分布式層級過電壓控制系統及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種分布式層級過電壓控制系統及方法，該系統包括組合式過電壓保護器、能量吸收器、連接電抗器、功率單元、功率單元嵌位限壓器、層疊母線和IGBT感應電壓嵌位器；能量吸收器與連接電抗器并聯后的一端連接組合式過電壓保護器，并聯后的另一端連接功率單元，且功率單元嵌位限壓器和層疊母線分別與功率單元連接。本發(fā)明采用五級防線，對來自各方面的過電壓能量進行抑制，能夠防止由于裝置過電壓侵入連接電抗器的截流過電壓、IGBT關斷過電壓等危險過電壓對IGBT的危害，保證SVG裝置的安全可靠運行；且該系統及方法操作簡單、工作效率高及延長了該SVG裝置的使用壽命。
【專利說明】分布式層級過電壓控制系統及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及電力領域，尤其涉及一種分布式層級過電壓控制系統及方法。
【背景技術】
[0002]中壓靜止型動態(tài)同步補償裝置，簡稱SVG，以其能夠快速響應信號變化、能夠吸收和發(fā)出無功功率進行雙向調節(jié)、占地面積小及調節(jié)特性不受電網電壓的影響等諸多的優(yōu)勢，在21世紀的電能質量治理技術中，成為無可爭辯的核心產品，而得到了長足的發(fā)展，并成為電力電子技術在電力系統領域的重要發(fā)展方向。該技術在鋼鐵、有色、礦山、電氣化鐵路、風電等領域也有極大的運用前景，但在該項技術及相關產品的研究推廣生產的初級階段，在現場運行中頻繁出現功率單元的IGBT莫明擊穿，爆炸導致裝置停機無法正常運行；更有甚者還發(fā)生由于IGBT爆炸而引發(fā)的裝置內部短路，使裝置大面積損壞而失去應有功能，這種缺陷給現場的生產帶來較大的損失和惡劣的影響。而造成上述問題的原因來自多方面，主要有以下幾方面:
[0003]I)中壓SVG屬于直接式接入方式，將連接電抗器直接連接于母線上，母線在運行中發(fā)生的各類暫態(tài)過電壓和瞬時過電壓，都會通過連接電抗器作用于SVG上鏈接的各功率單元IGBT上，對IGBT的安全運行帶來了較大威脅，長此以往，可能發(fā)生將某一薄弱功率單元IGBT的C、E極擊穿而導致“直通”事故發(fā)生而爆炸。
[0004]2)由于連接電抗器的自身容量及電感量較大，尤其是有較大電流通過時，其自身存儲的磁場能量非常高，當控制的PWM波作用于各功率單元IGBT時，在IGBT關斷到導通的轉換過程中，由于電流快速轉換截斷，必然使連接電抗器上產生較高的過電壓，該過電壓再疊加上系統自身電壓，全部作用在各功率單元IGBT上，水會使絕緣薄弱的某一薄弱功率單元IGBT的C、E極擊穿而使功率單元IGBT過流致停機。
[0005]3)由于功率單元IGBT的結構所限，連接在電解電容與齊IGBT之間的正、負極直流母線，一般用銅排采用分立式進行裝配，這種結構在運行中，由于銅排自身雜散電感太大，而在IGBT工作于導通到關斷的轉換過程中，產生較高的過電壓作用于功率單元IGBT的C、E極間，長期作用的結果必將導致IGBTC、E極絕緣擊穿而損壞。
[0006]4)正常情況下，用于驅動IGBT工作的驅動線是分別連接在IGBT的G、E極和驅動板上對應驅動回路輸出端子上。在運行中，由于長期運行氧化、振動、接觸不良的影響，必然使得功率單元IGBT的G、E極因接觸不良而“懸空”，當交變的高電場作用于其上時，將會發(fā)生功率單元IGBT的“誤觸發(fā)”導通，而將使該單元IGBT支路過電流，輕則SVG停機，重則IGBT爆炸而形成內部短路而造成更大損失。
[0007]綜合上述的描述，市面上急需一種新型的過電壓控制方法來解決上述的問題。

【發(fā)明內容】

[0008]針對上述技術中存在的不足之處，本發(fā)明提供一種分布式層級過電壓控制系統及方法，該系統分為五級防線，對來自各方面的過電壓能量進行抑制，有效防止功率單元IGBT的C、E極擊穿，保證SVG裝置安全可靠的運行。
