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IGCT在50MVarSTATCOM装置中的应用 许继集团公司 2006年9月 内容提要 电力电子技术在电力系统应用概述STATCOM 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链式主电路拓扑系统方案设计阀单元设计阀体型式试验IGCT损坏原因分析改进措施总结 我国电网面临的技术问题 我国电网输电能力总体水平偏低 不能很好地适应远距离 大容量输电的需要 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 大负荷中心动态电压支持不足 电网电压稳定问题严重 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 电网损耗较大 电网总体效率和效益有待于进一步提高 在国家环保要求不断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 电力市场环境下 如何实现对电力潮流的有效控制 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 电力输电系统面临的挑战 需求传输更多的功率更好的电能质量更高的可靠性更低的成本限制安全极限扰动性负荷开放性要求环境影响和规划许可 远距离输电及负荷波动带来的问题 0MW弗雷迪效应 800km 500kV 目标800MW负荷 1000MW系统崩溃 500kV 500kV 800MWGeneration 800MWLoad 500kV Power 500kV 500kV输电线 未补偿 补偿后的传输容量变化 800km 线路长度 500kV 目标1000MWSVC带来容量提高 500kV 500kV 1000MWGeneration 1000MWLoad 500kV 1000MW 500kV SVC SVC 并联补偿线路 电力电子技术在电力系统的应用前景 以HVDC FACTS DFACTS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FACTS DFACTS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全稳定性和经济性 使交流输电系统成为控制灵活的柔性交流输电系统 FlexibleACTransmissionSystem 简称FACTS 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 柔性电力系统 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 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 在电力系统正常运行和暂态过程中 利用从传统经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 更好的经济效益 更灵活有效的控制特性 更好的运行特性和供电质量 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全 可靠 经济 优质 控制更为灵活的柔性电力系统FPS FlexiblePowerSystem 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平上的新发展 FACTS柔性交流输电技术 ES ER ParallelCompensation jX SeriesCompensation 0 Load FlowControl P Q 0 Pmax Pm 功角曲线 30 60 90 120 150 180 负荷曲线 稳定运行点 不稳定运行点 FACTS柔性交流输电技术 FACTS装置种类及其主要功能 DFACTS装置种类及其主要功能 静止无功补偿器的作用模拟 FACTS并联补偿技术发展 慢速无功设备 第一代 机械开关设备 晶闸管控制组件 第二代 基于VSC的技术GTO IGBT IGCT 第三代 快速无功设备 断路器延迟 2 3周波 1 2周波 响应时间 V 控制 I 控制 1周波 FACTS并联补偿方案配置 MSC MSR MechanicalSwitchedCapacitors Reactors 电抗器 开关 电容器 SVC StaticVarCompensator 电抗器 晶闸管阀 控制和保护 变压器 电容器 STATCOM StaticCompensator GTO IGBT阀 控制和保护 变压器 直流电容器 保护 静止同步补偿器 STATCOM 的工作原理 STATCOM作用及特点 特点 作用 有源滤波器 APF STATCOM补偿特性 systemvoltage p u STATCOM TCR TSC 0 4 capacitivecurrent leading inductivecurrent lagging 0 1 0 产品简介 新型静止同步补偿装置 STATCOM STATicsynchronousCOMpensator 属于柔性交流输电系统 FACTS FlexibleACTransmissionSystem 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 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 STATCOM作为FACTS最典型的设备 代表着FACTS 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STATCOM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 装设高压大容量STATCOM是解决这一问题的一种有效手段 50MVarSTATCOM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STATCOM 是国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 系统配置方案 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 dv dt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 1 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 2 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 优点模块化结构 便于制造 扩容方便开关频率低 输出电压波形质量好模块输出电流小 功率回路设计简单采用普通变压器 工艺要求低各模块负荷均分 缺点变压器磁芯独立 制造成本高 3 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 优点模块化结构 便于制造 扩容方便开关频率低 输出电压波形质量好模块输出电流小 功率回路设计简单采用普通变压器 工艺要求低各模块负荷均分 缺点多组电容器 不能进行背靠背连接 4 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 优点模块化结构 便于制造 扩容方便开关频率低 输出电压波形质量好模块输出电流小 功率回路设计简单变压器共用磁芯 制造成本较低 缺点共用磁芯 各逆变模块间存在环流 必须对环流进行抑制变压器制造工艺复杂 设计成本高 5 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 100 10 1 0 1 0 01 100 1000 10000 