專利名稱：用于鏈式靜止同步補償器直流電壓平衡控制的雙向變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于鏈式靜止同步補償器直流電壓平衡控制的雙向變換器，屬于電氣自動化設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的無功補償設(shè)備有同步調(diào)相機、固定容量的電容器、開關(guān)控制的并聯(lián)電抗器等，這些設(shè)備可滿足一定范圍的無功補償要求，但它們有響應(yīng)速度慢、故障維護困難等缺點?？煽毓栊偷撵o止無功補償器(SVC)有較好的性能，但也存在以下主要缺點1)由于它對電網(wǎng)電壓的波動表現(xiàn)出恒阻抗特性，因而在電網(wǎng)電壓波動時不能充分發(fā)揮其作用；2)對系統(tǒng)產(chǎn)生較多的諧波電流。
隨著大功率半導(dǎo)體器件(GTO、IGBT、IGCT、IEGT)的出現(xiàn)，一種新型的靜止同步補償器(以下簡稱STATCOM)已開始應(yīng)用于電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定控制。STATCOM由電壓源型逆變器構(gòu)成，從原理上它等效于靜止的同步調(diào)相機，但動態(tài)特性遠優(yōu)于同步調(diào)相機，它具有起動無沖擊、調(diào)節(jié)連續(xù)、響應(yīng)快速、占地面積小等優(yōu)點，在改善系統(tǒng)穩(wěn)定性、提高現(xiàn)有輸電線路的輸電容量和抑制電壓閃變等方面均具有很大優(yōu)勢，已成為各國競相發(fā)展的新一代無功補償設(shè)備，是今后柔性交流輸電系統(tǒng)(FACTS)的重要組成部件之一。目前我國各大電網(wǎng)仍存在電源不足、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不盡合理、系統(tǒng)穩(wěn)定性及供電質(zhì)量較差的問題，大容量的新型靜止無功發(fā)生器的應(yīng)用變得日益迫切并具有重要意義。
STATCOM裝置或有源濾波裝置的主電路一般采用變壓器多重化電壓型逆變器結(jié)構(gòu)或鏈式電壓型逆變器結(jié)構(gòu)。其中，基于鏈式電壓型逆變器的STATCOM有如下優(yōu)越特點1)模塊化結(jié)構(gòu)，2)容易實現(xiàn)冗余運行，3)可以實現(xiàn)不平衡負載的平衡化補償，4)可以允許更高的系統(tǒng)電壓不對稱，5)效率更高。鏈式電壓型逆變器的關(guān)鍵技術(shù)之一是其各個單相逆變器的直流側(cè)電壓的平衡控制。目前可見報道的是英國ALSTOM公司開發(fā)的75MVA STATCOM裝置，它采用了一種雙向逆變器將各個直流側(cè)電容能量逆變到一個公共交流電壓母線或從公共交流電壓母線變換能量回各個直流電容，從而控制各個直流側(cè)電容電壓平衡的方法，其原理圖見圖1。這種控制方法是大容量鏈式STATCOM的各種直流電壓平衡控制方法中最實用的一種方法。但ASLTOM公開發(fā)表的所有文章并沒給出雙向變換器的電路拓撲。
由于大容量鏈式STATCOM直流電壓一般都高達2500V，如果雙向變換器采用普通的單相全橋逆變器，則其開關(guān)器件必須采用至少3300V的功率器件，如3300V的IGBT模塊，或4500V的IGCT器件。由于雙向變換器功率一般只有10KVA以下，逆變的直流電流一般小于5A，而3300V的IGBT模塊或4500V的IGCT器件的電流容量都高達幾百安培，因此，采用普通的單相全橋逆變器會造成很大的浪費。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種用于鏈式靜止同步補償器直流電壓平衡控制的雙向變換器，使得該雙向變換器功率器件可采用較低電壓較小電流容量的功率開關(guān)器件，從而大大減小雙向變換器的成本。
