專利名稱：一種基于igbt的兆乏級鏈式靜止同步補償器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種基于IGBT的兆乏級鏈式靜止同步補償器，特別涉及一種兆 乏級鏈式靜止同步補償器的結構設計。
背景技術：
隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，一方面，造成電能質量問題的因素不斷增長，如以電力 電子裝置為代表的非線性負荷的使用、各種大型用電設備的啟停等；另一方面，各種復雜 的、精密的、對電能質量敏感的用電設備不斷普及，人們對電能質量及可靠性的要求越來越 高。上述問題的矛盾越來越突出，這使得電能質量問題對電網和配電系統(tǒng)造成的直接危害 和可能對人類生活和生產造成的損失也越來越大，電能質量直接關系到國民經濟的總體效
.、 對供電質量及可靠性的要求日益提高是和用戶的工藝過程水平的發(fā)展相聯(lián)系的， 近代科技進步又促進生產過程的自動化和智能化，對電能質量提出了更高更新的要求。一 個計算中心失去電源2s就可能破壞幾十小時的數據處理結果而造成上百萬元的經濟損 失。在大型機器制造廠，O. ls的電壓突降就可能造成異常的生產狀況和質量破壞。當今自 動化設備控制的連續(xù)精加工生產線，它們對配電系統(tǒng)中的干擾異常敏感，幾分之一秒的不 正常供電就可能在工廠內部造成混亂，其損失是難以估量的。這些用戶對不合格電力的容 許度可嚴格到只有1 2周波?，F(xiàn)代化的商貿中心、銀行、醫(yī)院也是如此。諧波的嚴重危 害和所造成的損失經常被人們所提及，而無人值守變電站中計算機系統(tǒng)突然出現(xiàn)的死機現(xiàn) 象，大多屬于電能質量問題。 目前城市和農村配網存在低功率因數和諧波污染問題。大量無功電流在電網中的 流動會導致線路損耗增大，變壓器利用率降低，用戶電壓跌落嚴重。諧波污染則會使用電設 備所處的環(huán)境惡化，也對周圍的通信系統(tǒng)和公用電網以外的設備帶來危害。諧波對公用電 網和其他系統(tǒng)的危害大致由以下幾個方面1.諧波使公用電網中的元件產生了附加的諧波 損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設備的效率，大量的三次諧波流過中性線時會使線路過熱甚 至發(fā)生火災。2.影響各種電氣設備的正常工作。諧波對電機的影響除引起附加損耗外，還 會產生機械振動、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴重過熱。諧波使電容器、電纜等設備過熱、 絕緣老化、壽命縮短，以致?lián)p壞。3.諧波會引起公用電網中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從 而使諧波放大，使諧波危害大大增加，甚至引起嚴重事故。4.諧波會導致繼電保護和自動 裝置的誤動作，并會使電氣測量儀表計量不準確。5.諧波對臨近的通信系統(tǒng)產生干擾，輕 者產生噪聲，降低通信質量；重者導致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。 如何提高和保證電能質量，已成為國內外電工領域迫切需要解決的重要課題之 隨著我國"西電東送"戰(zhàn)略的實施和互聯(lián)電網規(guī)模的擴大，電壓穩(wěn)定問題尤為突 出。珠三角及長三角形成的超大型負荷中心存在的主要問題是動態(tài)無功支撐日益不足。近 二十年來，世界各地由電壓穩(wěn)定和電壓崩潰引發(fā)的大面積停電事故，在我國電壓崩潰事故也多次發(fā)生。采用靜止同步補償器(STATC0M)是解決這些問題的最有效措施之一，它在解 決電網穩(wěn)定性以及配電電能質量等問題中發(fā)揮了相當重要的作用，是目前各國普遍采用的 先進實用技術。 近段時間提出的系統(tǒng)化綜合補償技術是解決電能質量問題的 〃 治本 〃 途徑。對于 穩(wěn)態(tài)時的電壓質量問題有許多成熟的措施加以解決；但對于動態(tài)電能質量問題，依靠傳統(tǒng) 的無功補償和常規(guī)的濾波裝置則不能有效地解決，因為諸如電壓跌落、浪涌、電壓脈沖與 瞬時供電中斷這類電能質量問題持續(xù)的時間很短、變化很快，并且有的電能質量問題還伴 隨著部分甚至全部的有功損失等情形。 