分布式层级过电压控制系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种分布式层级过电压控制系统及方法，该系统包括组合式过电压保护器、能量吸收器、连接电抗器、功率单元、功率单元嵌位限压器、层叠母线和IGBT感应电压嵌位器；能量吸收器与连接电抗器并联后的一端连接组合式过电压保护器，并联后的另一端连接功率单元，且功率单元嵌位限压器和层叠母线分别与功率单元连接。本发明采用五级防线，对来自各方面的过电压能量进行抑制，能够防止由于装置过电压侵入连接电抗器的截流过电压、IGBT关断过电压等危险过电压对IGBT的危害，保证SVG装置的安全可靠运行；且该系统及方法操作简单、工作效率高及延长了该SVG装置的使用寿命。
【专利说明】分布式层级过电压控制系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力领域，尤其涉及一种分布式层级过电压控制系统及方法。
【背景技术】
[0002]中压静止型动态同步补偿装置，简称SVG，以其能够快速响应信号变化、能够吸收和发出无功功率进行双向调节、占地面积小及调节特性不受电网电压的影响等诸多的优势，在21世纪的电能质量治理技术中，成为无可争辩的核心产品，而得到了长足的发展，并成为电力电子技术在电力系统领域的重要发展方向。该技术在钢铁、有色、矿山、电气化铁路、风电等领域也有极大的运用前景，但在该项技术及相关产品的研究推广生产的初级阶段，在现场运行中频繁出现功率单元的IGBT莫明击穿，爆炸导致装置停机无法正常运行；更有甚者还发生由于IGBT爆炸而引发的装置内部短路，使装置大面积损坏而失去应有功能，这种缺陷给现场的生产带来较大的损失和恶劣的影响。而造成上述问题的原因来自多方面，主要有以下几方面:
[0003]I)中压SVG属于直接式接入方式，将连接电抗器直接连接于母线上，母线在运行中发生的各类暂态过电压和瞬时过电压，都会通过连接电抗器作用于SVG上链接的各功率单元IGBT上，对IGBT的安全运行带来了较大威胁，长此以往，可能发生将某一薄弱功率单元IGBT的C、E极击穿而导致“直通”事故发生而爆炸。
[0004]2)由于连接电抗器的自身容量及电感量较大，尤其是有较大电流通过时，其自身存储的磁场能量非常高，当控制的PWM波作用于各功率单元IGBT时，在IGBT关断到导通的转换过程中，由于电流快速转换截断，必然使连接电抗器上产生较高的过电压，该过电压再叠加上系统自身电压，全部作用在各功率单元IGBT上，水会使绝缘薄弱的某一薄弱功率单元IGBT的C、E极击穿而使功率单元IGBT过流致停机。
[0005]3)由于功率单元IGBT的结构所限，连接在电解电容与齐IGBT之间的正、负极直流母线，一般用铜排采用分立式进行装配，这种结构在运行中，由于铜排自身杂散电感太大，而在IGBT工作于导通到关断的转换过程中，产生较高的过电压作用于功率单元IGBT的C、E极间，长期作用的结果必将导致IGBTC、E极绝缘击穿而损坏。
[0006]4)正常情况下，用于驱动IGBT工作的驱动线是分别连接在IGBT的G、E极和驱动板上对应驱动回路输出端子上。在运行中，由于长期运行氧化、振动、接触不良的影响，必然使得功率单元IGBT的G、E极因接触不良而“悬空”，当交变的高电场作用于其上时，将会发生功率单元IGBT的“误触发”导通，而将使该单元IGBT支路过电流，轻则SVG停机，重则IGBT爆炸而形成内部短路而造成更大损失。
[0007]综合上述的描述，市面上急需一种新型的过电压控制方法来解决上述的问题。
【发明内容】
[0008]针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种分布式层级过电压控制系统及方法，该系统分为五级防线，对来自各方面的过电压能量进行抑制，有效防止功率单元IGBT的C、E极击穿，保证SVG装置安全可靠的运行。
