kV 輸電線輸電線 (未補償未補償)補償后的傳輸容量變化補償后的傳輸容量變化800 km線路長度線路長度500kV目標目標 1000MW SVC帶來容量提高帶來容量提高500kV500kV1000MWGeneration1000MWLoad500kV1000MW500kVSVCSVC并聯補償線路并聯補償線路電力電子技術在電力系統的應用前景電力電子技術在電力系統

5、的應用前景 電力電子技術應用提高輸電能力儲能、新能源和分布發電節能、降耗精確、快速控制更大容量、更大范圍的電力交換環保和可持續發展更加經濟、高效電網更加安全、可靠 以以HVDCHVDC、FACTSFACTS、DFACTSDFACTS為代表的電力電子技術可以在為代表的電力電子技術可以在電力系統的輸配電各個環節發揮作用，提高電網的靈活性電力系統的輸配電各個環節發揮作用，提高電網的靈活性與可控性，實現電網的經濟性、可靠性、環保性和高效性與可控性，實現電網的經濟性、可靠性、環保性和高效性的發展目標。其中的發展目標。其中FACTS/DFACTSFACTS/DFACTS技術是逐漸加入現行的交技術是逐漸加入

6、現行的交流系統，而不是摒棄現有系統，可以與現行的交流輸電系流系統，而不是摒棄現有系統，可以與現行的交流輸電系統并行發展、完全兼容，具有強大的技術生命力。統并行發展、完全兼容，具有強大的技術生命力。 柔性電力系統 在交流輸電系統中，引入各類并聯型、串聯型在交流輸電系統中，引入各類并聯型、串聯型電力電子補償控制器，可顯著增大交流輸電的可控電力電子補償控制器，可顯著增大交流輸電的可控性，提高交流輸電極限容量，改善電力系統運行安性，提高交流輸電極限容量，改善電力系統運行安全穩定性和經濟性，使交流輸電系統成為控制靈活全穩定性和經濟性，使交流輸電系統成為控制靈活的柔性交流輸電系統（的柔性交流輸電系統（Fl

7、exible AC Transmission System，簡稱，簡稱FACTS）。在發電、輸電、配電和負）。在發電、輸電、配電和負載用電整個電力系統中廣泛采用電力電子技術，引載用電整個電力系統中廣泛采用電力電子技術，引入各類電力電子補償控制器和電力電子變換器，可入各類電力電子補償控制器和電力電子變換器，可以改善電力系統的結構，為電力系統提供眾多有效以改善電力系統的結構，為電力系統提供眾多有效的控制手段，顯著提高電力系統發電、輸電、配電的控制手段，顯著提高電力系統發電、輸電、配電和負載用電的可控性。和負載用電的可控性。 柔性電力系統 在這種電力系統中再配置各地電力設備運行工在這種電力系統中再配

8、置各地電力設備運行工況和運行參數的實時、同步定時監（視）、測（量）況和運行參數的實時、同步定時監（視）、測（量）系統，遠程實時數據交換和通信系統，在各級信息系統，遠程實時數據交換和通信系統，在各級信息處理、監控的基礎上，中央信息處理和決策管理系處理、監控的基礎上，中央信息處理和決策管理系統集中完成對監測數據的處理，運行狀態的分析，統集中完成對監測數據的處理，運行狀態的分析，按一定的控制目標形成控制決策和相關的控制指令，按一定的控制目標形成控制決策和相關的控制指令，在電力系統正常運行和暫態過程中，利用從傳統經在電力系統正常運行和暫態過程中，利用從傳統經典控制到基于現代控制理論的智能控制技術，對各

9、典控制到基于現代控制理論的智能控制技術，對各地的電力電子補償控制器和相關電力設備的運行進地的電力電子補償控制器和相關電力設備的運行進行實時、適式、靈活、有效地協調控制行實時、適式、靈活、有效地協調控制 柔性電力系統 這將使現今系統結構不夠合理、缺乏有效的控制這將使現今系統結構不夠合理、缺乏有效的控制手段的傳統電力系統，無論是發電、輸電、配電和負手段的傳統電力系統，無論是發電、輸電、配電和負載電能應用都將獲得更高的安全可靠性，更好的經濟載電能應用都將獲得更高的安全可靠性，更好的經濟效益，更靈活有效的控制特性，更好的運行特性和供效益，更靈活有效的控制特性，更好的運行特性和供電質量。電質量。 隨著電

