专利名称：一种基于igbt的兆乏级链式静止同步补偿器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种基于IGBT的兆乏级链式静止同步补偿器，特别涉及一种兆 乏级链式静止同步补偿器的结构设计。
背景技术：
随着现代科学技术的发展，一方面，造成电能质量问题的因素不断增长，如以电力 电子装置为代表的非线性负荷的使用、各种大型用电设备的启停等；另一方面，各种复杂 的、精密的、对电能质量敏感的用电设备不断普及，人们对电能质量及可靠性的要求越来越 高。上述问题的矛盾越来越突出，这使得电能质量问题对电网和配电系统造成的直接危害 和可能对人类生活和生产造成的损失也越来越大，电能质量直接关系到国民经济的总体效
.、 对供电质量及可靠性的要求日益提高是和用户的工艺过程水平的发展相联系的， 近代科技进步又促进生产过程的自动化和智能化，对电能质量提出了更高更新的要求。一 个计算中心失去电源2s就可能破坏几十小时的数据处理结果而造成上百万元的经济损 失。在大型机器制造厂，O. ls的电压突降就可能造成异常的生产状况和质量破坏。当今自 动化设备控制的连续精加工生产线，它们对配电系统中的干扰异常敏感，几分之一秒的不 正常供电就可能在工厂内部造成混乱，其损失是难以估量的。这些用户对不合格电力的容 许度可严格到只有1 2周波。现代化的商贸中心、银行、医院也是如此。谐波的严重危 害和所造成的损失经常被人们所提及，而无人值守变电站中计算机系统突然出现的死机现 象，大多属于电能质量问题。 目前城市和农村配网存在低功率因数和谐波污染问题。大量无功电流在电网中的 流动会导致线路损耗增大，变压器利用率降低，用户电压跌落严重。谐波污染则会使用电设 备所处的环境恶化，也对周围的通信系统和公用电网以外的设备带来危害。谐波对公用电 网和其他系统的危害大致由以下几个方面1.谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波 损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的三次谐波流过中性线时会使线路过热甚 至发生火灾。2.影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还 会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、 绝缘老化、寿命縮短，以致损坏。3.谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从 而使谐波放大，使谐波危害大大增加，甚至引起严重事故。4.谐波会导致继电保护和自动 装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。5.谐波对临近的通信系统产生干扰，轻 者产生噪声，降低通信质量；重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。 如何提高和保证电能质量，已成为国内外电工领域迫切需要解决的重要课题之 随着我国"西电东送"战略的实施和互联电网规模的扩大，电压稳定问题尤为突 出。珠三角及长三角形成的超大型负荷中心存在的主要问题是动态无功支撑日益不足。近 二十年来，世界各地由电压稳定和电压崩溃引发的大面积停电事故，在我国电压崩溃事故也多次发生。采用静止同步补偿器(STATC0M)是解决这些问题的最有效措施之一，它在解 决电网稳定性以及配电电能质量等问题中发挥了相当重要的作用，是目前各国普遍采用的 先进实用技术。 近段时间提出的系统化综合补偿技术是解决电能质量问题的 〃 治本 〃 途径。对于 稳态时的电压质量问题有许多成熟的措施加以解决；但对于动态电能质量问题，依靠传统 的无功补偿和常规的滤波装置则不能有效地解决，因为诸如电压跌落、浪涌、电压脉冲与 瞬时供电中断这类电能质量问题持续的时间很短、变化很快，并且有的电能质量问题还伴 随着部分甚至全部的有功损失等情形。 