10 100 10000 1000 Trend 闭锁电压 V 换流器开关频率 kHz Power MOS 10kW LV IGBT 4MW 7MW 15MW 40MW 趋势 关断电流 A 典型 额定功率 Thyristor 1MW 电力半导体器件额定电流的定义 visibleLEDindicators StatusFeedbackCommandSignalopticalfibreconnectors powersupplyconnection VDRM 4500VITGQM 4000AVDClink 2800VdiT dtcr 1000A SFm 36kN 44kN 功率器件选型 IGCT5SHY35L4510 反并联二极管5SDF16L4503 VRRM 4500VIFAVM 1650AVDClink 2800VdiT dtcr 600A SFm 36kN 70kN IGCT可能的损坏原因 过压开通di dt超限过温开通 关断时间过短不合适的门极驱动电源 电压 绝缘 不合适的压装应力不正常的损坏机理 IGCT开通和关断特性 低于1000A uS 小于3800A 低于4500V 大电流开断试验电路 ABB标准测试电路 实际应用电路 基本要求 峰值电压低于允许值开通di dt 1000A uS结温低于允许值最小开通 关断时间大于10uS 保证电流分布均匀门极交流电源幅值符合数据手册规定门极驱动电源与IGCT阳极和阴极绝缘压装力在36kN和40kN之间IGCT不具备反向阻断能力 其阴极和阳极之间的反向电压不能超过20V 级联多电平PQC理论模型 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控导通串联模式 假设逆变单元的开关函数为 则级联逆变器的输出为等效电阻 各级逆变单元在各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不同而不同 连接电抗 仅与系统要求有关 与主电路的形式没有关系 STATCOM阀体 单相阀的构成 IGCT阀体参数 STATCOM三相阀的构成 STATCOM系统接线图 STATCOM成套装置平面布置图 STATCOMDevicesLayout 基频优化PWM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 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 相移PWM调制及输出电压波形 150Hz优化PWM控制策略 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 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 约束条件为 各单相桥输出电压 输出相电压 实测相电压 50HzPWMvs150HzPWM 50HzPWM调制 150HzPWM调制 STATCOM关键制造技术 链式单相H桥级联拓扑结构主电路 阀体 电气设计IGCT器件应用技术 包括器件压装 电气回路设计10kV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阀体高压绝缘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 链节电气原理框图 链节电气原理图 链节功率主电路构成及结构设计 连接铜排尽可能短结构对称 布置合理安装维护方便功率电路模块化电磁兼容设计要求电气绝缘设计要求散热设计要求 功率半导体器件压装 压装组件 阀堆 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 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 压装组件的设计应具有安装和维护方便的特点 链节功率单元设计 STATCOM链节设计 阀串器件叠放顺序 a 链节原理图 b 叠放顺序1 c 叠放顺序2 阀体型式试验 STATCOM型式试验 国家继电器质量监督检验中心 NCQTR 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监测系统型式试验链式静止无功补偿成套装置IGCT阀电磁兼容试验依据 STATCOM10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 CEPRI 链式静止无功补偿成套装置IGCT阀型式试验依据 链式静止无功补偿器技术规范 阀体运行试验场地示意 试验用直流电源 背靠背运行试验 背靠背试验仿真波形 a 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 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 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 原因分析 IGCT与反并联二极管的连接铜排过长 寄生电感过大 无法通过2500V关断3000A的过流试验反并联二极管允许的dv dt较低 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 并导致桥臂短路 随后同桥臂IGCT因关断短路电流失败而损坏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IGCT门极驱动电路 并有可能导致IGCT门极损坏反并联二极管允许的电流上升率为600A uS 低于IGCT允许的电流上升率 1000A uS 阳极电抗电感值偏小采取措施 在每个反并联二极管两端安装RC缓冲电路 抑制电压上升率dv dt 保护反并联二极管在IGCT驱动电源的输入端安装滤波器 抑制共模干扰加大阳极电抗电感值 二极管硅片损坏情况 IGCT硅片及驱动损坏情况 RC吸收电路设计 作用 限制dv dt 保护反并联二极管问题 IGCT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损坏 二极管损坏后桥臂短路 导致IGCT因关断失败而损坏 IGCT允许的dv dt高达5600V uS 而二极管损坏时的dv dt仅3700V uS原因 二极管允许的dv dt较低措施 在每个反并联二极管两端安装RC吸收电路 减小二极管反向恢复过程中的电压上升率 滤波电路设计 作用 抑制IGCT驱动电源输入侧的共模和差模干扰问题 IGCT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IGCT驱动器门极电路时可能损坏IGCT驱动器门极电路 措施 在IGCT驱动电源输入端安装EMI滤波器 并且在IGCT驱动电源输入线上安装非晶态磁芯 抑制共模干扰 EMIFilter MagneticCore 阳极电抗器设计 作用 限制di dt 器件di dt允许达到600A uS 设计值为400A uS 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 半截磁芯电抗和闭合磁芯的电抗 实测温升高达200K 无法满足设备长期运行需要 措施 采用水冷却空心电抗 其本体为镀镍铜管 冷却水从其底部流入 顶部流出 实测温升低于10K 隔离变压器设计 作用 高频隔离最初采用干式变压器方案 具有体积小维护方便的特点 但局放值难以达到设计要求 后改为油浸方式 仍存在部分变压器局放值均超过50pC 经分析为出线套管局放不符合要求 后经上海电力公司专家参与 重新进行封装 解决了局放超标问题 上海 50MvarSTATCOM成套装置部件图 上海 50MVarSTATCOM阀厅 上海 50MVarSTATCOM变压器 上海 50MVarSTATCOM控制保护系统 上海 50MVarSTATCOM循环密闭纯