10、力電子技術的廣泛應用和電力系統控制技隨著電力電子技術的廣泛應用和電力系統控制技術的不斷發展，傳統電力系統將成為一個運行更加安術的不斷發展，傳統電力系統將成為一個運行更加安全、可靠、經濟、優質、控制更為靈活的柔性電力系全、可靠、經濟、優質、控制更為靈活的柔性電力系統統FPS( Flexible Power System)，傳統電力系統將發生，傳統電力系統將發生革命性的變革，同時也將推動電力電子技術在更高水革命性的變革，同時也將推動電力電子技術在更高水平上的新發展。平上的新發展。FACTS FACTS 柔性交流輸電技術柔性交流輸電技術Parallel CompensationSeries Comp

11、ensationG G 0Load-Flow Control 0PmaxPm功角曲線功角曲線306090120 150 180負荷曲線負荷曲線穩定運行點穩定運行點 不穩定運行點不穩定運行點FACTS FACTS 柔性交流輸電技術柔性交流輸電技術FACTS裝置種類及其主要功能裝置種類及其主要功能序序號號名稱名稱接入接入方式方式換流換流方式方式主要功能主要功能 1 1可控串聯電抗器可控串聯電抗器(TCR)(TCR)串聯串聯自然自然電流控制、暫態穩定、電壓穩定、抑制故障電流電流控制、暫態穩定、電壓穩定、抑制故障電流 2 2可控制動電阻器可控制動電阻器(TCBR)(TCBR)串聯串聯自然自然諧波抑制、

12、暫態穩定諧波抑制、暫態穩定3 3可控串聯電容補償器（可控串聯電容補償器（TCSCTCSC）串聯串聯自然自然電流控制、暫態穩定、電壓穩定、抑制故障電流電流控制、暫態穩定、電壓穩定、抑制故障電流44 可控移相器可控移相器(TCPR)(TCPR)串聯串聯自然自然有功控制、暫態穩定、電壓穩定有功控制、暫態穩定、電壓穩定5 5短路電流限制器（短路電流限制器（SCCLSCCL）串聯串聯自然自然抑制故障電流抑制故障電流6 6可控并聯電容器（可控并聯電容器（TSCTSC）并聯并聯自然自然電壓控制、無功補償、暫態穩定、電壓穩定電壓控制、無功補償、暫態穩定、電壓穩定77 靜止無功補償器（靜止無功補償器（SVCSV

13、C）并聯并聯自然自然電壓控制、無功補償、暫態穩定、電壓穩定電壓控制、無功補償、暫態穩定、電壓穩定88 靜止同步補償器（靜止同步補償器（STATCOMSTATCOM）并聯并聯強迫強迫電壓控制、無功補償、諧波抑制、暫態穩定、電壓穩定電壓控制、無功補償、諧波抑制、暫態穩定、電壓穩定9 9靜止同步串聯補償器靜止同步串聯補償器(SSSC)(SSSC)串聯串聯強迫強迫電流控制、諧波抑制、暫態穩定、電壓穩定、抑制故障電流控制、諧波抑制、暫態穩定、電壓穩定、抑制故障電流電流1010統一潮流控制器（統一潮流控制器（UPFCUPFC）串聯串聯并聯并聯強迫強迫有功控制、無功控制、電壓控制、無功補償、諧波抑制、有功控

14、制、無功控制、電壓控制、無功補償、諧波抑制、暫態穩定、電壓穩定、抑制故障電流暫態穩定、電壓穩定、抑制故障電流1111可轉換靜止補償器可轉換靜止補償器(CSC)(CSC)串聯串聯并聯并聯強迫強迫有功控制、無功控制、電壓控制、無功補償、諧波抑制、有功控制、無功控制、電壓控制、無功補償、諧波抑制、暫態穩定、電壓穩定、抑制故障電流暫態穩定、電壓穩定、抑制故障電流DFACTS裝置種類及其主要功能裝置種類及其主要功能 序序號號名稱名稱接入接入方式方式換流換流方式方式主要功能主要功能1 1動態電壓恢復器動態電壓恢復器(DVR)(DVR)串聯串聯強迫強迫抑制系統的電壓波動、不平衡、高次諧波等對負抑制系統的電壓

15、波動、不平衡、高次諧波等對負荷的影響荷的影響22靜止同步補償器靜止同步補償器（DSTATCOMDSTATCOM）) )并聯并聯強迫強迫抑制負荷所產生的高次諧波、不對稱、無功和閃抑制負荷所產生的高次諧波、不對稱、無功和閃變等對系統的影響變等對系統的影響33 有源濾波器有源濾波器(APF)(APF)串聯串聯強迫強迫補償負荷的諧波電壓補償負荷的諧波電壓并聯并聯強迫強迫補償負荷的諧波電流補償負荷的諧波電流4 4統一電能質量補償器統一電能質量補償器(UPQC)(UPQC)串聯串聯并聯并聯強迫強迫同時具備同時具備DSTATCOM DSTATCOM 和和DVRDVR的功能的功能55 固態斷路器（固態斷路器（