本發(fā)明提出的用于鏈式靜止同步補償器直流電壓平衡控制的雙向變換器，包括1、兩個直流分壓電容，用于將總直流電壓分壓成兩個直流電壓源，使得兩個直流電壓源的電壓為總直流電壓的一半；2、兩個單相全橋電壓源逆變橋，分別由四個功率半導(dǎo)體開關(guān)和各自的反并聯(lián)二極管以及吸收電路組成，用于將上述兩個直流電壓源的直流電壓逆變成兩個方波交流電壓；3、兩個直流隔離電容，用于將單相全橋電壓源逆變橋輸出的方波交流電壓中的直流分量濾除掉，防止隔離變壓器飽和；4、一個三繞組隔離變壓器，用于將上述兩個單相全橋電壓源逆變橋輸出的方波交流電壓隔離、耦合成一個交流電壓并輸出；5、兩個雙向保護開關(guān)，由一個功率半導(dǎo)體開關(guān)管、一個反向并聯(lián)連接的二極管及一個并聯(lián)連接的吸收電路組成，用于當(dāng)兩個單相全橋電壓源逆變橋工作于整流方式時，控制直流側(cè)電容的充電電流大小，防止過流；所述的兩個直流分壓電容的一端連接在一起并接到第一個單相全橋電壓源逆變橋的直流負端和第二個單相全橋電壓源逆變橋的直流正端，兩個直流分壓電容的另一端分別接到直流電源正母線和直流電源負母線；兩個單相全橋電壓源逆變橋中的第一個單相全橋電壓源逆變橋的直流正端接到第一個雙向保護開關(guān)中二極管的陰極和功率半導(dǎo)體開關(guān)的漏極，第一個雙向保護開關(guān)中二極管的陽極和功率半導(dǎo)體開關(guān)的源極接到直流電源正母線，第一個單相全橋電壓源逆變橋的直流負端接到第二個單相全橋電壓源逆變橋的直流正端及兩個直流分壓電容器的中間的互連節(jié)點，第二個單相全橋電壓源逆變橋的直流負端接到第二個雙向保護開關(guān)中二極管的陽極和功率半導(dǎo)體開關(guān)的源極，第二個雙向保護開關(guān)中二極管的陰極和功率半導(dǎo)體開關(guān)的漏極接到直流電源負母線；兩個直流隔離電容的一端分別接到三繞組隔離變壓器的第一個繞組的1號接線端和第二個繞組的1號接線端，另一端分別接到第一個和第二個單相全橋電壓源逆變橋的左交流輸出端；三繞組隔離變壓器的第一個繞組的1號接線端接到一個直流隔離電容的一端，第二個繞組的1號接線端接到另一個直流隔離電容的一端，兩個直流隔離電容的另一端分別接到第一個和第二個單相全橋電壓源逆變橋的左交流輸出端；三繞組隔離變壓器的第三個繞組為交流電源輸出繞組。三繞組隔離變壓器的第一個繞組的1號接線端和第二個繞組的1號接線端為同名端。
本發(fā)明提出的用于鏈式靜止同步補償器直流電壓平衡控制的雙向變換器，具有自動平衡兩個直流分壓電容上電壓大小的作用，使兩個分壓電容上的電壓保持相同且為總直流電源電壓的一半，從而使得單相全橋電壓源逆變橋的開關(guān)器件可以采用低壓小電流的功率器件。如當(dāng)總直流電源電壓不超過2500V時，單相全橋電壓源逆變橋的開關(guān)器件可選擇1700V/50A的IGBT模塊，從而大大降低雙向逆變器的成本。


圖1是已有技術(shù)中鏈式STATCOM的直流電壓平衡控制電路原理圖。
圖2是本發(fā)明的雙向變換器電路原理圖。
圖3是本發(fā)明電路中各功率開關(guān)器件的門極驅(qū)動脈沖波形和單相全橋電壓源逆變橋輸出電壓波形。
具體實施例方式
本發(fā)明提出的用于鏈式靜止同步補償器直流電壓平衡控制的雙向變換器，其電路原理圖如圖2所示，包括兩個直流分壓電容，用于將總直流電壓分壓成兩個直流電壓源，使得兩個直流電壓源的電壓為總直流電壓的一半；兩個單相全橋電壓源逆變橋，分別由四個功率半導(dǎo)體開關(guān)和各自的反并聯(lián)二極管以及吸收電路組成，用于將上述兩個直流電壓源的直流電壓逆變成兩個方波交流電壓；兩個直流隔離電容，用于將單相全橋電壓源逆變橋輸出的方波交流電壓中的直流分量濾除掉，防止隔離變壓器飽和；一個三繞組隔離變壓器，用于將上述兩個單相全橋電壓源逆變橋輸出的方波交流電壓隔離、耦合成一個交流電壓并輸出；兩個雙向保護開關(guān)，由一個功率半導(dǎo)體開關(guān)管、一個反向并聯(lián)連接的二極管及一個并聯(lián)連接的吸收電路組成，用于當(dāng)兩個單相全橋電壓源逆變橋工作于整流方式時，控制直流側(cè)電容的充電電流大小，防止過流；其中兩個直流分壓電容的一端連接在一起并接到第一個單相全橋電壓源逆變橋的直流負端和第二個單相全橋電壓源逆變橋的直流正端，兩個直流分壓電容的另一端分別接到直流電源正母線和直流電源負母線；兩個單相全橋電壓源逆變橋中的第一個單相全橋電壓源逆變橋的直流正端接到第一個雙向保護開關(guān)中二極管的陰極和功率半導(dǎo)體開關(guān)的漏極，第一個雙向保護開關(guān)中二極管的陽極和功率半導(dǎo)體開關(guān)的源極接到直流電源正母線，第一個單相全橋電壓源逆變橋的直流負端接到第二個單相全橋電壓源逆變橋的直流正端及兩個直流分壓電容器的中間的互連節(jié)點，第二個單相全橋電壓源逆變橋的直流負端接到第二個雙向保護開關(guān)中二極管的陽極和功率半導(dǎo)體開關(guān)的源極，第二個雙向保護開關(guān)中二極管的陰極和功率半導(dǎo)體開關(guān)的漏極接到直流電源負母線；兩個直流隔離電容的一端分別接到三繞組隔離變壓器的第一個繞組的1號接線端和第二個繞組的1號接線端，另一端分別接到第一個和第二個單相全橋電壓源逆變橋的左交流輸出端；三繞組隔離變壓器的第一個繞組的1號接線端接到一個直流隔離電容的一端，第二個繞組的1號接線端接到另一個直流隔離電容的一端，兩個直流隔離電容的另一端分別接到第一個和第二個單相全橋電壓源逆變橋的左交流輸出端；三繞組隔離變壓器的第三個繞組為交流電源輸出繞組。