(完整版)IGCT培训_课件

1、IGCT在50MVar STATCOM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

2、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800 km500kV目标 800MW 负荷1000MW 系统崩溃500kV500kV800MWGeneration800MWLoad500kVPower500kV500kV 输电线 (未补偿)补偿后的传输容量变化800 km线路长度500kV目标

3、 1000MW SVC带来容量提高500kV500kV1000MWGeneration1000MWLoad500kV1000MW500kVSVCSVC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

4、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（Flexible AC Transmission System，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

5、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

6、性电力系统FPS( Flexible Power System)，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 ERParallel CompensationjXSeries CompensationG G 0Load-Flow Control P & Q0PmaxPm功角曲线306090120150180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序号名称接入方式换流方式主要功能1可控串联电抗器(TCR)串联自然电流控制、暂态稳定、电压稳定、抑制故障电流2可控制动电阻器(TCBR)串

7、联自然谐波抑制、暂态稳定3可控串联电容补偿器（TCSC）串联自然电流控制、暂态稳定、电压稳定、抑制故障电流4可控移相器(TCPR)串联自然有功控制、暂态稳定、电压稳定5短路电流限制器（SCCL）串联自然抑制故障电流6可控并联电容器（TSC）并联自然电压控制、无功补偿、暂态稳定、电压稳定7静止无功补偿器（SVC）并联自然电压控制、无功补偿、暂态稳定、电压稳定8静止同步补偿器（STATCOM）并联强迫电压控制、无功补偿、谐波抑制、暂态稳定、电压稳定9静止同步串联补偿器(SSSC)串联强迫电流控制、谐波抑制、暂态稳定、电压稳定、抑制故障电流10统一潮流控制器（UPFC）串联并联强迫有功控制、无功控制

8、、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11可转换静止补偿器(CSC)串联并联强迫有功控制、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DFACTS装置种类及其主要功能 序号名称接入方式换流方式主要功能1动态电压恢复器(DVR)串联强迫抑制系统的电压波动、不平衡、高次谐波等对负荷的影响2静止同步补偿器（DSTATCOM）)并联强迫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3有源滤波器(APF)串联强迫补偿负荷的谐波电压并联强迫补偿负荷的谐波电流4统一电能质量补偿器(UPQC)串联并联强迫同时具备DSTATCOM 和DVR的功能

9、5固态断路器（SSB）串联自然实现快速无弧投切，避免操作过电压6固态转换开关(SSTS)并联自然实现快速无弧投切，避免操作过电压7飞轮储能系统（FESS）并联强迫负荷波动、电压波动、功率因数8超导储能系统（SMES）并联强迫负荷波动、电压波动、功率因数9电池储能系统（BESS）并联强迫负荷波动、电压波动、功率因数10静态电压调整器(SVR)串联自然电压波动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:

10、 1 周波FACTS 并联补偿方案配置MSC / MSRMechanical SwitchedCapacitors / Reactors电抗器 开关电容器SVCStatic Var Compensator电抗器晶闸管阀 控制和保护变压器电容器STATCOMStatic CompensatorGTO/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控制电网无功功率潮流稳定系统电压提高线路输送能力抑制系统振荡短时有功输出谐波补偿动态补偿快速响应能力连续双向调节不会出现过补偿安装尺寸小维护工作量小谐波及无功同时补偿有源滤波器(AP

11、F)STATCOM 补偿特性system voltage(p.u.)STATCOMTCRTSC0.4capacitive current(leading)inductive current(lagging)01.0产品简介 新型静止同步补偿装置（STATCOMSTATic synchronous COMpensator）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

12、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。 50MVar ST

13、ATCOM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

14、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

15、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1001010.10.01100100010 0001010010 0001000Trend闭锁电压 (V) 换流器开关频率 (kHz)Power-MOS10 kWLV-IGBTHV-IGBTGTOIGCT4 MW7 MW15 MW40 MW趋势关断电流 (A)典型额定功率Thyristor1 MW电力半导体器件额定电流的定义序号器件种类 基本工况 额定电流的定义 相对关系 1 硅整流管 不控整流 正弦半波电流在全波内的平均值 I1硅晶闸管 可控整流 2 双向晶闸管全波调压 正弦全波电流有效值 2.22I13GTOIGC

16、T逆变 斩波逆变 斩波 最大可关断峰值电流 3.14I14GTRMOSFETIGBTIEGT开关工况 持续通过的直流电流值 (2-3)I1 visible LED indicators Status Feedback Command Signaloptical fibre connectorspower supply connectionVDRM=4500VITGQM=4000AVDClink=2800VdiT/dtcr1000A/SFm=36kN44kN功率器件选型IGCT 5SHY 35L4510反并联二极管 5SDF 16L4503VRRM=4500VIFAVM=1650AVDClink

17、=2800VdiT/dtcr600A/SFm=36kN70kNIGCT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/dt1000A/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

18、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 阀体单相阀的构成参数数值说明阀额定工作电压10kV rms阀最大连续工作电压13.6kV rms系统短时过电压1.3 p.u./1s阀过电压保护水平1.5 p.u.链节过电压保护水平DC2650V 闭锁DC3000V 放电阀避雷器保护水平30kV(峰值）操作冲击波IGCT额定值4500V/4000A阀体

19、（每相）链节数911个冗余链节直流侧最高电压DC2450V连接电抗15%直流侧电容8000F/DC2700V开关频率150Hz阀额定工作电流1670A rms过流保护水平3000A 瞬时值3000A 闭锁IGCT故障电流11.1kA散热方式水冷最高环境温度45IGCT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STATCOM Devices Layout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

20、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，主电路具有较高的开关频率，输出电流谐波含量很小。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50Hz PWM vs 150Hz PWM50Hz PWM调制150Hz PWM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

21、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

22、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阀体型式试验试验试验对象阀端对地电介质试验交流电压试验阀雷电冲击试验阀阀端间电介质试验交流电压试验阀操作冲击试验阀链节端间电介质补充试验链节运行试验空载链节电容器电压平衡试验链节周期触发和熄灭试验链节功率损耗和温升试验链节过电流试验链节快速放电和辅助逆变器试验链节电磁干扰操作冲击试验阀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

23、验依据：STATCOM 10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

24、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

25、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

26、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;EMI FilterMagnetic Core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