16、SSBSSB）串聯串聯自然自然實現快速無弧投切，避免操作過電壓實現快速無弧投切，避免操作過電壓6 6固態轉換開關固態轉換開關(SSTS)(SSTS)并聯并聯自然自然實現快速無弧投切，避免操作過電壓實現快速無弧投切，避免操作過電壓7 7飛輪儲能系統（飛輪儲能系統（FESSFESS）并聯并聯強迫強迫負荷波動、電壓波動、功率因數負荷波動、電壓波動、功率因數8 8超導儲能系統（超導儲能系統（SMESSMES）并聯并聯強迫強迫負荷波動、電壓波動、功率因數負荷波動、電壓波動、功率因數9 9電池儲能系統（電池儲能系統（BESSBESS）并聯并聯強迫強迫負荷波動、電壓波動、功率因數負荷波動、電壓波動、功率因數

17、1010靜態電壓調整器靜態電壓調整器(SVR)(SVR)串聯串聯自然自然電壓波動電壓波動靜止無功補償器的作用模擬靜止無功補償器的作用模擬FACTS FACTS 并聯補償技術發展并聯補償技術發展慢速無功設備慢速無功設備第一代第一代機械開關設備機械開關設備晶閘管控制組件晶閘管控制組件第二代第二代 基于基于VSC的技術的技術GTO, IGBT, IGCT第三代第三代快速無功設備快速無功設備 斷路器延遲斷路器延遲 2 - 3 周波周波 1- 2 周波周波 響應時間響應時間V-控制控制I-控制控制: 1 周波周波FACTS FACTS 并聯補償方案配置并聯補償方案配置MSC / MSRMechanica

18、l SwitchedCapacitors / Reactors電抗器 開關電容器SVCStatic Var Compensator電抗器晶閘管閥 控制和保護變壓器電容器STATCOMStatic CompensatorGTO/IGBT閥控制和保護變壓器直流電容器 保護靜止同步補償器靜止同步補償器（STATCOMSTATCOM）的工作原理）的工作原理STATCOM STATCOM 作用及特點作用及特點特點特點作用作用控制電網無功功率潮流控制電網無功功率潮流穩定系統電壓穩定系統電壓提高線路輸送能力提高線路輸送能力抑制系統振蕩抑制系統振蕩短時有功輸出短時有功輸出諧波補償諧波補償動態補償動態補償快速響

19、應能力快速響應能力連續雙向調節連續雙向調節不會出現過補償不會出現過補償安裝尺寸小安裝尺寸小維護工作量小維護工作量小諧波及無功同時補償諧波及無功同時補償有源濾波器有源濾波器(APF)STATCOM STATCOM 補償特性補償特性system voltage(p.u.)STATCOMTCRTSC0.4capacitive current(leading)inductive current(lagging)01.0產品簡介產品簡介 新型靜止同步補償裝置（新型靜止同步補償裝置（STATCOMSTATic synchronous COMpensator）屬于柔性交流輸電系統（）屬于柔性交流輸電系統（F

20、ACTSFlexible AC Transmission System）中的電壓穩定及控制器，也可用于輸電系統的潮流控制。它以大功率三相）中的電壓穩定及控制器，也可用于輸電系統的潮流控制。它以大功率三相電壓型逆變器為核心，其輸出電壓通過連接電抗接入系統，與系統側電壓保持同頻、電壓型逆變器為核心，其輸出電壓通過連接電抗接入系統，與系統側電壓保持同頻、同相，通過調節其輸出電壓幅值與系統電壓幅值的關系來確定輸出功率的性質，當其同相，通過調節其輸出電壓幅值與系統電壓幅值的關系來確定輸出功率的性質，當其幅值大于系統側電壓幅值時輸出容性無功，小于時吸收感性無功。幅值大于系統側電壓幅值時輸出容性無功，小于時

21、吸收感性無功。 STATCOM作為作為FACTS最典型的設備，代表著最典型的設備，代表著FACTS（柔性交流輸電）技術的（柔性交流輸電）技術的發展方向，也可應用于輸電系統及鋼廠、電氣化鐵道等大型工業配電系統。其核心技發展方向，也可應用于輸電系統及鋼廠、電氣化鐵道等大型工業配電系統。其核心技術可以應用于其它術可以應用于其它FACTS/DFACTS設備以及各類新能源發電設備。由于設備以及各類新能源發電設備。由于STATCOM調節速度快，響應時間一般小于調節速度快，響應時間一般小于20ms，對提高電力系統穩定性，增加系統阻尼，抑，對提高電力系統穩定性，增加系統阻尼，抑制系統振蕩和治理諧波可起到顯著作