在電力系統(tǒng)中，為了控制母線電壓使之合乎安全、經濟運行的要求，經常需要在某 些母線上投入無功補償。以往常用的手段有機械投入的并聯(lián)電容器、調相機以及靜止無功 補償器SVC等幾種。但它們都存在著一些問題，如最常見的并聯(lián)電容器運行不便、在系統(tǒng)電 壓降低時不能有效地提供無功支持、調相機的設備和運行成本較高、SVC占地面積大和電壓 降低時補償效果差以及運行成本高等缺點。 STATCOM較好的解決了這些問題。與以上幾種設備不同，它不需要龐大且昂貴的無 源器件__電容、電感，也不需要旋轉電機，占地面積小，其動態(tài)響應速度相當快；其工作范 圍很寬，容性或感性補償都很容易實現(xiàn)；它受系統(tǒng)電壓變化的影響比較小，可以在系統(tǒng)故障 情況下提供有力的無功支持。 傳統(tǒng)的無功補償是通過儲能來實現(xiàn)的，如并聯(lián)電容器產生超前(容性)無功功率，
并聯(lián)電抗器產生滯后(感性)無功功率。然而在STATCOM中并不是這樣，直流電容和連接電
感不起儲能作用，而是通過控制每個橋臂上開關元件的導通角使瞬時無功功率在三相間循
環(huán)，從而達到改變注入系統(tǒng)無功功率的目的。在輸電系統(tǒng)中，STATC0M通過快速的向系統(tǒng)提
供或吸收無功電流，可以維持受端電壓，增強系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)的負荷能力，或支
撐輸電系統(tǒng)關鍵節(jié)點的電壓，提高系統(tǒng)穩(wěn)定極限和輸電線路的運行極限。 作為FACTS(基于電力電子技術的靈活交流輸電系統(tǒng))技術與配電系統(tǒng)應用的
延伸-DFACTS技術已成為改善電能質量的有力工具，該技術的核心器件IGBT，它比GT0
具有更快的開關頻率，并且關斷容量已達到一定規(guī)模，因此DFACTS裝置具有更快的響
應特性。目前DFACTS裝置主要有動態(tài)電壓恢復器(DVR)、配電系統(tǒng)用靜止同步補償器
(D-STATC0M)、固態(tài)切換開關(SSTS)等。 STATC0M在SVC裝置基礎上，克服了由于呈恒阻抗特性，使得在電壓低時，無法提 供所需的無功支持，應付突發(fā)事件的能力較弱；而且占地面積大，過多的SVC易引發(fā)系統(tǒng)振 蕩的弊端，STATCOM的無功電流輸出可在很大電壓變化范圍內恒定，在電壓低時仍能提供 較強的無功支撐，并且可從感性到容性全范圍內連續(xù)調節(jié)，使得其無功輸出相當于同容量 SVC的1. 4 2倍；因STATCOM的靈活調壓，還可以大大減少變壓器分接頭的切換次數，從而 減少分接頭故障次數。另外，STATCOM還可以抑制電壓閃變，提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平，結 合我國的國情和已有的技術，發(fā)展STATCOM應是解決我國電壓穩(wěn)定問題的有效手段，并且 也是DFACTS技術發(fā)展的主要方向。 鏈式IGBT閥是STATCOM裝置與系統(tǒng)交換有功功率和無功功率的環(huán)節(jié)，閥體主要由 6個連接電抗和12個串聯(lián)的鏈節(jié)(LINK)組成。STATCOM裝置中的組成核心是其鏈節(jié)單元， 每個鏈節(jié)單元都是一個大功率的逆變器。鏈節(jié)為單相H橋電壓型逆變單元，是STATC0M裝置主電路的核心部分，鏈節(jié)在運行時相當于一個電壓相位和幅值均可調節(jié)的交流電源。見 圖l(a)和圖l(b)。 鏈式STATCOM是近年來逐漸得到關注的新型無功補償裝置，采用IGBT器件的鏈式 設計技術尚不成熟，國內外尚未見到成熟的結構布局技術方案?；贗GBT的兆乏級鏈式鏈 式靜止同步補償器結構設計存在如下技術難點l)鏈式靜止同步補償器的控制部分和啟動 及開關單元布置方式；2)鏈式靜止同步補償器的IGBT閥單元布置方式；3)閥體的緊湊布置 和集中風冷散熱；4)閥體緩沖電抗器的分布安裝方式。