在电力系统中，为了控制母线电压使之合乎安全、经济运行的要求，经常需要在某 些母线上投入无功补偿。以往常用的手段有机械投入的并联电容器、调相机以及静止无功 补偿器SVC等几种。但它们都存在着一些问题，如最常见的并联电容器运行不便、在系统电 压降低时不能有效地提供无功支持、调相机的设备和运行成本较高、SVC占地面积大和电压 降低时补偿效果差以及运行成本高等缺点。 STATCOM较好的解决了这些问题。与以上几种设备不同，它不需要庞大且昂贵的无 源器件__电容、电感，也不需要旋转电机，占地面积小，其动态响应速度相当快；其工作范 围很宽，容性或感性补偿都很容易实现；它受系统电压变化的影响比较小，可以在系统故障 情况下提供有力的无功支持。 传统的无功补偿是通过储能来实现的，如并联电容器产生超前(容性)无功功率，
并联电抗器产生滞后(感性)无功功率。然而在STATCOM中并不是这样，直流电容和连接电
感不起储能作用，而是通过控制每个桥臂上开关元件的导通角使瞬时无功功率在三相间循
环，从而达到改变注入系统无功功率的目的。在输电系统中，STATC0M通过快速的向系统提
供或吸收无功电流，可以维持受端电压，增强系统电压稳定性，提高系统的负荷能力，或支
撑输电系统关键节点的电压，提高系统稳定极限和输电线路的运行极限。 作为FACTS(基于电力电子技术的灵活交流输电系统)技术与配电系统应用的
延伸-DFACTS技术已成为改善电能质量的有力工具，该技术的核心器件IGBT，它比GT0
具有更快的开关频率，并且关断容量已达到一定规模，因此DFACTS装置具有更快的响
应特性。目前DFACTS装置主要有动态电压恢复器(DVR)、配电系统用静止同步补偿器
(D-STATC0M)、固态切换开关(SSTS)等。 STATC0M在SVC装置基础上，克服了由于呈恒阻抗特性，使得在电压低时，无法提 供所需的无功支持，应付突发事件的能力较弱；而且占地面积大，过多的SVC易引发系统振 荡的弊端，STATCOM的无功电流输出可在很大电压变化范围内恒定，在电压低时仍能提供 较强的无功支撑，并且可从感性到容性全范围内连续调节，使得其无功输出相当于同容量 SVC的1. 4 2倍；因STATCOM的灵活调压，还可以大大减少变压器分接头的切换次数，从而 减少分接头故障次数。另外，STATCOM还可以抑制电压闪变，提高系统暂态稳定水平，结 合我国的国情和已有的技术，发展STATCOM应是解决我国电压稳定问题的有效手段，并且 也是DFACTS技术发展的主要方向。 链式IGBT阀是STATCOM装置与系统交换有功功率和无功功率的环节，阀体主要由 6个连接电抗和12个串联的链节(LINK)组成。STATCOM装置中的组成核心是其链节单元， 每个链节单元都是一个大功率的逆变器。链节为单相H桥电压型逆变单元，是STATC0M装置主电路的核心部分，链节在运行时相当于一个电压相位和幅值均可调节的交流电源。见 图l(a)和图l(b)。 链式STATCOM是近年来逐渐得到关注的新型无功补偿装置，采用IGBT器件的链式 设计技术尚不成熟，国内外尚未见到成熟的结构布局技术方案。基于IGBT的兆乏级链式链 式静止同步补偿器结构设计存在如下技术难点l)链式静止同步补偿器的控制部分和启动 及开关单元布置方式；2)链式静止同步补偿器的IGBT阀单元布置方式；3)阀体的紧凑布置 和集中风冷散热；4)阀体缓冲电抗器的分布安装方式。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种布局合理、结构紧凑、工作可靠、稳定性高的基于
IGBT的兆乏级链式静止同步补偿器，主要用来解决链式静止同步补偿器结构设计存在的链
式静止同步补偿器控制部分和启动及开关单元的布置、链式静止同步补偿器的IGBT阀单