22、用。隨著我國跨區電網建設的迅速發展，電力系制系統振蕩和治理諧波可起到顯著作用。隨著我國跨區電網建設的迅速發展，電力系統的無功問題及動態電壓穩定問題日益凸顯統的無功問題及動態電壓穩定問題日益凸顯,裝設高壓大容量裝設高壓大容量 STATCOM是解決這一是解決這一問題的一種有效手段。問題的一種有效手段。 50MVar STATCOM是由許繼集團、清華大學和上海市電力公司聯合研發的具是由許繼集團、清華大學和上海市電力公司聯合研發的具有自主知識產權和五項國家發明專利、達到國際領先水平的第一臺有自主知識產權和五項國家發明專利、達到國際領先水平的第一臺STATCOM，是國，是國家電網公司倡導的自主創新，產、

23、學、研多方聯合，將科技成果轉化為生產力的成功家電網公司倡導的自主創新，產、學、研多方聯合，將科技成果轉化為生產力的成功典范。典范。系統配置方案系統配置方案220kV10kV35kVIGCT換流器+30MVar固定電容器組1+30MVar固定電容器組250MVarSTATCOM110kV/10kV靜閥變主變高壓大功率的電力電子變換電路高壓大功率的電力電子變換電路缺點：器件直接串聯、諧波較大、缺點：器件直接串聯、諧波較大、dv/dtdv/dt大、絕緣要求高大、絕緣要求高應用領域：工業傳動，機車牽引，船舶推進，電力系統應用領域：工業傳動，機車牽引，船舶推進，電力系統1. 1. 中點二極管鉗位三電平電

24、路中點二極管鉗位三電平電路高壓大功率的電力電子變換電路高壓大功率的電力電子變換電路2. 2. 多重化變流器多重化變流器缺點：變壓器占地大、成本高、無冗余運行能力、磁非線性導致過電壓缺點：變壓器占地大、成本高、無冗余運行能力、磁非線性導致過電壓和過電流、絕緣由變壓器承擔和過電流、絕緣由變壓器承擔高壓大功率的電力電子變換電路高壓大功率的電力電子變換電路優點優點模塊化結構，便于制模塊化結構，便于制造，擴容方便造，擴容方便開關頻率低，輸出電開關頻率低，輸出電壓波形質量好壓波形質量好模塊輸出電流小，功模塊輸出電流小，功率回路設計簡單率回路設計簡單采用普通變壓器，工采用普通變壓器，工藝要求低藝要求低各模塊

25、負荷均分各模塊負荷均分Cdc110kV饋線A 27.5kV饋線B 27.5kV缺點缺點變壓器磁芯獨立，制變壓器磁芯獨立，制造成本高造成本高3. 3. 變壓器隔離型級聯主電路拓撲變壓器隔離型級聯主電路拓撲高壓大功率的電力電子變換電路高壓大功率的電力電子變換電路優點優點模塊化結構，便于制模塊化結構，便于制造，擴容方便造，擴容方便開關頻率低，輸出電開關頻率低，輸出電壓波形質量好壓波形質量好模塊輸出電流小，功模塊輸出電流小，功率回路設計簡單率回路設計簡單采用普通變壓器，工采用普通變壓器，工藝要求低藝要求低各模塊負荷均分各模塊負荷均分缺點缺點多組電容器，不能進多組電容器，不能進行背靠背連接行背靠背連接T

26、aTb110kV饋線A 27.5kV饋線B 27.5kVCdcCdcCdcCdcCdcCdcCdcCdcCdcCdcLfLf4. 4. 直流側獨立型級聯主電路拓撲直流側獨立型級聯主電路拓撲高壓大功率的電力電子變換電路高壓大功率的電力電子變換電路優點優點模塊化結構，便于制模塊化結構，便于制造，擴容方便造，擴容方便開關頻率低，輸出電開關頻率低，輸出電壓波形質量好壓波形質量好模塊輸出電流小，功模塊輸出電流小，功率回路設計簡單率回路設計簡單變壓器共用磁芯，制變壓器共用磁芯，制造成本較低造成本較低缺點缺點共用磁芯，各逆變模共用磁芯，各逆變模塊間存在環流，必須塊間存在環流，必須對環流進行抑制對環流進行抑制