[0009]为实现上述目的，本发明提供一种分布式层级过电压控制系统，包括安装于SVG进线柜内的组合式过电压保护器、能量吸收器、连接电抗器、功率单元、功率单元嵌位限压器、层叠母线和IGBT感应电压嵌位器；所述能量吸收器与连接电抗器并联后的一端连接组合式过电压保护器，并联后的另一端连接功率单元，且所述功率单元嵌位限压器和层叠母线分别与功率单元连接，所述IGBT感应电压嵌位器的两端分别连接在功率单元中每个IGBT的G极和E极之间，且所述IGBT感应电压嵌位器的两端连接在驱动板的输出端子G与输出端子E之间；
[0010]所述层叠母线包括正极铜排和负极铜排，所述正极铜排与负极铜排重叠铺放形成一母线，且所述正极铜排与负极铜排之间夹持有第一绝缘薄膜，所述母线的表面覆盖有第
二绝缘薄膜。
[0011]其中，所述正极铜排的一端与串联的电解电容器组的正极连接，所述正极铜排的另一端分别与功率单元中IGBT的E极连接。
[0012]其中，所述功率单元嵌位限压器安装在功率单元的两根输出铜排之间。
[0013]其中，所述IGBT感应电压嵌位器包括两个稳压管和一个电阻；所述两个稳压管反串联后与电阻并联。
[0014]为实现上述目的，本发明还提供一种分布式层级过电压控制方法，包括以下步骤:
[0015]步骤A:由组合式过电压保护器形成第一级防线，对侵入SVG装置电源的大气过电压和操作过电压的大部分能量进行吸收，并将大气过电压和操作过电压的幅值限制在SVG装置允许的安全范围之内；
[0016]步骤B:能量吸收器与连接电抗器并联后形成第二级防线，在连接电抗器产生过电压的瞬间，采用能量吸收器对连接电抗器上的大部分磁场能量进行吸收，并将该连接电抗器产生的过电压限制在SVG装置安全范围之内；
[0017]步骤C:由功率单元嵌位限压器形成第三级防线，将步骤A和步骤B中剩余的过电压能量全部吸收，并将功率单元入口的电压限制在功率单元中每个IGBT允许的绝缘范围之内；
[0018]步骤D:由层叠母线形成第四级防线，对母线杂散电感产生过电压进行吸收，使得母线杂散电感的过电压大幅度减少；
[0019]步骤E:由IGBT感应电压嵌位器形成第五级防线，对驱动板接触不良所发生的交变电场感应过电压进行消耗，并快速将存储在IGBT的G极与E极之间的电荷进行消耗。
[0020]其中，所述步骤D还包括通过加装小容量无感电容,对功率单元中每个IGBT开关的过电压进行吸收
[0021]其中，所述层叠母线经紧密垫压成型，对正极铜排和负极铜排进行散热，并对层叠母线周围绝缘及均化电场应力。
[0022]其中，所述步骤E中由反串联的两个稳压管将驱动板过电压限制在允许的范围内，由电阻快速将存储在IGBT的G极与E极之间的电荷进行消耗。
[0023]与现有技术相比，本发明提供的分布式层级过电压控制系统及方法，具有以下有益效果:[0024]I)由组合式过电压保护器形成第一级防线，对侵入SVG装置电源的大气过电压和操作过电压的大部分能量进行吸收，并将大气过电压和操作过电压的幅值限制在SVG装置允许的安全范围之内，可有效防止电源外部的过电压对SVG装置的破坏，使得SVG装置安全可靠的运行。
[0025]2)层叠母线的正极铜排与负极铜排重叠铺放，且两者间夹持有第一绝缘薄膜，提高了该层叠母线的正负极间绝缘耐受电压效果，母线表面覆盖第二绝缘薄，且满足铜排散热，对周围绝缘及均化电场应力，可有效防止电场应力集中所导致绝缘内部局部放电和电晕放电对绝缘材料的损害，且解决了现有技术中铜排分立装配铜排自身杂散电感太大而致IGBT的C极与E极绝缘击穿而损坏的问题。
[0026]3)能量吸收器与连接电抗器并联后形成第二级防线，在连接电抗器产生过电压的瞬间，采用能量吸收器对连接电抗器上的大部分磁场能量进行吸收，该第二级防线可将连接电抗器自身存储的磁场能量及PWM波作用于各功率单元IGBT时产生的过电压吸收，能够解决了连接电抗器的截流过电压、IGBT关断过电压等危险过电压对IGBT的危害。