[0009]為實現上述目的，本發(fā)明提供一種分布式層級過電壓控制系統，包括安裝于SVG進線柜內的組合式過電壓保護器、能量吸收器、連接電抗器、功率單元、功率單元嵌位限壓器、層疊母線和IGBT感應電壓嵌位器；所述能量吸收器與連接電抗器并聯后的一端連接組合式過電壓保護器，并聯后的另一端連接功率單元，且所述功率單元嵌位限壓器和層疊母線分別與功率單元連接，所述IGBT感應電壓嵌位器的兩端分別連接在功率單元中每個IGBT的G極和E極之間，且所述IGBT感應電壓嵌位器的兩端連接在驅動板的輸出端子G與輸出端子E之間；
[0010]所述層疊母線包括正極銅排和負極銅排，所述正極銅排與負極銅排重疊鋪放形成一母線，且所述正極銅排與負極銅排之間夾持有第一絕緣薄膜，所述母線的表面覆蓋有第
二絕緣薄膜。
[0011]其中，所述正極銅排的一端與串聯的電解電容器組的正極連接，所述正極銅排的另一端分別與功率單元中IGBT的E極連接。
[0012]其中，所述功率單元嵌位限壓器安裝在功率單元的兩根輸出銅排之間。
[0013]其中，所述IGBT感應電壓嵌位器包括兩個穩(wěn)壓管和一個電阻；所述兩個穩(wěn)壓管反串聯后與電阻并聯。
[0014]為實現上述目的，本發(fā)明還提供一種分布式層級過電壓控制方法，包括以下步驟:
[0015]步驟A:由組合式過電壓保護器形成第一級防線，對侵入SVG裝置電源的大氣過電壓和操作過電壓的大部分能量進行吸收，并將大氣過電壓和操作過電壓的幅值限制在SVG裝置允許的安全范圍之內；
[0016]步驟B:能量吸收器與連接電抗器并聯后形成第二級防線，在連接電抗器產生過電壓的瞬間，采用能量吸收器對連接電抗器上的大部分磁場能量進行吸收，并將該連接電抗器產生的過電壓限制在SVG裝置安全范圍之內；
[0017]步驟C:由功率單元嵌位限壓器形成第三級防線，將步驟A和步驟B中剩余的過電壓能量全部吸收，并將功率單元入口的電壓限制在功率單元中每個IGBT允許的絕緣范圍之內；
[0018]步驟D:由層疊母線形成第四級防線，對母線雜散電感產生過電壓進行吸收，使得母線雜散電感的過電壓大幅度減少；
[0019]步驟E:由IGBT感應電壓嵌位器形成第五級防線，對驅動板接觸不良所發(fā)生的交變電場感應過電壓進行消耗，并快速將存儲在IGBT的G極與E極之間的電荷進行消耗。
[0020]其中，所述步驟D還包括通過加裝小容量無感電容,對功率單元中每個IGBT開關的過電壓進行吸收
[0021]其中，所述層疊母線經緊密墊壓成型，對正極銅排和負極銅排進行散熱，并對層疊母線周圍絕緣及均化電場應力。
[0022]其中，所述步驟E中由反串聯的兩個穩(wěn)壓管將驅動板過電壓限制在允許的范圍內，由電阻快速將存儲在IGBT的G極與E極之間的電荷進行消耗。
[0023]與現有技術相比，本發(fā)明提供的分布式層級過電壓控制系統及方法，具有以下有益效果:[0024]I)由組合式過電壓保護器形成第一級防線，對侵入SVG裝置電源的大氣過電壓和操作過電壓的大部分能量進行吸收，并將大氣過電壓和操作過電壓的幅值限制在SVG裝置允許的安全范圍之內，可有效防止電源外部的過電壓對SVG裝置的破壞，使得SVG裝置安全可靠的運行。
[0025]2)層疊母線的正極銅排與負極銅排重疊鋪放，且兩者間夾持有第一絕緣薄膜，提高了該層疊母線的正負極間絕緣耐受電壓效果，母線表面覆蓋第二絕緣薄，且滿足銅排散熱，對周圍絕緣及均化電場應力，可有效防止電場應力集中所導致絕緣內部局部放電和電暈放電對絕緣材料的損害，且解決了現有技術中銅排分立裝配銅排自身雜散電感太大而致IGBT的C極與E極絕緣擊穿而損壞的問題。
[0026]3)能量吸收器與連接電抗器并聯后形成第二級防線，在連接電抗器產生過電壓的瞬間，采用能量吸收器對連接電抗器上的大部分磁場能量進行吸收，該第二級防線可將連接電抗器自身存儲的磁場能量及PWM波作用于各功率單元IGBT時產生的過電壓吸收，能夠解決了連接電抗器的截流過電壓、IGBT關斷過電壓等危險過電壓對IGBT的危害。