27、變壓器制造工藝復雜變壓器制造工藝復雜 ，設計成本高設計成本高TaCdcTb110kV饋線A 27.5kV饋線B 27.5kV5. 5. 特殊變壓器隔離型級聯主電路拓撲特殊變壓器隔離型級聯主電路拓撲功率半導體器件的發展功率半導體器件的發展1001010.10.01100100010 0001010010 0001000Trend閉鎖電壓 (V) 換流器開關頻率 (kHz)Power-MOS10 kWLV-IGBTHV-IGBTGTOIGCT4 MW7 MW15 MW40 MW趨勢關斷電流 (A)典型額定功率Thyristor1 MW電力半導體器件額定電流的定義電力半導體器件額定電流的定義序號序號

28、器件種類器件種類 基本工況基本工況 額定電流的定義額定電流的定義 相對關系相對關系 1 硅整流管硅整流管 不控整流不控整流 正弦半波電流在正弦半波電流在全波內的平均值全波內的平均值 I I1硅晶閘管硅晶閘管 可控整流可控整流 2 雙向晶閘管雙向晶閘管全波調壓全波調壓 正弦全波電流有效值正弦全波電流有效值 2.22I I13GTOIGCT逆變逆變 斬波斬波逆變逆變 斬波斬波 最大可關斷最大可關斷峰值電流峰值電流 3.14I I14GTRMOSFETIGBTIEGT開關工況開關工況 持續通過的持續通過的直流電流值直流電流值 (2-3)I I1 visible LEDvisible LED indi

29、cators indicators 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=36kN44kN44

30、kN功率器件選型功率器件選型IGCT 5SHY 35L4510IGCT 5SHY 35L4510反并聯二極管反并聯二極管 5SDF 16L45035SDF 16L4503uV VRRMRRM=4500V=4500VuI IFAVMFAVM=1650A=1650AuV VDClinkDClink=2800V=2800VudiT/dtcr600A/SdiT/dtcr600A/SuF Fm m=36kN70kN=36kN70kNIGCT可能的損壞原因可能的損壞原因o過壓過壓o開通開通di/dt超限超限o過溫過溫o開通開通/關斷時間過短關斷時間過短o不合適的門極驅動電源（電壓不合適的門極驅動電源（電壓

31、/絕緣）絕緣）o不合適的壓裝應力不合適的壓裝應力o不正常的損壞機理不正常的損壞機理IGCTIGCT開通和關斷特性開通和關斷特性低于低于1000A/uS1000A/uS小于小于3800A3800A低于低于4500V4500V大電流開斷試驗電路大電流開斷試驗電路ABBABB標準測試電路標準測試電路實際應用電路實際應用電路基本要求o峰值電壓低于允許值o開通di/dt1000A/uSo結溫低于允許值o最小開通/關斷時間大于10uS，保證電流分布均勻o門極交流電源幅值符合數據手冊規定o門極驅動電源與IGCT陽極和陰極絕緣o壓裝力在36kN和40kN之間oIGCT不具備反向阻斷能力，其陰極和陽極之間的反向

32、電壓不能超過20V級聯多電平級聯多電平PQCPQC理論模型理論模型等效主電路：逆變單元的級聯等效主電路：逆變單元的級聯可等效為相等直流側電容的可可等效為相等直流側電容的可控導通串聯模式，假設逆變單控導通串聯模式，假設逆變單元的開關函數為元的開關函數為 ，則級，則級聯逆變器的輸出為聯逆變器的輸出為 等效電阻：各級逆變單元在各等效電阻：各級逆變單元在各種導通狀態下的組合，因此等種導通狀態下的組合，因此等效電阻的大小隨著運行狀態的效電阻的大小隨著運行狀態的不同而不同。不同而不同。連接電抗：僅與系統要求有關，連接電抗：僅與系統要求有關，與主電路的形式沒有關系。與主電路的形式沒有關系。)()()()(2

33、1ttttSSSvnf)(tSnSTATCOM STATCOM 閥體閥體單相閥的構成單相閥的構成參數參數數值數值說明說明閥額定工作電壓閥額定工作電壓10kV rms10kV rms閥最大連續工作電壓閥最大連續工作電壓13.6kV rms13.6kV rms系統短時過電壓系統短時過電壓1.3 p.u./1s1.3 p.u./1s閥過電壓保護水平閥過電壓保護水平1.5 p.u.1.5 p.u.鏈節過電壓保護水平鏈節過電壓保護水平DC2650V DC2650V 閉鎖閉鎖DC3000V DC3000V 放電放電閥避雷器保護水平閥避雷器保護水平30kV(30kV(峰值）峰值）操作沖擊波操作沖擊波IGCT