[0027]4)由IGBT感应电压嵌位器形成第五级防线，对驱动板接触不良所发生的交变电场感应过电压进行消耗，可有效解决现有技术中功率单元IGBT的误触发导通问题。
[0028]5)本发明采用五级防线，对来自各方面的过电压能量进行抑制，能够防止由于装置过电压侵入连接电抗器的截流过电压、IGBT关断过电压等危险过电压对IGBT的危害，保证SVG装置的安全可靠运行；且该系统及方法操作简单、工作效率高及延长了该SVG装置的使用寿命。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1为本发明的分布式层级过电压控制系统的方框图；
[0030]图2为本发明的分布式层`级过电压控制系统中层叠母线的结构示意图；
[0031]图3为本发明的分布式层级过电压控制方法的步骤流程图。
[0032]主要元件符号说明如下:
[0033]10、组合式过电压保护器11、能量吸收器
[0034]12、连接电抗器13、功率单元
[0035]14、功率单元嵌位限压器15、层叠母线
[0036]16、IGBT感应电压嵌位器17、电源
[0037]151、正极铜排152、负极铜排
[0038]153、第一绝缘薄膜
【具体实施方式】
[0039]为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。
[0040]请参阅图1-2，本发明的分布式层级过电压控制系统，包括安装于SVG进线柜内的组合式过电压保护器10、能量吸收器11、连接电抗器12、功率单元13、功率单元嵌位限压器14、层叠母线15和IGBT感应电压嵌位器16 ;能量吸收器11与连接电抗器12并联后的一端连接组合式过电压保护器10，两者并联后的另一端连接功率单元13，且功率单元嵌位限压器14和层叠母线15分别与功率单元13连接，IGBT感应电压嵌位器16的两端分别连接在功率单元13中每个IGBT的G极和E极之间，且IGBT感应电压嵌位器16两端也连接在驱动板的输出端子G与输出端子E之间；功率单元嵌位限压器，14安装在功率单元13的两根输出铜排之间；层叠母线15包括正极铜排151和负极铜排152，正极铜排151的一端与串联的电解电容器组的正极连接，负极铜排152的另一端分别与功率单元13中IGBT的E极连接，如可连接在IGBT2、IGBT4的E极。正极铜排151与负极铜排152重叠铺放形成一母线，且正极铜排151与负极铜排152之间夹持有第一绝缘薄膜153，母线的表面覆盖有第二绝缘薄膜(图未示);IGBT感应电压嵌位器16包括两个稳压管和一个电阻；两个稳压管反串联后与电阻并联。
[0041]上述的第一绝缘薄膜153和第二绝缘薄膜均由PET制成，第一绝缘薄膜153起到正负极间绝缘耐受电压的作用；在正负极铜排的外面，即该母线的表面用第二绝缘薄膜PET材料进行覆盖，并经模具紧密垫压成型，使其满足铜排散热，对周围绝缘及均化电场应力，防止电场应力集中所导致绝缘内部局部放电和电晕放电对绝缘材料的损害。
[0042]请参阅图3，本发明的分布式层级过电压控制方法，包括以下步骤:
[0043]步骤S1:由组式过电压保护器10形成第一级防线，对侵入SVG装置电源17的大气过电压和操作过电压的大部分能量进行吸收，并将大气过电压和操作过电压的幅值限制在SVG装置允许的安全范围之内，该安全范围为一分钟工频耐压42KV、冲击电压75KV。
[0044]步骤S2:能量吸收器11与连接电抗器12并联后形成第二级防线，在连接电抗器12产生过电压的瞬间，采用能量吸收器11对连接电抗器12上的大部分磁场能量进行吸收，并将该连接电抗器12产生的过电压限制在SVG装置安全范围之内，同理，该安全范围为一分钟工频耐压42KV、冲击电压75KV。