元的布置、阀体缓冲电抗器的布置和阀体的布置及集中风冷散热的问题。 为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案一种基于IGBT的兆乏级链式静
止同步补偿器，该补偿器包括启动及控制柜和三个相同的换流链功率柜，所述的启动及控
制柜内设有一屏蔽板将启动及控制柜前后分为安装高压电器的高压室和安装低压控制电
器的低压室，所述高压电器与低压控制电器之间设有安全的绝缘距离；所述的每个换流链
功率柜自上而下分为六层，相邻层之间设有绝缘框架，每层的底绝缘框架上设有两个链节
单元及其对应的直流电容和均压放电电阻、该层的缓冲电抗器及取能电压互感器，每层的
顶底绝缘框架之间设有散热风道段，各段散热风道段的侧壁散热部件上安装有两个链节单
元的功率IGBT器件和均压IGBT器件，各段散热风道段自上而下串联为整体散热风道，整体
散热风道的端口设有风机。 本实用新型的有益效果是本实用新型所述链式静止同步补偿器启动及控制柜采 用高压电器和低压控制电器的集中设计，既保证了高压电器和低压控制电器之间的安全距 离又占用空间小；所述的换流链功率柜采用链节单元分层安装，有利提高链节单元电气运 行的安全及可靠性；同时换流链功率柜的缓冲电抗器采用分布方式布置于换流链功率柜的 每层，节省了空间，换流链功率柜的每层之间设置绝缘支撑架，保证了各层电器元件之间的 绝缘，另外由各层框架和它们之间设置的绝缘支撑架围成的散热风道，并且在散热风道的 端口通过安装风机，使换流链功率柜的电器元件能够统一集中散热，提高设备运行的可靠 性。 所述换流链功率柜每层链节单元的电器元件和布置有链节单元功率器件IGBT布 置的热管散热器的吸热部分都设置在每层框架内的绝缘板上，并且保证了电器元件到框架 的安全距离，具有占用空间小，布局紧凑的优点。
图1 (a)是缓冲电抗器集中式链式IGBT阀体系统框图； 图1 (b)是缓冲电抗器分布式链式IGBT阀体系统框图； 图2是本实用新型电气连接图； 图3是启动及控制柜及功率链接柜的平面布置图；[0023] 图4是启动及控制柜的主视图 图5是启动及控制柜的左视图； 图6是启动及控制柜的后视图； 图7是功率链接柜每层器件布置图； 图8是功率器件在热管散热器吸热部分上的布置图； 图9是热管散热器安装方式图； 图10是功率链接柜六层12个链接单元安装方式图； 图11是本实用新型的成套装置图。
具体实施方式
本实用新型如图2—图11所示。如图2所示，兆乏级链式静止同步补偿器(STATC 0M， StaticsynchronousVarcompensator)成套装置主要由兆乏级采用功率器件IGBT的链式 逆变器、启动及控制柜组成。IGBT链式逆变器中的缓冲电抗器分布于每个LINK单元内。成 套装置的软启动、取能、并网主接触器以及测量CT都安装在启动及控制柜内，取能PT装于 换流链功率柜内。每个换流链LINK都是单独的风冷风道，并由控制系统统一控制。如图3 所示，每个柜体高度为2600mm，深为1700mm，宽为1000mm。 1、启动及控制柜 从柜体的侧面看，启动及控制柜分为低压控制回路、高压开关和软启动回路。 在低压与高压回路之间有一定的安全距离并且有一层屏蔽钢板。 在高压开关和软启动回路侧，共有3台高压真空接触器、12个软启动电阻、2台电 流互感器CT和1台组合式避雷器。在高压侧系统是直接连接在6kV的系统电压上的，因此 在安全距离设计上按照GB/T311. 2-2002绝缘配合第2部分高压输变电设备的绝缘配合 使用导则中采用最严重的污秽水平的最小标称爬电比距为30mm/kV的要求。采用本设计方 式，主回路电气的安全距离均大于此要求。在高压侧的上部为三相软启动电阻，按照启动功 率的设计要求，软启动电阻采用多个高能陶瓷电阻组合的模式，从后侧看，主回路的主母排 采用10kV绝缘的支撑绝缘子固定，高压真空接触器位于中间位置，三个接触器上下保持一 定间隙，模式可参照图5、6。 在低压侧，可参照低压控制柜的设计方式。在本设计方案里，按照本系统的需求， 面板设置有表计、指示灯、启动及停机按钮、记录数据和进行人机界面操作的工控机、主控 制器、低压操作电源的进线开关和试验端子等。具体可参照图4。 2、换流链功率柜 功率柜共有六层，每层有2个LINK单元，每层的布局和元件完全一致。每层的
