級聯(lián)靜止同步補償器(STATCOM)系統(tǒng)原理及故障分析研究

梁毅勇

(山西大土河能源科技有限公司，山西 呂梁 033000)

為了凈化井下電網(wǎng)，提高井下電網(wǎng)的電能質(zhì)量，促進煤炭工業(yè)節(jié)約、清潔和可持續(xù)發(fā)展，我國發(fā)改委在2007年的《煤炭工業(yè)節(jié)能減排意見的通知》中，要求井下電網(wǎng)的功率因素不低于0.9，盡量消除井下電網(wǎng)中的諧波。為此，無功補償與諧波治理技術(shù)在電能質(zhì)量治理中發(fā)揮著重要的作用[1-3]。目前應(yīng)用于煤礦井下電網(wǎng)的無功補償裝置主要有2類，①基于投切電容器補償技術(shù)，早期的是采用只能補償固定容量的固定電容器補償器(FC)。后來發(fā)展為機械投切電容器(MSC)，這類裝置只能分級、分組投切，不能連續(xù)動態(tài)無功補償；②基于電抗器和固定電容器相結(jié)合的技術(shù)，如晶閘管控制電抗器+固定電容器(TCR+FC)，晶閘管投切電容器(TSC+FC)、磁控電抗器+固定電容器(MSVC)，雖然可以實現(xiàn)連續(xù)動態(tài)無功補償，但是其本身就是諧波源，補償效果差。在諧波治理方面，主要是采用濾波器補償裝置，但是補償效果很差，動態(tài)實時性不能滿足要求。

靜止同步補償器(STATCOM)作為供電系統(tǒng)中最具有代表性的無功補償裝置，與其他無功補償設(shè)備相比，由于減少了大量的電容器、電抗器等元件，使得整個供電控制系統(tǒng)裝置的體積大大減小，功率變換模塊采用了高性能和高開關(guān)頻率的IGBT等開關(guān)器件。具有響應(yīng)速度快、諧波量小、運行范圍寬和控制算法靈活等優(yōu)點[4-6]。但其高昂的造價成本和高難度的故障處理需求，是在煤礦廣泛推廣使用有較大影響。功率模塊中的IGBT是易發(fā)生故障，其發(fā)生故障后將直接影響系統(tǒng)的運行效果。

由于其工作條件和材料特性的原因，IGBT的可靠性仍然是一個有待解決的問題。功率模塊中IGBT故障主要分兩類：IGBT短路故障和IGBT開路故障。在IGBT發(fā)生故障時，如不及時排除，將會導(dǎo)致功率管工作不正常，嚴重時會使裝置發(fā)生損害。為了提高系統(tǒng)的連續(xù)性和可靠性，對IGBT故障進行分析和判斷。對礦井的供電和正常生產(chǎn)具有重要的意義。

1 級聯(lián)型STATCOM系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)

(1)級聯(lián)型STATCOM系統(tǒng)的原理。STATCOM相當于一個可控的電流源，通過可關(guān)斷大功率電力電子器件組成的電器設(shè)備，連接后再與電抗器串接，隨后并入電網(wǎng)，再控制其發(fā)出的無功電流和諧波電流，從而使系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)需求發(fā)出或者吸收大小可以連續(xù)變化的無功電流，達到無功補償?shù)哪康摹TATCOM裝置可以看作是一個可控的電壓源，STATCOM的運行模式見表1。

(2)級聯(lián)型STATCOM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。由執(zhí)行裝置、濾波裝置、功率模塊、散熱裝置、控制系統(tǒng)組成。①執(zhí)行裝置。主要由起總控功能的防爆開關(guān)、各類接觸器和軟起接觸器和電阻保險等。②濾波裝置。IGBT器件在高頻通斷時，會產(chǎn)生頻率較高的載波諧波和邊帶諧波，LCL濾波器可以同時兼顧低頻信號和高頻信號，相對于L濾波器效果更好。因此，在本文中采用LCL濾波器的裝置結(jié)構(gòu)。③功率模塊。為了使STATCOM具有更高的性能，并且減小STATCOM在井下變電站的占地空間，采用級聯(lián)多電平拓撲結(jié)構(gòu)。功率模塊采用H橋結(jié)構(gòu)的變流器，每個H橋單元有4個功率開關(guān)器件，將電容連接起來形成直流側(cè)。A相、B相、C相均用串聯(lián)功率模塊組成，A相、B相、C相采用“Y”方式。④散熱裝置。在STATCOM系統(tǒng)中，系統(tǒng)在運行時會產(chǎn)生熱量，因此需要加散熱裝置。散熱主要分兩類：整體散熱和局部散熱。整體散熱通過在功率柜頂板上開孔，安裝風冷裝置，通過風冷裝置將柜體內(nèi)設(shè)備產(chǎn)生的熱量，抽出柜外，同時，將柜外的低溫氣體抽入柜內(nèi)的對流散熱方式。局部散熱是在IGBT模塊底部及其散熱片接觸部分涂抹用于散熱性能的硅脂材料，進行散熱。⑤控制系統(tǒng)。由數(shù)據(jù)檢測、功能控制和設(shè)備驅(qū)動等三部分組成。主要功能為控制功率器件的導(dǎo)通和關(guān)斷。

2 級聯(lián)型STATCOM系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計

在級聯(lián)型STATCOM中，合理的參數(shù)不僅可以降低系統(tǒng)故障發(fā)生的概率，還可以使系統(tǒng)具有較高的性能。主電路參數(shù)包括級聯(lián)單元數(shù)目N的確定、直流側(cè)電容電壓Udc、直流側(cè)電容Cdc、連接電感L和等效電路R等。

