级联静止同步补偿器(STATCOM)系统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 吕梁 033000)

为了净化井下电网，提高井下电网的电能质量，促进煤炭工业节约、清洁和可持续发展，我国发改委在2007年的《煤炭工业节能减排意见的通知》中，要求井下电网的功率因素不低于0.9，尽量消除井下电网中的谐波。为此，无功补偿与谐波治理技术在电能质量治理中发挥着重要的作用[1-3]。目前应用于煤矿井下电网的无功补偿装置主要有2类，①基于投切电容器补偿技术，早期的是采用只能补偿固定容量的固定电容器补偿器(FC)。后来发展为机械投切电容器(MSC)，这类装置只能分级、分组投切，不能连续动态无功补偿；②基于电抗器和固定电容器相结合的技术，如晶闸管控制电抗器+固定电容器(TCR+FC)，晶闸管投切电容器(TSC+FC)、磁控电抗器+固定电容器(MSVC)，虽然可以实现连续动态无功补偿，但是其本身就是谐波源，补偿效果差。在谐波治理方面，主要是采用滤波器补偿装置，但是补偿效果很差，动态实时性不能满足要求。

静止同步补偿器(STATCOM)作为供电系统中最具有代表性的无功补偿装置，与其他无功补偿设备相比，由于减少了大量的电容器、电抗器等元件，使得整个供电控制系统装置的体积大大减小，功率变换模块采用了高性能和高开关频率的IGBT等开关器件。具有响应速度快、谐波量小、运行范围宽和控制算法灵活等优点[4-6]。但其高昂的造价成本和高难度的故障处理需求，是在煤矿广泛推广使用有较大影响。功率模块中的IGBT是易发生故障，其发生故障后将直接影响系统的运行效果。

由于其工作条件和材料特性的原因，IGBT的可靠性仍然是一个有待解决的问题。功率模块中IGBT故障主要分两类：IGBT短路故障和IGBT开路故障。在IGBT发生故障时，如不及时排除，将会导致功率管工作不正常，严重时会使装置发生损害。为了提高系统的连续性和可靠性，对IGBT故障进行分析和判断。对矿井的供电和正常生产具有重要的意义。

1 级联型STATCOM系统的原理和结构

(1)级联型STATCOM系统的原理。STATCOM相当于一个可控的电流源，通过可关断大功率电力电子器件组成的电器设备，连接后再与电抗器串接，随后并入电网，再控制其发出的无功电流和谐波电流，从而使系统根据电网需求发出或者吸收大小可以连续变化的无功电流，达到无功补偿的目的。STATCOM装置可以看作是一个可控的电压源，STATCOM的运行模式见表1。

(2)级联型STATCOM系统的结构。由执行装置、滤波装置、功率模块、散热装置、控制系统组成。①执行装置。主要由起总控功能的防爆开关、各类接触器和软起接触器和电阻保险等。②滤波装置。IGBT器件在高频通断时，会产生频率较高的载波谐波和边带谐波，LCL滤波器可以同时兼顾低频信号和高频信号，相对于L滤波器效果更好。因此，在本文中采用LCL滤波器的装置结构。③功率模块。为了使STATCOM具有更高的性能，并且减小STATCOM在井下变电站的占地空间，采用级联多电平拓扑结构。功率模块采用H桥结构的变流器，每个H桥单元有4个功率开关器件，将电容连接起来形成直流侧。A相、B相、C相均用串联功率模块组成，A相、B相、C相采用“Y”方式。④散热装置。在STATCOM系统中，系统在运行时会产生热量，因此需要加散热装置。散热主要分两类：整体散热和局部散热。整体散热通过在功率柜顶板上开孔，安装风冷装置，通过风冷装置将柜体内设备产生的热量，抽出柜外，同时，将柜外的低温气体抽入柜内的对流散热方式。局部散热是在IGBT模块底部及其散热片接触部分涂抹用于散热性能的硅脂材料，进行散热。⑤控制系统。由数据检测、功能控制和设备驱动等三部分组成。主要功能为控制功率器件的导通和关断。

2 级联型STATCOM系统的参数设计

在级联型STATCOM中，合理的参数不仅可以降低系统故障发生的概率，还可以使系统具有较高的性能。主电路参数包括级联单元数目N的确定、直流侧电容电压Udc、直流侧电容Cdc、连接电感L和等效电路R等。