器件布置方式见图7。按照系统运行及抑制换流链的冲击电流需要安装缓冲电抗器，按照 传统习惯，是把缓冲电抗器安装在阀体的两端。为了减少缓冲电抗器的占用空间，按照电气 原理把缓冲电抗器化为若干电抗器串联，分布在换流链IGBT阀的内部，最终整个换流链两 端的电抗值保持不变。在每两个LINK单元的一端安装一台小缓冲电抗器，其安装方式见图 7，系统原理及换流链整套缓冲电抗器等效原理见图2。按照本系统接入的是6kV电压，换流 链LINK都处于6kV的系统电压上，所有器件与框架的绝缘距离都要保持6 X 30mm的爬电距 离。而LINK单元之间的电压关系是6kV/12单元=0. 5kV，选用的功率器件IGBT是1700V， 故每层的两LINK单元之间可以靠功率器件IGBT来隔离。功率器件在散热器上的布置方式见图8。上下相邻两层之间安装厚度达到30mm的绝缘支撑横梁上，每层的元件都安装在绝 缘件之上，散热器的安装方式见图9，利用绝缘支撑横梁围成散热器的风道，解决了散热器 之间的绝缘问题。上下六层LINK单元成垂直安装，共同利用一个散热风道，在最上层的散 热器上安装一个绝缘材料的风道，风道顶部并联安装2个风机，无论通风风向是从上向下 或是从下向上都可以运行，详细安装见图10。把六层和风道及风机安装在框架内，加上链节 (LINK)控制器和缓冲电抗及其他器件，就构成了一个完整的换流链功率柜。链节控制器通 过光纤与主控制器连接加上风机电源就可运行。三个完全相同的功率柜和启动及控制柜就 可构成一个成套的兆乏级链式静止同步补偿器成套装置，其正视图见图11。 可以采用不同的送风方式来给换流链功率柜散热器集中制冷，如采用制冷风机分 别或集中管道送风，但是其成本稍高，技术实现难度及复杂性也要高于本方案；绝缘横梁的 使用也可以使用整张绝缘板代替，同样成本稍高；缓冲电抗器采用集中方式也可代替分布 式安装，但会增加设备空间；低压控制和高压开关分别布置方式，能便于检修，但会增加空 间和设备成本。
权利要求一种基于IGBT的兆乏级链式静止同步补偿器，其特征在于该补偿器包括启动及控制柜和三个相同的换流链功率柜，所述的启动及控制柜内设有一屏蔽板将启动及控制柜前后分为安装高压电器的高压室和安装低压控制电器的低压室，所述高压电器与低压控制电器之间设有安全的绝缘距离；所述的每个换流链功率柜自上而下分为六层，相邻层之间设有绝缘框架，每层的底绝缘框架上设有两个链节单元及其对应的直流电容和均压放电电阻、该层的缓冲电抗器及取能电压互感器，每层的顶底绝缘框架之间设有散热风道段，各段散热风道段的侧壁散热部件上安装有两个链节单元的功率IGBT器件和均压IGBT器件，各段散热风道段自上而下串联为整体散热风道，整体散热风道的端口设有风机。
专利摘要本实用新型涉及一种基于IGBT的兆乏级链式静止同步补偿器，该补偿器包括启动及控制柜和三个相同的换流链功率柜，所述的启动及控制柜内设有一屏蔽板将启动及控制柜前后分为安装高压电器的高压室和安装低压控制电器的低压室，所述高压电器与低压控制电器之间设有安全的绝缘距离；所述的每个换流链功率柜自上而下分为六层，相邻层之间设有绝缘框架，每层的底绝缘框架上设有两个链节单元，各段散热风道段的侧壁散热部件上安装有两个链节单元的功率IGBT器件和均压IGBT器件，各段散热风道段自上而下串联为整体散热风道，整体散热风道的端口设有风机。
文档编号H05K7/20GK201536265SQ20092031216
公开日2010年7月28日 申请日期2009年10月9日 优先权日2009年10月9日
发明者于文杰, 吕劲松, 张东江, 张建兴, 李正力, 邸思忠, 陈天锦 申请人:许继集团有限公司;许继电源有限公司