(1)級聯(lián)單元數(shù)目N的確定。在選擇級聯(lián)單元數(shù)目時，需要從系統(tǒng)電壓、所選器件的開關(guān)器件、成本和使用場所等方面考慮。如果級聯(lián)數(shù)目過多時，裝置的輸出電壓更接近理想中的電壓，但會增加裝置的復(fù)雜性，也會使成本升高，體積變大。如果級聯(lián)數(shù)目過少，又會使裝置的輸出效果不理想。綜合考慮幾方面因素，對于功率開關(guān)器件，選用1 700 V/200 A的IGBT，額定容量±150 kVar，額定相電流76 A，最大值為107.5 A。

考慮到1.7左右的安全裕量，IGBT的輸出電壓為1 000 V左右，因此單個H橋變流器的輸出電壓有效值為：Udc=1 000/λ

(1)

這里λ取1.54，每個功率模塊直流電容電壓Udc≈650 V，那么1 140 V的STATCOM每相級聯(lián)H橋單元的個數(shù)N≈1.43，這里取為2。

(2)直流側(cè)電容的選擇。通過對直流側(cè)電容進行了深入的分析，得出直流側(cè)電容Cdc的選取公式：

(2)

式中，Is為STATCOM輸出的最大補償電流的峰值；

m為調(diào)制比，取0.93；ΔUdc為電容電壓波動范圍，按照裝置的設(shè)計指標，這里取10%以內(nèi)。

將上述參數(shù)代入式(2)可得：Cdc≥0.003 8 F，考慮到STATCOM裝置調(diào)制裕量的需要，通過多次仿真和測試，確定選用的電容值為Cde=4 000 μF。

(3)連接電感值的選擇。連接電感即濾波電抗器，即LCL濾波器。為了濾除STATCOM輸出裝置中的諧波，濾波器的參數(shù)設(shè)置不合適的話會導(dǎo)致跟蹤速度變慢、濾波性能不佳，系統(tǒng)易產(chǎn)生振蕩。目前選擇LCL濾波器的參數(shù)有2種計算方法：基于智能優(yōu)化算法和工程應(yīng)用計算方法，前者的選取效果最好，但是計算出的參數(shù)較實際較大，成本高；后者的選取出的參數(shù)成本低，計算簡單。在本裝置中，考慮到成本和安裝的需要，采用工程計算的方法，最終選擇L1=0.33 mH，C=55 μF，L2=1.32 mH，阻尼電阻Rf=5 Ω。

3 變流器IGBT開路故障分析

當IGBT發(fā)生開路故障時，STATCOM系統(tǒng)中很多量也會發(fā)生變化，原始信號的選取對于IGBT開路故障的分析非常重要，因此選擇原始信號時需依據(jù)幾項原則：①抗干擾性。在系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生變化時，原始信號只對IGBT開路的故障狀態(tài)變化，不隨系統(tǒng)的其他正常狀態(tài)而發(fā)生改變，以免造成誤診斷。②敏感性。選擇的原始信號要對故障具有足夠的敏感性，且不同故障之間信號不同。③實用性。原始信號的獲取要根據(jù)目前硬件資源診斷效率，雖然有些原始信號對于某種故障特別適用，但是有時很難獲得。

當負載發(fā)生變化時，電網(wǎng)中的電壓不會有任何改變，電網(wǎng)中電流、負載的電流、靜止同步補償器的電流和H橋直流側(cè)的電容電壓均變大，但頻率不發(fā)生變化。

當IGBT產(chǎn)生開路故障后，電網(wǎng)的電流和靜止同步補償器的電流也會產(chǎn)生較小的不同數(shù)據(jù)，Udc1產(chǎn)生的數(shù)據(jù)變動較大，尤其幅值較正常數(shù)據(jù)偏差非常大。

為了推導(dǎo)IGBT開路故障對H橋功率模塊輸出電壓的影響，采用雙重傅里葉分析對輸出電壓進行了推導(dǎo)，首先對其故障機理進行分析。

為全面對直流分量和各次諧波含量的特性進行分析。此處以0～500 Hz的幅值及對應(yīng)的相位角作為分析對象，具體參數(shù)見表2。

為進一步對故障性質(zhì)提高分析準確率，首先判斷直流分量U0的值為正或負，當U0=0時，說明IGBT正常；當U0為正時，可以判斷出次對角管發(fā)生故障，即S12或S13發(fā)生故障，當U0為負時，可以判斷出主對角管發(fā)生故障。然后根據(jù)其偶次諧波的相位角φon，U0為正時，當偶次的相位Son(x)≈180°時，則S12發(fā)生開路故障，當偶次的相位Son(x)≈0時，則S13發(fā)生開路故障，同樣U0為負時可以判斷是S11故障還是S14故障。

4 結(jié)語

隨著煤礦自動化水平的提高，STATCOM裝置在井下電網(wǎng)無功 補償和諧波 治理等方面得到了廣泛地應(yīng)用，但煤礦井下惡劣的環(huán)境，對該裝置的可靠性造成重大影響，尤其是IGBT的可靠性成為STATCOM裝置可靠性的關(guān)鍵，本文通過研究井下1 140 V級聯(lián)H橋STATCOM系統(tǒng)，根據(jù)其原理和參數(shù)的設(shè)計方法，分析了STATCOM中IGBT眾多故障的判斷方法，對STATCOM裝置的穩(wěn)定運行起到了很關(guān)鍵的作用。