IGCT培训-陈天锦

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 o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

2、应远距 离、大容量输电的需要；离、大容量输电的需要； o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； o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； o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； o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； o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

3、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；如何提高和改善输变工程走廊资源利用率； o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； o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

4、响和规划许可环境影响和规划许可 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 km 500kV 目标目标 800MW 负荷负荷 1000MW 系统崩溃系统崩溃 500kV500kV 800MW Generation 800MW Load 500kV Power 500kV 500kV 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 500kV500kV 1000MW Generation 1000MW Load 500

5、kV 1000MW 500kV SVCSVC 并联补偿线路并联补偿线路 电力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

6、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/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

7、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

8、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

9、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

10、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

11、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 Compensation Series Compensation G G 0 Load-Flow Control 0 Pmax Pm 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

12、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(TCBR)(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

13、（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 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(SS

14、SC)(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

15、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

16、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

17、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、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

18、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 / MSR Mechanical Switched Capacitors / Reactors 电抗器 开关 电容器 SVC Static Var Compensator 电抗器 晶闸管阀 控制和保护 变压器 电容器 STATCOM

19、Static Compensator 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

20、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.) STATCOM TCR TSC 0.4 capacitive current (leading) inductive current (lagging) 0 1.0 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

21、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

22、（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

23、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

24、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 220kV 10kV 35kV IGCT 换流器 +30MVar 固定电容器组1 +30MVar 固定电容器组2 50MVar STATCOM 110kV/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

25、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 各模块负荷均分各模

26、块负荷均分 Cdc 110kV 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

27、进 行背靠背连接行背靠背连接 TaTb 110kV 馈线A 27.5kV馈线B 27.5kV Cdc Cdc Cdc Cdc Cdc Cdc Cdc Cdc Cdc Cdc Lf Lf 4. 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

28、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 Ta Cdc Tb 110kV 馈线A 27.5kV馈线B 27.5kV 5. 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 100 10 1 0.1 0.01 100 1000 10 000 10 10010 0001000 Trend 闭锁电压 (V) 换流器开关频率 (kHz) Power- MOS 10 kW LV-IGBT HV-IGBT GTO IGCT 4 MW

29、7 MW 15 MW 40 MW 趋势 关断电流 (A) 典型 额定功率 Thyristor 1 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 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 I1 3GTO IGCT 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

30、.14I I1 4GTR MOSFET IGBT IEGT 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 indicators Status Feedback Command SignalStatus Feedback Command Signal optical fibre connectorsoptical fibre connectors power supply power supply connectionconnection uV VDRM DRM=4500V =4500V uI

31、 ITGQM TGQM=4000A =4000A uV VDClink DClink=2800V =2800V udiT/dtcr1000A/SdiT/dtcr1000A/S uF Fm m=36kN=36kN44kN44kN 功率器件选型功率器件选型 IGCT 5SHY 35L4510IGCT 5SHY 35L4510反并联二极管反并联二极管 5SDF 16L45035SDF 16L4503 uV VRRM RRM=4500V =4500V uI IFAVM FAVM=1650A =1650A uV VDClink DClink=2800V =2800V udiT/dtcr600A/SdiT

32、/dtcr600A/S uF Fm m=36kN70kN=36kN70kN IGCT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）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

33、本要求 o峰值电压低于允许值 o开通di/dt1000A/uS o结温低于允许值 o最小开通/关断时间大于10uS，保证电流分布均匀 o门极交流电源幅值符合数据手册规定 o门极驱动电源与IGCT阳极和阴极绝缘 o压装力在36kN和40kN之间 oIGCT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

34、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。 )()()()( 21 tttt SSSv nf )(t Sn STATCOM 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

35、 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.u.1.5 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

36、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45 IGCTIGCT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 ST

37、ATCOM 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 H n nnV KF 7 , 5 , 3 min K i in n n V 1 cos 4 090180270360 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 va1 va2 va3 va4 va5 va6 va7 va8

38、 va9 va10 90 180 270 360 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 N i i M 1 cos /20 i 1 . 0 1 ii 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

39、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, 2 0 321 i iii Mui 1 H n n VF 7 , 5 , 3 2 min 10 1 10 1 3 1 1 )( cos) 1( 4 iij ij j nin na n E uV 090180270360 a12 a13 a91 a92 a9

40、3 vo1 vo2 vo3 vo4 vo5 vo6 vo7 vo8 vo9 vo10 a21 a22 a23 a31 a32 a33 a41 a42 a43 a51 a52 a53 a61 a62 a63 a71 a72 a73 a81 a82 a83 a101 a102 a103 090180270360 -10 -5 0 5 10 各单相桥 输出电压 输出相电压实测相电压 m Uu 50Hz PWM vs 150Hz PWM50Hz PWM vs 150Hz PWM 50Hz 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

41、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 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

42、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

43、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 P N P N PRAPLA PLBPRB DRB DRADLA DLB P N 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

44、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

45、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

46、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 -1000 0 1000 2000 3000 4000 time volts Lead Lag 0.1950.20.2050.210.2150.22 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 time 0.1950.

47、20.2050.210.2150.22 -4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000 time 0.1950.20.2050.210.2150.22 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 time （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

48、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

49、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

50、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/dt,dv/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

51、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/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

52、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

53、线上安装非晶态磁芯, ,抑制共模干扰抑制共模干扰; ; EMI Filter Magnetic 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抗、半 截磁芯电抗和闭合磁芯的电抗截磁芯电抗和闭合磁芯的电抗, ,实测实测 温升高达温升高达200K,200K,无法满足设备长期运无法满足设备长期运 行需要。行需要。 措施：采用水冷却空心电抗，其本体措施：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，为镀镍铜管，冷却水从其底部流入， 顶部流出，实测温升低于顶部流出，实测温升低于10K10K 隔离变压器设计隔离变压器设计 作用：高频隔离作用：高频隔离 最初采用干式变压器方案，最初采用干式变压器方案， 具有体积小维护方便的特具有体积小维护