[0045]步骤S3:由功率单元嵌位限压器14形成第三级防线，将步骤SI和步骤S2中剩余的过电压能量全部吸收，并将功率单元13入口的电压限制在功率单元13中每个IGBT允许的1700V绝缘范围之内。
[0046]步骤S4:由层叠母线15形成第四级防线，对母线杂散电感产生过电压进行吸收，使得母线杂散电感的过电压大幅度减少。该步骤中还通过加装小容量无感电容，对IGBT开关的过电压进行吸收。
[0047]步骤S5:由IGBT感应电压嵌位器16形成第五级防线，对驱动板接触不良所发生的交变电场感应过电压进行消耗，并快速将存储在IGBT的G极与E极之间的电荷进行消耗。
[0048]以下对上述的五个步骤进行详细的描述:本发明的方法投入运行后，在系统发生大气过电压和操作过电压侵入SVG时，由SVG进线柜中的组合式过电压保护器10形成第一级防线，吸收大部分能量，并将过电压幅值限制在设备允许的安全范围之内，防止了外部过电压的入侵而保护设备。其次，在正常运行中，控制器控制的PWM波信号驱动IGBT工作，在H桥的四个IGBT管子的导通-关断的转换过程中，因连接电抗器12的频繁截流，导致连接电抗器12上参数较高的过电压，该过电压沿链式电路侵入各功率单元13中，对各功率单元13的IGBT绝缘构成较大威胁；由于IGBT反复频繁的开通——关断，直流母线上杂散电感上磁场的作用及与直流电压叠加而产生的过电压，也会作用于IGBT的C极与E极上，对IGBT绝缘构成威胁，在此过程中，通过在连接电抗器12的二端并联上能量吸收器11形成第二级防线，能够在连接电抗器12产生过电压的瞬间，将连接电抗器12上的大部分磁场能量吸收掉并将该过电压限制在设备安全范围之内，保护设备安全。再次，当部分过电压能量仍有侵入功率单元13时，由功率单元嵌位限压器14形成第三级防线，将侵入波的能量全部吸收，并将功率单元13入口的电压限制在IGBT允许的绝缘范围之内。第四，针对母线杂散电感较大的产生过电压幅值较高危害IGBT运行问题采用层叠式母线能够大幅度减小直流母线的杂散电感值，使关断过电压水平大幅下降，同时，通过加装小容量无感电容，对IGBT产生的开关“毛刺”进行吸收后，将大幅度减少过电压对IGBT的危害。第五，针对驱动板接触不良所发生的交变电场感应过电压，对IGBT误触发问题，由IGBT感应电压嵌位器16形成第五级防线，当感应过电压到来时，由反串联稳压管将电压限制在允许范围，同时，由并联电阻快速将存储在IGBT的G极与E极间等效电容上的电荷进行消耗，使其不能稳定建立触发电场和电压，从而防止了 IGBT的误触发导通所引发的短路事故。
[0049]本发明提供的分布式层级过电压控制系统及方法，具有以下优势:
[0050]I)由SVG进线柜中的组合式过电压保护器10形成第一级防线，对侵入SVG装置电源17的大气过电压和操作过电压的大部分能量进行吸收，并将大气过电压和操作过电压的幅值限制在SVG装置允许的安全范围之内，可有效防止电源外部的过电压对SVG装置的破坏，使得SVG装置安全可靠的运行。
[0051]2)层叠母线15的正极铜排151与负极铜排152重叠铺放，且两者间夹持有第一绝缘薄膜153，提高了该层叠母线的正负极间绝缘耐受电压效果，母线表面覆盖第二绝缘薄膜，满足铜排散热，对周围绝缘及均化电场应力，可有效防止电场应力集中所导致绝缘内部局部放电和电晕放电对绝缘材料的损害，且解决了现有技术中铜排分立装配铜排自身杂散电感太大而致IGBT的C极与E极绝缘击穿而损坏的问题。
[0052]3)能量吸收器11与连接电抗器12并联后形成第二级防线，在连接电抗器12产生过电压的瞬间，采用能量吸收器11对连接电抗器12上的大部分磁场能量进行吸收，该第二级防线可将连接电抗器12自身存储的磁场能量及PWM波作用于各功率单元13IGBT时产生的过电压吸收，能够解决了连接电抗器12的截流过电压、IGBT关断过电压等危险过电压对IGBT的危害。