34、IGCT額定值額定值4500V/4000A4500V/4000A閥體（每相）鏈節數閥體（每相）鏈節數9 91 11 1個冗余鏈節個冗余鏈節直流側最高電壓直流側最高電壓DC2450VDC2450V連接電抗連接電抗15%15%直流側電容直流側電容80008000F/DC2700V開關頻率開關頻率150Hz150Hz閥額定工作電流閥額定工作電流1670A rms1670A rms過流保護水平過流保護水平3000A 3000A 瞬時值瞬時值3000A 3000A 閉鎖閉鎖IGCTIGCT故障電流故障電流11.1kA11.1kA散熱方式散熱方式水冷水冷最高環境溫度最高環境溫度45IGCTIGCT閥體參數

35、閥體參數STATCOMSTATCOM三相閥的構成三相閥的構成CDC+_CDC+_A相閥CDC+_CDC+_B相閥CDC+_CDC+_C相閥電抗器升壓變壓器STATCOM STATCOM 系統接線圖系統接線圖STATCOM STATCOM 成套裝置平面布置圖成套裝置平面布置圖STATCOM Devices LayoutSTATCOM Devices Layout基頻優化基頻優化PWMPWM控制策略控制策略 通過控制各LINK的開關角度，控制基波輸出電壓，并在同時尋求一個最優的諧波優化目標。 優化函數如下：約束條件： 其中 HnnnVKF7 , 5 , 3minKiinnnV1cos4090180

36、270360-10-8-6-4-20246810 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實測相電壓輸出相電壓各單相橋輸出電壓優化條件少，對直流電壓紋波峰值限制及電壓平衡控制不利各變換器三角載波依次相差固定的相位角，各變換器三角載波依次相差固定的相位角，主電路具有較高的開關頻率，輸出電流諧波含量很小。主電路具有較高的開關頻率，輸出電流諧波含量很小。相移相移PWMPWM調制及輸出電壓波形調制及輸出電壓波形150Hz 150Hz 優化優化PWM

37、PWM控制策略控制策略o使輸出電壓的基波幅值為控制目標值，并且使各單相橋輸出的基波電壓幅值相使輸出電壓的基波幅值為控制目標值，并且使各單相橋輸出的基波電壓幅值相位完全相同，且對直流電壓峰值進行限制；位完全相同，且對直流電壓峰值進行限制； o使逆變器總輸出電壓中的低次諧波性能達到最優。使逆變器總輸出電壓中的低次諧波性能達到最優。 優化目標函數為優化目標函數為 : 約束條件為約束條件為 : 102 , 1,20321iiiiMui1HnnVF7 , 5 , 32min101101311)(cos) 1(4iijijjninnanEuV090180270360 a12 a13 a91 a92 a93

38、vo1 vo2 vo3 vo4 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各單相橋輸出電壓輸出相電壓實測相電壓mUu50Hz PWM vs 150Hz PWM50Hz PWM vs 150Hz PWM50Hz PWM調制150Hz PWM調制STATCOMSTATCOM關鍵制造技術關鍵制造技術鏈式單相鏈式單相H H橋級聯拓撲結構主電路橋級聯拓撲結構主電路

39、( (閥體閥體) )電氣設計電氣設計IGCTIGCT器件應用技術，包括器件壓裝，電氣回路設計器件應用技術，包括器件壓裝，電氣回路設計10kV10kV無局放小型化隔離變壓器設計技術無局放小型化隔離變壓器設計技術水冷陽極電抗器設計技術水冷陽極電抗器設計技術閥體高壓絕緣設計技術閥體高壓絕緣設計技術循環密閉水冷系統設計技術循環密閉水冷系統設計技術閥體電磁兼容設計技術閥體電磁兼容設計技術閥體及功率回路的材料工藝設計閥體及功率回路的材料工藝設計功率器件和功率回路散熱設計功率器件和功率回路散熱設計 鏈節電氣原理框圖鏈節電氣原理框圖鏈節電氣原理圖鏈節電氣原理圖鏈節功率主電路構成及結構設計鏈節功率主電路構成及結

40、構設計連接銅排盡可能短連接銅排盡可能短結構對稱，布置合理結構對稱，布置合理安裝維護方便安裝維護方便功率電路模塊化功率電路模塊化電磁兼容設計要求電磁兼容設計要求電氣絕緣設計要求電氣絕緣設計要求散熱設計要求散熱設計要求功率半導體器件壓裝功率半導體器件壓裝壓裝組件（閥堆）壓裝組件（閥堆）壓裝組件（二極管）壓裝組件（二極管）器件疊放順序及連接方式要保證連接最短；器件疊放順序及連接方式要保證連接最短；壓緊力要符合要求；壓緊力要符合要求；壓裝組件要保證器件散熱面受力均勻；壓裝組件要保證器件散熱面受力均勻；壓裝組件要滿足電氣絕緣的設計要求；壓裝組件要滿足電氣絕緣的設計要求；壓裝組件在器件有效期內應具有穩定的