[0027]4)由IGBT感應電壓嵌位器形成第五級防線，對驅動板接觸不良所發(fā)生的交變電場感應過電壓進行消耗，可有效解決現有技術中功率單元IGBT的誤觸發(fā)導通問題。
[0028]5)本發(fā)明采用五級防線，對來自各方面的過電壓能量進行抑制，能夠防止由于裝置過電壓侵入連接電抗器的截流過電壓、IGBT關斷過電壓等危險過電壓對IGBT的危害，保證SVG裝置的安全可靠運行；且該系統及方法操作簡單、工作效率高及延長了該SVG裝置的使用壽命。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明的分布式層級過電壓控制系統的方框圖；
[0030]圖2為本發(fā)明的分布式層`級過電壓控制系統中層疊母線的結構示意圖；
[0031]圖3為本發(fā)明的分布式層級過電壓控制方法的步驟流程圖。
[0032]主要元件符號說明如下:
[0033]10、組合式過電壓保護器11、能量吸收器
[0034]12、連接電抗器13、功率單元
[0035]14、功率單元嵌位限壓器15、層疊母線
[0036]16、IGBT感應電壓嵌位器17、電源
[0037]151、正極銅排152、負極銅排
[0038]153、第一絕緣薄膜
【具體實施方式】
[0039]為了更清楚地表述本發(fā)明，下面結合附圖對本發(fā)明作進一步地描述。
[0040]請參閱圖1-2，本發(fā)明的分布式層級過電壓控制系統，包括安裝于SVG進線柜內的組合式過電壓保護器10、能量吸收器11、連接電抗器12、功率單元13、功率單元嵌位限壓器14、層疊母線15和IGBT感應電壓嵌位器16 ;能量吸收器11與連接電抗器12并聯后的一端連接組合式過電壓保護器10，兩者并聯后的另一端連接功率單元13，且功率單元嵌位限壓器14和層疊母線15分別與功率單元13連接，IGBT感應電壓嵌位器16的兩端分別連接在功率單元13中每個IGBT的G極和E極之間，且IGBT感應電壓嵌位器16兩端也連接在驅動板的輸出端子G與輸出端子E之間；功率單元嵌位限壓器，14安裝在功率單元13的兩根輸出銅排之間；層疊母線15包括正極銅排151和負極銅排152，正極銅排151的一端與串聯的電解電容器組的正極連接，負極銅排152的另一端分別與功率單元13中IGBT的E極連接，如可連接在IGBT2、IGBT4的E極。正極銅排151與負極銅排152重疊鋪放形成一母線，且正極銅排151與負極銅排152之間夾持有第一絕緣薄膜153，母線的表面覆蓋有第二絕緣薄膜(圖未示);IGBT感應電壓嵌位器16包括兩個穩(wěn)壓管和一個電阻；兩個穩(wěn)壓管反串聯后與電阻并聯。
[0041]上述的第一絕緣薄膜153和第二絕緣薄膜均由PET制成，第一絕緣薄膜153起到正負極間絕緣耐受電壓的作用；在正負極銅排的外面，即該母線的表面用第二絕緣薄膜PET材料進行覆蓋，并經模具緊密墊壓成型，使其滿足銅排散熱，對周圍絕緣及均化電場應力，防止電場應力集中所導致絕緣內部局部放電和電暈放電對絕緣材料的損害。
[0042]請參閱圖3，本發(fā)明的分布式層級過電壓控制方法，包括以下步驟:
[0043]步驟S1:由組式過電壓保護器10形成第一級防線，對侵入SVG裝置電源17的大氣過電壓和操作過電壓的大部分能量進行吸收，并將大氣過電壓和操作過電壓的幅值限制在SVG裝置允許的安全范圍之內，該安全范圍為一分鐘工頻耐壓42KV、沖擊電壓75KV。
[0044]步驟S2:能量吸收器11與連接電抗器12并聯后形成第二級防線，在連接電抗器12產生過電壓的瞬間，采用能量吸收器11對連接電抗器12上的大部分磁場能量進行吸收，并將該連接電抗器12產生的過電壓限制在SVG裝置安全范圍之內，同理，該安全范圍為一分鐘工頻耐壓42KV、沖擊電壓75KV。
[0045]步驟S3:由功率單元嵌位限壓器14形成第三級防線，將步驟SI和步驟S2中剩余的過電壓能量全部吸收，并將功率單元13入口的電壓限制在功率單元13中每個IGBT允許的1700V絕緣范圍之內。