(1)级联单元数目N的确定。在选择级联单元数目时，需要从系统电压、所选器件的开关器件、成本和使用场所等方面考虑。如果级联数目过多时，装置的输出电压更接近理想中的电压，但会增加装置的复杂性，也会使成本升高，体积变大。如果级联数目过少，又会使装置的输出效果不理想。综合考虑几方面因素，对于功率开关器件，选用1 700 V/200 A的IGBT，额定容量±150 kVar，额定相电流76 A，最大值为107.5 A。

考虑到1.7左右的安全裕量，IGBT的输出电压为1 000 V左右，因此单个H桥变流器的输出电压有效值为：Udc=1 000/λ

(1)

这里λ取1.54，每个功率模块直流电容电压Udc≈650 V，那么1 140 V的STATCOM每相级联H桥单元的个数N≈1.43，这里取为2。

(2)直流侧电容的选择。通过对直流侧电容进行了深入的分析，得出直流侧电容Cdc的选取公式：

(2)

式中，Is为STATCOM输出的最大补偿电流的峰值；

m为调制比，取0.93；ΔUdc为电容电压波动范围，按照装置的设计指标，这里取10%以内。

将上述参数代入式(2)可得：Cdc≥0.003 8 F，考虑到STATCOM装置调制裕量的需要，通过多次仿真和测试，确定选用的电容值为Cde=4 000 μF。

(3)连接电感值的选择。连接电感即滤波电抗器，即LCL滤波器。为了滤除STATCOM输出装置中的谐波，滤波器的参数设置不合适的话会导致跟踪速度变慢、滤波性能不佳，系统易产生振荡。目前选择LCL滤波器的参数有2种计算方法：基于智能优化算法和工程应用计算方法，前者的选取效果最好，但是计算出的参数较实际较大，成本高；后者的选取出的参数成本低，计算简单。在本装置中，考虑到成本和安装的需要，采用工程计算的方法，最终选择L1=0.33 mH，C=55 μF，L2=1.32 mH，阻尼电阻Rf=5 Ω。

3 变流器IGBT开路故障分析

当IGBT发生开路故障时，STATCOM系统中很多量也会发生变化，原始信号的选取对于IGBT开路故障的分析非常重要，因此选择原始信号时需依据几项原则：①抗干扰性。在系统的状态发生变化时，原始信号只对IGBT开路的故障状态变化，不随系统的其他正常状态而发生改变，以免造成误诊断。②敏感性。选择的原始信号要对故障具有足够的敏感性，且不同故障之间信号不同。③实用性。原始信号的获取要根据目前硬件资源诊断效率，虽然有些原始信号对于某种故障特别适用，但是有时很难获得。

当负载发生变化时，电网中的电压不会有任何改变，电网中电流、负载的电流、静止同步补偿器的电流和H桥直流侧的电容电压均变大，但频率不发生变化。

当IGBT产生开路故障后，电网的电流和静止同步补偿器的电流也会产生较小的不同数据，Udc1产生的数据变动较大，尤其幅值较正常数据偏差非常大。

为了推导IGBT开路故障对H桥功率模块输出电压的影响，采用双重傅里叶分析对输出电压进行了推导，首先对其故障机理进行分析。

为全面对直流分量和各次谐波含量的特性进行分析。此处以0～500 Hz的幅值及对应的相位角作为分析对象，具体参数见表2。

为进一步对故障性质提高分析准确率，首先判断直流分量U0的值为正或负，当U0=0时，说明IGBT正常；当U0为正时，可以判断出次对角管发生故障，即S12或S13发生故障，当U0为负时，可以判断出主对角管发生故障。然后根据其偶次谐波的相位角φon，U0为正时，当偶次的相位Son(x)≈180°时，则S12发生开路故障，当偶次的相位Son(x)≈0时，则S13发生开路故障，同样U0为负时可以判断是S11故障还是S14故障。

4 结语

随着煤矿自动化水平的提高，STATCOM装置在井下电网无功 补偿和谐波 治理等方面得到了广泛地应用，但煤矿井下恶劣的环境，对该装置的可靠性造成重大影响，尤其是IGBT的可靠性成为STATCOM装置可靠性的关键，本文通过研究井下1 140 V级联H桥STATCOM系统，根据其原理和参数的设计方法，分析了STATCOM中IGBT众多故障的判断方法，对STATCOM装置的稳定运行起到了很关键的作用。