41、機械性能；壓裝組件在器件有效期內應具有穩定的機械性能；壓裝組件的設計應具有安裝和維護方便的特點。壓裝組件的設計應具有安裝和維護方便的特點。 鏈節功率單元設計鏈節功率單元設計STATCOM STATCOM 鏈節設計鏈節設計閥串器件疊放順序閥串器件疊放順序PNPNPRAPLAPLBPRBDRBDRADLADLBPN左橋臂右橋臂(a) (a) 鏈節原理圖鏈節原理圖 (b)(b)疊放順序疊放順序1 (c) 1 (c) 疊放順序疊放順序2 2閥體型式試驗閥體型式試驗試驗試驗試驗對象試驗對象閥端對地電介質試驗閥端對地電介質試驗交流電壓試驗交流電壓試驗閥閥雷電沖擊試驗雷電沖擊試驗閥閥閥端間電介質試驗閥端間電

42、介質試驗交流電壓試驗交流電壓試驗閥閥操作沖擊試驗操作沖擊試驗閥閥鏈節端間電介質補充試驗鏈節端間電介質補充試驗鏈節鏈節運行試驗運行試驗空載空載鏈節鏈節電容器電壓平衡試驗電容器電壓平衡試驗鏈節鏈節周期觸發和熄滅試驗周期觸發和熄滅試驗鏈節鏈節功率損耗和溫升試驗功率損耗和溫升試驗鏈節鏈節過電流試驗過電流試驗鏈節鏈節快速放電和輔助逆變器試驗快速放電和輔助逆變器試驗鏈節鏈節電磁干擾電磁干擾操作沖擊試驗操作沖擊試驗閥閥STATCOMSTATCOM型式試驗型式試驗國家繼電器質量監督檢驗中心（國家繼電器質量監督檢驗中心（NCQTRNCQTR）u鏈式靜止無功補償成套裝置控制系統型式試驗鏈式靜止無功補償成套裝置控制

43、系統型式試驗u鏈式靜止無功補償成套裝置監測系統型式試驗鏈式靜止無功補償成套裝置監測系統型式試驗u鏈式靜止無功補償成套裝置鏈式靜止無功補償成套裝置IGCTIGCT閥電磁兼容試驗閥電磁兼容試驗u依據：依據：STATCOM 10STATCOM 10鏈式靜止無功補償成套裝置企業標準鏈式靜止無功補償成套裝置企業標準中國電力科學院大功率電力電子實驗室（中國電力科學院大功率電力電子實驗室（CEPRICEPRI）u鏈式靜止無功補償成套裝置鏈式靜止無功補償成套裝置IGCTIGCT閥型式試驗閥型式試驗u依據：鏈式靜止無功補償器技術規范依據：鏈式靜止無功補償器技術規范閥體運行試驗場地示意閥體運行試驗場地示意試驗用直

44、流電源試驗用直流電源背靠背運行試驗背靠背運行試驗背靠背試驗仿真波形背靠背試驗仿真波形0.1950.20.2050.210.2150.22-4000-3000-2000-100001000200030004000timevoltsLead Lag 0.1950.20.2050.210.2150.22-3000-2000-10000100020003000time0.1950.20.2050.210.2150.22-4000-3000-2000-100001000200030004000time0.1950.20.2050.210.2150.22-3000-2000-100001000200030

45、00time（a）鏈節輸出電壓 （b）滯后鏈節輸出電壓/電流波形 （c）超前鏈節輸出電壓/電流波形 （d）連接電抗電壓/電流波形 背靠背試驗試驗波形背靠背試驗試驗波形（a）滯后鏈節輸出電壓/電流波形 （d）超前鏈節輸出電壓/電流波形 （b）超前鏈節輸出電壓/電流波形 （c）滯后鏈節輸出電壓/電流波形 過電流試驗過電流試驗過電流驗試驗波形過電流驗試驗波形（a）過流實驗陽極電抗電流波形 （b）過流實驗右下管關斷電壓波形 快速放電試驗波形快速放電試驗波形（a）快速放電實驗直流電壓波形（1kV/div） IGCT在試驗過程中出現頻繁損壞在試驗過程中出現頻繁損壞原因分析原因分析: : uIGCTIGCT

46、與反并聯二極管的連接銅排過長，寄生電感過大，無法通過與反并聯二極管的連接銅排過長，寄生電感過大，無法通過2500V2500V關斷關斷3000A3000A的過流試驗的過流試驗 u反并聯二極管允許的反并聯二極管允許的dv/dtdv/dt較低較低, ,在從續流導通狀態進入截止狀態在從續流導通狀態進入截止狀態的反向恢復過程中容易損壞的反向恢復過程中容易損壞, ,并導致橋臂短路并導致橋臂短路, ,隨后同橋臂隨后同橋臂IGCTIGCT因因關斷短路電流失敗而損壞關斷短路電流失敗而損壞u在橋臂短路后的劇烈暫態振蕩過程中有共模電流流過另一橋臂的在橋臂短路后的劇烈暫態振蕩過程中有共模電流流過另一橋臂的IGCTIG