實用新型內容本實用新型的目的是提供一種布局合理、結構緊湊、工作可靠、穩(wěn)定性高的基于
IGBT的兆乏級鏈式靜止同步補償器，主要用來解決鏈式靜止同步補償器結構設計存在的鏈
式靜止同步補償器控制部分和啟動及開關單元的布置、鏈式靜止同步補償器的IGBT閥單
元的布置、閥體緩沖電抗器的布置和閥體的布置及集中風冷散熱的問題。 為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術方案一種基于IGBT的兆乏級鏈式靜
止同步補償器，該補償器包括啟動及控制柜和三個相同的換流鏈功率柜，所述的啟動及控
制柜內設有一屏蔽板將啟動及控制柜前后分為安裝高壓電器的高壓室和安裝低壓控制電
器的低壓室，所述高壓電器與低壓控制電器之間設有安全的絕緣距離；所述的每個換流鏈
功率柜自上而下分為六層，相鄰層之間設有絕緣框架，每層的底絕緣框架上設有兩個鏈節(jié)
單元及其對應的直流電容和均壓放電電阻、該層的緩沖電抗器及取能電壓互感器，每層的
頂底絕緣框架之間設有散熱風道段，各段散熱風道段的側壁散熱部件上安裝有兩個鏈節(jié)單
元的功率IGBT器件和均壓IGBT器件，各段散熱風道段自上而下串聯(lián)為整體散熱風道，整體
散熱風道的端口設有風機。 本實用新型的有益效果是本實用新型所述鏈式靜止同步補償器啟動及控制柜采 用高壓電器和低壓控制電器的集中設計，既保證了高壓電器和低壓控制電器之間的安全距 離又占用空間小；所述的換流鏈功率柜采用鏈節(jié)單元分層安裝，有利提高鏈節(jié)單元電氣運 行的安全及可靠性；同時換流鏈功率柜的緩沖電抗器采用分布方式布置于換流鏈功率柜的 每層，節(jié)省了空間，換流鏈功率柜的每層之間設置絕緣支撐架，保證了各層電器元件之間的 絕緣，另外由各層框架和它們之間設置的絕緣支撐架圍成的散熱風道，并且在散熱風道的 端口通過安裝風機，使換流鏈功率柜的電器元件能夠統(tǒng)一集中散熱，提高設備運行的可靠 性。 所述換流鏈功率柜每層鏈節(jié)單元的電器元件和布置有鏈節(jié)單元功率器件IGBT布 置的熱管散熱器的吸熱部分都設置在每層框架內的絕緣板上，并且保證了電器元件到框架 的安全距離，具有占用空間小，布局緊湊的優(yōu)點。

圖1 (a)是緩沖電抗器集中式鏈式IGBT閥體系統(tǒng)框圖； 圖1 (b)是緩沖電抗器分布式鏈式IGBT閥體系統(tǒng)框圖； 圖2是本實用新型電氣連接圖； 圖3是啟動及控制柜及功率鏈接柜的平面布置圖；[0023] 圖4是啟動及控制柜的主視圖 圖5是啟動及控制柜的左視圖； 圖6是啟動及控制柜的后視圖； 圖7是功率鏈接柜每層器件布置圖； 圖8是功率器件在熱管散熱器吸熱部分上的布置圖； 圖9是熱管散熱器安裝方式圖； 圖10是功率鏈接柜六層12個鏈接單元安裝方式圖； 圖11是本實用新型的成套裝置圖。
具體實施方式
本實用新型如圖2—圖11所示。如圖2所示，兆乏級鏈式靜止同步補償器(STATC 0M， StaticsynchronousVarcompensator)成套裝置主要由兆乏級采用功率器件IGBT的鏈式 逆變器、啟動及控制柜組成。IGBT鏈式逆變器中的緩沖電抗器分布于每個LINK單元內。成 套裝置的軟啟動、取能、并網主接觸器以及測量CT都安裝在啟動及控制柜內，取能PT裝于 換流鏈功率柜內。每個換流鏈LINK都是單獨的風冷風道，并由控制系統(tǒng)統(tǒng)一控制。如圖3 所示，每個柜體高度為2600mm，深為1700mm，寬為1000mm。 1、啟動及控制柜 從柜體的側面看，啟動及控制柜分為低壓控制回路、高壓開關和軟啟動回路。 在低壓與高壓回路之間有一定的安全距離并且有一層屏蔽鋼板。 在高壓開關和軟啟動回路側，共有3臺高壓真空接觸器、12個軟啟動電阻、2臺電 流互感器CT和1臺組合式避雷器。在高壓側系統(tǒng)是直接連接在6kV的系統(tǒng)電壓上的，因此 在安全距離設計上按照GB/T311. 2-2002絕緣配合第2部分高壓輸變電設備的絕緣配合 使用導則中采用最嚴重的污穢水平的最小標稱爬電比距為30mm/kV的要求。采用本設計方 式，主回路電氣的安全距離均大于此要求。在高壓側的上部為三相軟啟動電阻，按照啟動功 率的設計要求，軟啟動電阻采用多個高能陶瓷電阻組合的模式，從后側看，主回路的主母排 采用10kV絕緣的支撐絕緣子固定，高壓真空接觸器位于中間位置，三個接觸器上下保持一 定間隙，模式可參照圖5、6。 在低壓側，可參照低壓控制柜的設計方式。在本設計方案里，按照本系統(tǒng)的需求， 面板設置有表計、指示燈、啟動及停機按鈕、記錄數據和進行人機界面操作的工控機、主控 制器、低壓操作電源的進線開關和試驗端子等。具體可參照圖4。 2、換流鏈功率柜 功率柜共有六層，每層有2個LINK單元，每層的布局和元件完全一致。每層的