[0046]步驟S4:由層疊母線15形成第四級防線，對母線雜散電感產生過電壓進行吸收，使得母線雜散電感的過電壓大幅度減少。該步驟中還通過加裝小容量無感電容，對IGBT開關的過電壓進行吸收。
[0047]步驟S5:由IGBT感應電壓嵌位器16形成第五級防線，對驅動板接觸不良所發(fā)生的交變電場感應過電壓進行消耗，并快速將存儲在IGBT的G極與E極之間的電荷進行消耗。
[0048]以下對上述的五個步驟進行詳細的描述:本發(fā)明的方法投入運行后，在系統發(fā)生大氣過電壓和操作過電壓侵入SVG時，由SVG進線柜中的組合式過電壓保護器10形成第一級防線，吸收大部分能量，并將過電壓幅值限制在設備允許的安全范圍之內，防止了外部過電壓的入侵而保護設備。其次，在正常運行中，控制器控制的PWM波信號驅動IGBT工作，在H橋的四個IGBT管子的導通-關斷的轉換過程中，因連接電抗器12的頻繁截流，導致連接電抗器12上參數較高的過電壓，該過電壓沿鏈式電路侵入各功率單元13中，對各功率單元13的IGBT絕緣構成較大威脅；由于IGBT反復頻繁的開通——關斷，直流母線上雜散電感上磁場的作用及與直流電壓疊加而產生的過電壓，也會作用于IGBT的C極與E極上，對IGBT絕緣構成威脅，在此過程中，通過在連接電抗器12的二端并聯上能量吸收器11形成第二級防線，能夠在連接電抗器12產生過電壓的瞬間，將連接電抗器12上的大部分磁場能量吸收掉并將該過電壓限制在設備安全范圍之內，保護設備安全。再次，當部分過電壓能量仍有侵入功率單元13時，由功率單元嵌位限壓器14形成第三級防線，將侵入波的能量全部吸收，并將功率單元13入口的電壓限制在IGBT允許的絕緣范圍之內。第四，針對母線雜散電感較大的產生過電壓幅值較高危害IGBT運行問題采用層疊式母線能夠大幅度減小直流母線的雜散電感值，使關斷過電壓水平大幅下降，同時，通過加裝小容量無感電容，對IGBT產生的開關“毛刺”進行吸收后，將大幅度減少過電壓對IGBT的危害。第五，針對驅動板接觸不良所發(fā)生的交變電場感應過電壓，對IGBT誤觸發(fā)問題，由IGBT感應電壓嵌位器16形成第五級防線，當感應過電壓到來時，由反串聯穩(wěn)壓管將電壓限制在允許范圍，同時，由并聯電阻快速將存儲在IGBT的G極與E極間等效電容上的電荷進行消耗，使其不能穩(wěn)定建立觸發(fā)電場和電壓，從而防止了 IGBT的誤觸發(fā)導通所引發(fā)的短路事故。
[0049]本發(fā)明提供的分布式層級過電壓控制系統及方法，具有以下優(yōu)勢:
[0050]I)由SVG進線柜中的組合式過電壓保護器10形成第一級防線，對侵入SVG裝置電源17的大氣過電壓和操作過電壓的大部分能量進行吸收，并將大氣過電壓和操作過電壓的幅值限制在SVG裝置允許的安全范圍之內，可有效防止電源外部的過電壓對SVG裝置的破壞，使得SVG裝置安全可靠的運行。
[0051]2)層疊母線15的正極銅排151與負極銅排152重疊鋪放，且兩者間夾持有第一絕緣薄膜153，提高了該層疊母線的正負極間絕緣耐受電壓效果，母線表面覆蓋第二絕緣薄膜，滿足銅排散熱，對周圍絕緣及均化電場應力，可有效防止電場應力集中所導致絕緣內部局部放電和電暈放電對絕緣材料的損害，且解決了現有技術中銅排分立裝配銅排自身雜散電感太大而致IGBT的C極與E極絕緣擊穿而損壞的問題。
[0052]3)能量吸收器11與連接電抗器12并聯后形成第二級防線，在連接電抗器12產生過電壓的瞬間，采用能量吸收器11對連接電抗器12上的大部分磁場能量進行吸收，該第二級防線可將連接電抗器12自身存儲的磁場能量及PWM波作用于各功率單元13IGBT時產生的過電壓吸收，能夠解決了連接電抗器12的截流過電壓、IGBT關斷過電壓等危險過電壓對IGBT的危害。
[0053]4)由IGBT感應電壓嵌位器16形成第五級防線，對驅動板接觸不良所發(fā)生的交變電場感應過電壓進行消耗，可有效解決現有技術中功率單元IGBT的誤觸發(fā)導通問題。
