10kV新型STATCOM裝置的研究

孫國歧 連 艷 顏 勇 夏成山 魏曉賓

（1.山東德佑電氣有限公司，山東 淄博 255000；2.國網山東節能服務有限公司，濟南 250000）

STATCOM 正常工作時就是通過電力半導體開關的通斷將直流側電壓轉換成與電網同頻率的交流側輸出電壓，就像一個電壓型逆變器，只不過其交流側輸出接的不是無源負載，而是電網。因此，當僅考慮基波頻率時，STATCOM 可以被等效地視為幅值和相位均可以控制的一個與電網同頻率的交流電壓源，它通過電抗器連接到電網上[1-2]。

采用電壓源逆變器結構的STATCOM 的原理電路如圖1所示，電壓源逆變器通過濾波電抗器串聯并入電網。

圖1 STATCAOM 主電路

1 基于IGBT 驅動電路的信號隔離電路

1.1 背景技術

目前市場上的驅動電路主要采用以下幾種隔離方法：高速光耦隔離、脈沖變壓器隔離、高頻脈沖調制變壓器隔離。采用高速光耦隔離具有成本較高、輸入輸出延遲大、共模抑制能力較低，基本上在30kV/μs 以下等缺點；采用脈沖變壓器隔離，即使用變壓器將驅動功率從二次側傳輸給IGBT，其具有較低的延遲、較高的共模能力、不需要隔離電源等優點，但同時具有變壓器體積大、共模抑制能力不夠好、不能傳送低頻信號、不能傳送占空比高的信號、信號邊沿不夠陡峭的缺點；高頻脈沖調制變壓器隔離，即將驅動信號調制成高頻信號后送到脈沖變壓器初級，變壓器次級再解調出驅動信號，隔離變壓器同時傳送驅動能量，具有成本較高、驅動電流較小、動作延時較大的缺點。

1.2 IGBT 驅動器的信號隔離電路

為了解決背景技術所存在的缺點，STATCOM裝置采用了一種基于IGBT 驅動器的信號隔離電路。結構框圖如圖2所示。信號隔離電路由輸入緩沖電路、延時緩沖電路、圖騰柱驅動電路、隔離變壓器、濾波電路和信號還原電路組成。輸入緩沖電路的輸出端分別與圖騰柱驅動電路的輸入端、延時緩沖電路的輸入端相連接，且延時緩沖電路的輸出端與圖騰柱驅動電路的輸入端連接，圖騰柱驅動電路的輸出端與變壓器的輸入端連接，隔離變壓器的輸出端與濾波電路的輸入端連接，濾波電路的輸出端與 信號還原電路的輸入端連接。

圖2 IGBT 驅動器的信號隔離電路結構框圖

PWM 信號經過PWM 信號經過輸入緩沖電路后分成兩路，一路直接進入圖騰柱驅動電路，另一路經過延時緩沖電路后進入圖騰柱驅動電路，圖騰柱驅動電路的輸出接到隔離變壓器的兩端，隔離變壓器的輸出經過濾波電路后進入信號還原電路還原成PWM 信號隔離輸出。

2 基于熱敏電阻的溫度檢測電路

2.1 背景技術

IGBT 模塊中的熱敏電阻需精確檢測其阻值，根據阻值通過查表的方式來確定IGBT 模塊中熱敏電阻的溫度。目前常用的熱敏電阻檢測電路有兩種：第一種，直接采用一個恒值電壓源U1供電，通過一個已知阻值的電阻R1和熱敏電阻R分壓，通過A/D檢測熱敏電阻上的電壓U2，則可通過公式R=U2*R1/(U1-U2) 法非常精確，但是A/D 芯片昂貴，為了一個電阻阻值的檢測采用A/D 芯片成本上無法接受，而且A/D 芯片使用復雜，開發難度大；第二種，采用檢測R-C充電時間常數來確定電阻的阻值。電阻R11和R12確定比較器的比較電壓，通過R對電容充電直至Uout翻轉為高電平。Uout信號同時觸發Q1導通來給電容放電。Uout成為脈沖電壓波形，其頻率為對應R的函數：Fout=R。這種檢測方法成本低，開發簡單，但是如果電容的容值選取較小，則Uout的頻率比較高，難以精確檢測R的阻值。反之，如果電容的容值較大，則其容值精度低，并且溫漂大，故這種電路的檢測精度較低。

2.2 基于熱敏電阻的溫度檢測電路

為了解決背景技術所存在的問題，STATCOM裝置采用了一種基于熱敏電阻的溫度檢測電路。溫度檢測電路如圖3所示。它包含三極管Q1、熱敏電阻R、電容C、運算放大器A、電阻R1、R2、R3，三極管Q1的發射極與接地端連接、三極管Q1的集電極分別與熱敏電阻R和R1的一端相連，熱敏電阻R的另一端與電源連接，R1另一端分別與電容C、 運算放大器A 的引腳1 連接，電容C的另一端與接地端連接，運算放大器A 的引腳1 分別與電阻R2、R3的一端連接，電阻R3的另一端與接地端連接，R2的另一端與運算放大器A 輸出端3 連接。

圖3 基于熱敏電阻的溫度檢測電路

基于熱敏電阻的溫度檢測電路的基本工作原理為：該運算放大器A 的一端比較參考電壓為一個滯環電壓，比較器的另外一端電壓是電容充放電的電壓。電容的充放電在Uout上形成了脈沖波形，Uout同時為Q1的觸發信號。R為熱敏電阻，R1為參考電阻。當Uout為高電平時，電容C通過R1來放電，其放電時間Ton與R1*C的乘積成正比。當Uout為低電平時，電容C通過R1來放電，其放電時間Toff與（R1+R）*C的乘積成正比。所以Ton/Toff=R1/(R1+R)通過控制器可以精確檢測出Ton和Toff的時間，同時R1的電阻精度為1%，比較常用，所以這個電路的開發成本低，無需A/D 之類的高成本元件，而且有很高的檢測精度。

3 結論

STATCOM 裝置采用基于IGBT 驅動電路的信號隔離電路后，隔離電路能夠提供更小的信號延遲，具有更好的共模抑制能力以及成本低廉；STATCOM裝置采用基于熱敏電阻的溫度檢測電路結構簡單，具有較高的檢測精度，減少了開發成本，檢測方法更加簡便。

[1] 羅承廉,紀勇,劉遵義.靜止同步補償器(STATCOM)的原理與實現[M].北京: 中國電力出版社,2005.

[2] 張學亮,陶以彬,鐘國基.基于DSP 和FPGA 控制的并聯有源電力濾波器[J].電力電子技術,2009,6: 6-8.