級(jí)聯(lián)靜止同步補(bǔ)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(jìn)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(bǔ)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(bǔ)償裝置主要有2類，①基于投切電容器補(bǔ)償技術(shù)，早期的是采用只能補(bǔ)償固定容量的固定電容器補(bǔ)償器(FC)。后來發(fā)展為機(jī)械投切電容器(MSC)，這類裝置只能分級(jí)、分組投切，不能連續(xù)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)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(shí)現(xiàn)連續(xù)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償，但是其本身就是諧波源，補(bǔ)償效果差。在諧波治理方面，主要是采用濾波器補(bǔ)償裝置，但是補(bǔ)償效果很差，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)性不能滿足要求。

靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)作為供電系統(tǒng)中最具有代表性的無功補(bǔ)償裝置，與其他無功補(bǔ)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(gè)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(yùn)行范圍寬和控制算法靈活等優(yōu)點(diǎn)[4-6]。但其高昂的造價(jià)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(yùn)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(gè)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(shí)，如不及時(shí)排除，將會(huì)導(dǎo)致功率管工作不正常，嚴(yán)重時(shí)會(huì)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(duì)IGBT故障進(jìn)行分析和判斷。對(duì)礦井的供電和正常生產(chǎn)具有重要的意義。

1 級(jí)聯(lián)型STATCOM系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)

(1)級(jí)聯(lián)型STATCOM系統(tǒng)的原理。STATCOM相當(dāng)于一個(gè)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(dá)到無功補(bǔ)償?shù)哪康摹TATCOM裝置可以看作是一個(gè)可控的電壓源，STATCOM的運(yùn)行模式見表1。

(2)級(jí)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(xiǎn)等。②濾波裝置。IGBT器件在高頻通斷時(shí)，會(huì)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(shí)兼顧低頻信號(hào)和高頻信號(hào)，相對(duì)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(jí)聯(lián)多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。功率模塊采用H橋結(jié)構(gòu)的變流器，每個(gè)H橋單元有4個(gè)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(yùn)行時(shí)會(huì)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(fēng)冷裝置，通過風(fēng)冷裝置將柜體內(nèi)設(shè)備產(chǎn)生的熱量，抽出柜外，同時(shí)，將柜外的低溫氣體抽入柜內(nèi)的對(duì)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(jìn)行散熱。⑤控制系統(tǒng)。由數(shù)據(jù)檢測(cè)、功能控制和設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(jí)聯(lián)型STATCOM系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)

在級(jí)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(jí)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(jí)聯(lián)單元數(shù)目N的確定。在選擇級(jí)聯(lián)單元數(shù)目時(shí)，需要從系統(tǒng)電壓、所選器件的開關(guān)器件、成本和使用場(chǎng)所等方面考慮。如果級(jí)聯(lián)數(shù)目過多時(shí)，裝置的輸出電壓更接近理想中的電壓，但會(huì)增加裝置的復(fù)雜性，也會(huì)使成本升高，體積變大。如果級(jí)聯(lián)數(shù)目過少，又會(huì)使裝置的輸出效果不理想。綜合考慮幾方面因素，對(duì)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(gè)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(gè)功率模塊直流電容電壓Udc≈650 V，那么1 140 V的STATCOM每相級(jí)聯(lián)H橋單元的個(gè)數(shù)N≈1.43，這里取為2。

(2)直流側(cè)電容的選擇。通過對(duì)直流側(cè)電容進(jìn)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(bǔ)償電流的峰值；

m為調(diào)制比，取0.93；ΔUdc為電容電壓波動(dòng)范圍，按照裝置的設(shè)計(jì)指標(biāo)，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(cè)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(huì)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(jì)算方法：基于智能優(yōu)化算法和工程應(yīng)用計(jì)算方法，前者的選取效果最好，但是計(jì)算出的參數(shù)較實(shí)際較大，成本高；后者的選取出的參數(shù)成本低，計(jì)算簡(jiǎn)單。在本裝置中，考慮到成本和安裝的需要，采用工程計(jì)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(dāng)IGBT發(fā)生開路故障時(shí)，STATCOM系統(tǒng)中很多量也會(huì)發(fā)生變化，原始信號(hào)的選取對(duì)于IGBT開路故障的分析非常重要，因此選擇原始信號(hào)時(shí)需依據(jù)幾項(xiàng)原則：①抗干擾性。在系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，原始信號(hào)只對(duì)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(hào)要對(duì)故障具有足夠的敏感性，且不同故障之間信號(hào)不同。③實(shí)用性。原始信號(hào)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(hào)對(duì)于某種故障特別適用，但是有時(shí)很難獲得。

當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，電網(wǎng)中的電壓不會(huì)有任何改變，電網(wǎng)中電流、負(fù)載的電流、靜止同步補(bǔ)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(dāng)IGBT產(chǎn)生開路故障后，電網(wǎng)的電流和靜止同步補(bǔ)償器的電流也會(huì)產(chǎn)生較小的不同數(shù)據(jù)，Udc1產(chǎn)生的數(shù)據(jù)變動(dòng)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(duì)H橋功率模塊輸出電壓的影響，采用雙重傅里葉分析對(duì)輸出電壓進(jìn)行了推導(dǎo)，首先對(duì)其故障機(jī)理進(jìn)行分析。

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

為進(jìn)一步對(duì)故障性質(zhì)提高分析準(zhǔn)確率，首先判斷直流分量U0的值為正或負(fù)，當(dāng)U0=0時(shí)，說明IGBT正常；當(dāng)U0為正時(shí)，可以判斷出次對(duì)角管發(fā)生故障，即S12或S13發(fā)生故障，當(dāng)U0為負(fù)時(shí)，可以判斷出主對(duì)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(shí)，當(dāng)偶次的相位Son(x)≈180°時(shí)，則S12發(fā)生開路故障，當(dāng)偶次的相位Son(x)≈0時(shí)，則S13發(fā)生開路故障，同樣U0為負(fù)時(shí)可以判斷是S11故障還是S14故障。

4 結(jié)語

隨著煤礦自動(dòng)化水平的提高，STATCOM裝置在井下電網(wǎng)無功 補(bǔ)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(duì)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(jí)聯(lián)H橋STATCOM系統(tǒng)，根據(jù)其原理和參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，分析了STATCOM中IGBT眾多故障的判斷方法，對(duì)STATCOM裝置的穩(wěn)定運(yùn)行起到了很關(guān)鍵的作用。