器件布置方式見圖7。按照系統(tǒng)運行及抑制換流鏈的沖擊電流需要安裝緩沖電抗器，按照 傳統(tǒng)習慣，是把緩沖電抗器安裝在閥體的兩端。為了減少緩沖電抗器的占用空間，按照電氣 原理把緩沖電抗器化為若干電抗器串聯(lián)，分布在換流鏈IGBT閥的內部，最終整個換流鏈兩 端的電抗值保持不變。在每兩個LINK單元的一端安裝一臺小緩沖電抗器，其安裝方式見圖 7，系統(tǒng)原理及換流鏈整套緩沖電抗器等效原理見圖2。按照本系統(tǒng)接入的是6kV電壓，換流 鏈LINK都處于6kV的系統(tǒng)電壓上，所有器件與框架的絕緣距離都要保持6 X 30mm的爬電距 離。而LINK單元之間的電壓關系是6kV/12單元=0. 5kV，選用的功率器件IGBT是1700V， 故每層的兩LINK單元之間可以靠功率器件IGBT來隔離。功率器件在散熱器上的布置方式見圖8。上下相鄰兩層之間安裝厚度達到30mm的絕緣支撐橫梁上，每層的元件都安裝在絕 緣件之上，散熱器的安裝方式見圖9，利用絕緣支撐橫梁圍成散熱器的風道，解決了散熱器 之間的絕緣問題。上下六層LINK單元成垂直安裝，共同利用一個散熱風道，在最上層的散 熱器上安裝一個絕緣材料的風道，風道頂部并聯(lián)安裝2個風機，無論通風風向是從上向下 或是從下向上都可以運行，詳細安裝見圖10。把六層和風道及風機安裝在框架內，加上鏈節(jié) (LINK)控制器和緩沖電抗及其他器件，就構成了一個完整的換流鏈功率柜。鏈節(jié)控制器通 過光纖與主控制器連接加上風機電源就可運行。三個完全相同的功率柜和啟動及控制柜就 可構成一個成套的兆乏級鏈式靜止同步補償器成套裝置，其正視圖見圖11。 可以采用不同的送風方式來給換流鏈功率柜散熱器集中制冷，如采用制冷風機分 別或集中管道送風，但是其成本稍高，技術實現(xiàn)難度及復雜性也要高于本方案；絕緣橫梁的 使用也可以使用整張絕緣板代替，同樣成本稍高；緩沖電抗器采用集中方式也可代替分布 式安裝，但會增加設備空間；低壓控制和高壓開關分別布置方式，能便于檢修，但會增加空 間和設備成本。
權利要求一種基于IGBT的兆乏級鏈式靜止同步補償器，其特征在于該補償器包括啟動及控制柜和三個相同的換流鏈功率柜，所述的啟動及控制柜內設有一屏蔽板將啟動及控制柜前后分為安裝高壓電器的高壓室和安裝低壓控制電器的低壓室，所述高壓電器與低壓控制電器之間設有安全的絕緣距離；所述的每個換流鏈功率柜自上而下分為六層，相鄰層之間設有絕緣框架，每層的底絕緣框架上設有兩個鏈節(jié)單元及其對應的直流電容和均壓放電電阻、該層的緩沖電抗器及取能電壓互感器，每層的頂底絕緣框架之間設有散熱風道段，各段散熱風道段的側壁散熱部件上安裝有兩個鏈節(jié)單元的功率IGBT器件和均壓IGBT器件，各段散熱風道段自上而下串聯(lián)為整體散熱風道，整體散熱風道的端口設有風機。
專利摘要本實用新型涉及一種基于IGBT的兆乏級鏈式靜止同步補償器，該補償器包括啟動及控制柜和三個相同的換流鏈功率柜，所述的啟動及控制柜內設有一屏蔽板將啟動及控制柜前后分為安裝高壓電器的高壓室和安裝低壓控制電器的低壓室，所述高壓電器與低壓控制電器之間設有安全的絕緣距離；所述的每個換流鏈功率柜自上而下分為六層，相鄰層之間設有絕緣框架，每層的底絕緣框架上設有兩個鏈節(jié)單元，各段散熱風道段的側壁散熱部件上安裝有兩個鏈節(jié)單元的功率IGBT器件和均壓IGBT器件，各段散熱風道段自上而下串聯(lián)為整體散熱風道，整體散熱風道的端口設有風機。
文檔編號H05K7/20GK201536265SQ20092031216
公開日2010年7月28日 申請日期2009年10月9日 優(yōu)先權日2009年10月9日
發(fā)明者于文杰, 呂勁松, 張東江, 張建興, 李正力, 邸思忠, 陳天錦 申請人:許繼集團有限公司;許繼電源有限公司