[0054]5)本發(fā)明采用五級防線，對來自各方面的過電壓能量進行抑制，能夠防止由于裝置過電壓侵入連接電抗器12的截流過電壓、IGBT關斷過電壓等危險過電壓對IGBT的危害，保證SVG裝置的安全可靠運行；且該系統及方法操作簡單、工作效率高及延長了該SVG裝置的使用壽命。
[0055]以上公開的僅為本發(fā)明的幾個具體實施例，但是本發(fā)明并非局限于此，任何本領域的技術人員能思之的變化都應落入本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種分布式層級過電壓控制系統，其特征在于，包括安裝于SVG進線柜內的組合式過電壓保護器、能量吸收器、連接電抗器、功率單元、功率單元嵌位限壓器、層疊母線和IGBT感應電壓嵌位器；所述能量吸收器與連接電抗器并聯后的一端連接組合式過電壓保護器，并聯后的另一端連接功率單元，且所述功率單元嵌位限壓器和層疊母線分別與功率單元連接，所述IGBT感應電壓嵌位器的兩端分別連接在功率單元中每個IGBT的G極和E極之間，且所述IGBT感應電壓嵌位器的兩端連接在驅動板的輸出端子G與輸出端子E之間； 所述層疊母線包括正極銅排和負極銅排，所述正極銅排與負極銅排重疊鋪放形成一母線，且所述正極銅排與負極銅排之間夾持有第一絕緣薄膜，所述母線的表面覆蓋有第二絕緣薄膜。
2.根據權利要求1所述的分布式層級過電壓控制系統，其特征在于，所述正極銅排的一端與串聯的電解電容器組的正極連接，所述正極銅排的另一端分別與功率單元中IGBT的E極連接。
3.根據權利要求1或2所述的分布式層級過電壓控制系統，其特征在于，所述功率單元嵌位限壓器安裝在功率單元的兩根輸出銅排之間。
4.根據權利要求3所述的分布式層級過電壓控制系統，其特征在于，所述IGBT感應電壓嵌位器包括兩個穩(wěn)壓管和一個電阻；所述兩個穩(wěn)壓管反串聯后與電阻并聯。
5.一種分布式層級過電壓控制方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟A:由組合式過電壓保護器形成第一級防線，對侵入SVG裝置電源的大氣過電壓和操作過電壓的大部分能量進行吸收，并將大氣過電壓和操作過電壓的幅值限制在SVG裝置允許的安全范圍之內； 步驟B:能量吸收器與連接電抗器并聯后形成第二級防線，在連接電抗器產生過電壓的瞬間，采用能量吸收器對連接電抗器上的大部分磁場能量進行吸收，并將該連接電抗器產生的過電壓限制在SVG裝置安全范圍之內； 步驟C:由功率單元嵌位限壓器形成第三級防線，將步驟A和步驟B中剩余的過電壓能量全部吸收，并將功率單元入口的電壓限制在功率單元中每個IGBT允許的絕緣范圍之內； 步驟D:由層疊母線形成第四級防線，對母線雜散電感產生過電壓進行吸收，使得母線雜散電感的過電壓大幅度減少； 步驟E:由IGBT感應電壓嵌位器形成第五級防線，對驅動板接觸不良所發(fā)生的交變電場感應過電壓進行消耗，快速將存儲在IGBT的G極與E極之間的電荷進行消耗。
6.根據權利要求5所述的分布式層級過電壓控制方法，其特征在于，所述步驟D還包括通過加裝小容量無感電容，對功率單元中每個IGBT開關的過電壓進行吸收。
7.根據權利要求5所述的分布式層級過電壓控制方法，其特征在于，所述層疊母線經緊密墊壓成型，對正極銅排和負極銅排進行散熱，并對層疊母線周圍絕緣及均化電場應力。
8.根據權利要求5所述的分布式層級過電壓控制方法，其特征在于，所述步驟E中由反串聯的兩個穩(wěn)壓管將驅動板過電壓限制在允許的范圍內，由電阻快速將存儲在IGBT的G極與E極之間的電荷進行消耗。
【文檔編號】H02J3/18GK103490400SQ201310367521
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年8月21日 優(yōu)先權日:2013年8月21日
【發(fā)明者】李儉華 申請人:安徽國科電力設備有限公司