47、CT門極驅動電路門極驅動電路, ,并有可能導致并有可能導致IGCTIGCT門極損壞門極損壞u反并聯二極管允許的電流上升率為反并聯二極管允許的電流上升率為600A/uS,600A/uS,低于低于IGCTIGCT允許的電流允許的電流上升率上升率(1000A/uS),(1000A/uS),陽極電抗電感值偏小陽極電抗電感值偏小采取措施采取措施: :u在每個反并聯二極管兩端安裝在每個反并聯二極管兩端安裝RCRC緩沖電路緩沖電路, ,抑制電壓上升率抑制電壓上升率dv/dt,dv/dt,保護反并聯二極管保護反并聯二極管u在在IGCTIGCT驅動電源的輸入端安裝濾波器驅動電源的輸入端安裝濾波器, ,抑制共模干

48、擾抑制共模干擾u加大陽極電抗電感值加大陽極電抗電感值二極管硅片損壞情況二極管硅片損壞情況IGCT硅片及驅動損壞情況硅片及驅動損壞情況RC吸收電路設計吸收電路設計作用：限制作用：限制dv/dtdv/dt，保護反并聯二極管，保護反并聯二極管問題：問題：IGCTIGCT反并聯二極管從續流導通狀反并聯二極管從續流導通狀態進入截止狀態，反向恢復過程中容易態進入截止狀態，反向恢復過程中容易損壞，二極管損壞后橋臂短路，導致損壞，二極管損壞后橋臂短路，導致IGCTIGCT因關斷失敗而損壞。因關斷失敗而損壞。IGCTIGCT允許的允許的dv/dtdv/dt高達高達5600V/uS5600V/uS，而二極管損壞時

49、的，而二極管損壞時的dv/dtdv/dt僅僅3700V/uS3700V/uS原因：二極管允許的原因：二極管允許的dv/dtdv/dt較低較低措施：在每個反并聯二極管兩端安裝措施：在每個反并聯二極管兩端安裝RCRC吸收電路，減小二極管反向恢復過程中吸收電路，減小二極管反向恢復過程中的電壓上升率。的電壓上升率。濾波電路設計濾波電路設計作用：抑制作用：抑制IGCTIGCT驅動電源輸入側的共模和差模干擾驅動電源輸入側的共模和差模干擾問題：問題：IGCTIGCT橋臂短路時的暫態振蕩過程中產生強烈的共模干擾橋臂短路時的暫態振蕩過程中產生強烈的共模干擾, ,當共模電流流過當共模電流流過IGCTIGCT驅動器

50、門極電路時可能損壞驅動器門極電路時可能損壞IGCTIGCT驅動器門驅動器門極電路極電路; ;措施：在措施：在IGCTIGCT驅動電源輸入端安裝驅動電源輸入端安裝EMIEMI濾波器濾波器, ,并且在并且在IGCTIGCT驅動驅動電源輸入線上安裝非晶態磁芯電源輸入線上安裝非晶態磁芯, ,抑制共模干擾抑制共模干擾; ;EMI FilterMagnetic Core陽極電抗器設計陽極電抗器設計作用：限制作用：限制di/dtdi/dt（ 器件器件di/dtdi/dt允許允許達到達到600A/uS,600A/uS,設計值為設計值為400A/uS400A/uS）問題：電流波形如下圖所示，諧波含問題：電流波形

51、如下圖所示，諧波含量大。采用自然風冷的空心電抗、半量大。采用自然風冷的空心電抗、半截磁芯電抗和閉合磁芯的電抗截磁芯電抗和閉合磁芯的電抗, ,實測實測溫升高達溫升高達200K,200K,無法滿足設備長期運無法滿足設備長期運行需要。行需要。措施：采用水冷卻空心電抗，其本體措施：采用水冷卻空心電抗，其本體為鍍鎳銅管，冷卻水從其底部流入，為鍍鎳銅管，冷卻水從其底部流入，頂部流出，實測溫升低于頂部流出，實測溫升低于10K10K隔離變壓器設計隔離變壓器設計作用：高頻隔離作用：高頻隔離最初采用干式變壓器方案，最初采用干式變壓器方案，具有體積小維護方便的特具有體積小維護方便的特點，但局放值難以達到設點，但局放值