[0053]4)由IGBT感应电压嵌位器16形成第五级防线，对驱动板接触不良所发生的交变电场感应过电压进行消耗，可有效解决现有技术中功率单元IGBT的误触发导通问题。
[0054]5)本发明采用五级防线，对来自各方面的过电压能量进行抑制，能够防止由于装置过电压侵入连接电抗器12的截流过电压、IGBT关断过电压等危险过电压对IGBT的危害，保证SVG装置的安全可靠运行；且该系统及方法操作简单、工作效率高及延长了该SVG装置的使用寿命。
[0055]以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种分布式层级过电压控制系统，其特征在于，包括安装于SVG进线柜内的组合式过电压保护器、能量吸收器、连接电抗器、功率单元、功率单元嵌位限压器、层叠母线和IGBT感应电压嵌位器；所述能量吸收器与连接电抗器并联后的一端连接组合式过电压保护器，并联后的另一端连接功率单元，且所述功率单元嵌位限压器和层叠母线分别与功率单元连接，所述IGBT感应电压嵌位器的两端分别连接在功率单元中每个IGBT的G极和E极之间，且所述IGBT感应电压嵌位器的两端连接在驱动板的输出端子G与输出端子E之间； 所述层叠母线包括正极铜排和负极铜排，所述正极铜排与负极铜排重叠铺放形成一母线，且所述正极铜排与负极铜排之间夹持有第一绝缘薄膜，所述母线的表面覆盖有第二绝缘薄膜。
2.根据权利要求1所述的分布式层级过电压控制系统，其特征在于，所述正极铜排的一端与串联的电解电容器组的正极连接，所述正极铜排的另一端分别与功率单元中IGBT的E极连接。
3.根据权利要求1或2所述的分布式层级过电压控制系统，其特征在于，所述功率单元嵌位限压器安装在功率单元的两根输出铜排之间。
4.根据权利要求3所述的分布式层级过电压控制系统，其特征在于，所述IGBT感应电压嵌位器包括两个稳压管和一个电阻；所述两个稳压管反串联后与电阻并联。
5.一种分布式层级过电压控制方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤A:由组合式过电压保护器形成第一级防线，对侵入SVG装置电源的大气过电压和操作过电压的大部分能量进行吸收，并将大气过电压和操作过电压的幅值限制在SVG装置允许的安全范围之内； 步骤B:能量吸收器与连接电抗器并联后形成第二级防线，在连接电抗器产生过电压的瞬间，采用能量吸收器对连接电抗器上的大部分磁场能量进行吸收，并将该连接电抗器产生的过电压限制在SVG装置安全范围之内； 步骤C:由功率单元嵌位限压器形成第三级防线，将步骤A和步骤B中剩余的过电压能量全部吸收，并将功率单元入口的电压限制在功率单元中每个IGBT允许的绝缘范围之内； 步骤D:由层叠母线形成第四级防线，对母线杂散电感产生过电压进行吸收，使得母线杂散电感的过电压大幅度减少； 步骤E:由IGBT感应电压嵌位器形成第五级防线，对驱动板接触不良所发生的交变电场感应过电压进行消耗，快速将存储在IGBT的G极与E极之间的电荷进行消耗。
6.根据权利要求5所述的分布式层级过电压控制方法，其特征在于，所述步骤D还包括通过加装小容量无感电容，对功率单元中每个IGBT开关的过电压进行吸收。
7.根据权利要求5所述的分布式层级过电压控制方法，其特征在于，所述层叠母线经紧密垫压成型，对正极铜排和负极铜排进行散热，并对层叠母线周围绝缘及均化电场应力。
8.根据权利要求5所述的分布式层级过电压控制方法，其特征在于，所述步骤E中由反串联的两个稳压管将驱动板过电压限制在允许的范围内，由电阻快速将存储在IGBT的G极与E极之间的电荷进行消耗。
【文档编号】H02J3/18GK103490400SQ201310367521
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年8月21日 优先权日:2013年8月21日
【发明者】李俭华 申请人:安徽国科电力设备有限公司