三繞組隔離變壓器的第一個繞組的1號接線端和第二個繞組的1號接線端為同名端。
圖2中，C1和C2為直流分壓電容，用于將總直流電壓分壓成兩個直流電壓源，使得兩個直流電壓源的電壓只有總直流電壓的一半。功率半導(dǎo)體開關(guān)S1LA、S1LB、S1RA、S1RB(即IGBT模塊，型號可為BSM50GB170DN2)和各自的反并聯(lián)二極管以及吸收電路構(gòu)成第一個單相全橋電壓源逆變橋，用于將C1上的直流電壓逆變成交流電壓；S2LA、S2LB、S2RA、S2RB(即IGBT模塊，型號可為BSM50GB170DN2)和各自的反并聯(lián)二極管以及吸收電路構(gòu)成第二個單相全橋電壓源逆變橋，用于將C2上的直流電壓逆變成交流電壓。C3和C4為直流隔離電容，用于將兩個單相全橋電壓源逆變橋輸出的方波交流電壓中的直流分量濾處，防止隔離變壓器飽和。TR為三繞組隔離變壓器，用于將兩個單相逆變橋輸出的交流電壓隔離、耦合成一個交流電壓并輸出。當(dāng)兩個單相全橋電壓源逆變橋各對應(yīng)位置的開關(guān)器件采用相同的驅(qū)動脈沖時(見圖3)，由于隔離變壓器的耦合作用，使兩個分壓電容上的電壓保持相同且為總直流電源電壓的一半，從而達到單相逆變橋開關(guān)器件可使用低壓小電流器件的目的。SPA和SPB為兩個雙向保護開關(guān)，當(dāng)兩個單相全橋電壓源逆變橋工作在整流方式時，直流側(cè)電容處于充電方式，此時，通過控制SPA、SPB中功率半導(dǎo)體器件的開關(guān)來控制充電電流的大小，防止過流。
圖3給出了各功率開關(guān)器件的門極驅(qū)動脈沖波形和單相全橋電壓源逆變橋輸出電壓波形。圖中S1LA/S2LA為S1LA和S2LA的驅(qū)動波形，S1LB/S2LB為S1LB和S2LB的驅(qū)動波形，S1RA/S2RA為S1RA和S2RA的驅(qū)動波形，S1RB/S2RB為S1RB和S2RB的驅(qū)動波形，UAC/UCD為兩個單相全橋電壓源逆變橋的輸出交流電壓波形。
權(quán)利要求
1.一種用于鏈式靜止同步補償器直流電壓平衡控制的雙向變換器，其特征在于該雙向變換器包括(1)兩個直流分壓電容，用于將總直流電壓分壓成兩個直流電壓源，使得兩個直流電壓源的電壓為總直流電壓的一半；(2)兩個單相全橋電壓源逆變橋，分別由四個功率半導(dǎo)體開關(guān)和各自的反并聯(lián)二極管以及吸收電路組成，用于將上述兩個直流電壓源的直流電壓逆變成兩個方波交流電壓；(3)兩個直流隔離電容，用于將單相全橋電壓源逆變橋輸出的方波交流電壓中的直流分量濾除掉，防止隔離變壓器飽和；(4)一個三繞組隔離變壓器，用于將上述兩個單相全橋電壓源逆變橋輸出的方波交流電壓隔離、耦合成一個交流電壓并輸出；(5)兩個雙向保護開關(guān)，由一個功率半導(dǎo)體開關(guān)管、一個反向并聯(lián)連接的二極管及一個并聯(lián)連接的吸收電路組成，用于當(dāng)兩個單相全橋電壓源逆變橋工作于整流方式時，控制直流側(cè)電容的充電電流大小，防止過流；所述的兩個直流分壓電容的一端連接在一起并接到第一個全橋電壓源逆變橋的直流負端和第二個全橋電壓源逆變橋的直流正端，兩個直流分壓電容的另一端分別接到直流電源正母線和直流電源負母線；兩個單相全橋電壓源逆變橋中的第一個單相全橋電壓源逆變橋的直流正端接到第一個雙向保護開關(guān)中二極管的陰極和功率半導(dǎo)體開關(guān)的漏極，第一個雙向保護開關(guān)中二極管的陽極和功率半導(dǎo)體開關(guān)的源極接到直流電源正母線，第一個全橋電壓源逆變橋的直流負端接到第二個單相全橋電壓源逆變橋的直流正端及兩個直流分壓電容器的中間的互連節(jié)點，第二個單相全橋電壓源逆變橋的直流負端接到第二個雙向保護開關(guān)中二極管的陽極和功率半導(dǎo)體開關(guān)的源極，第二個雙向保護開關(guān)中二極管的陰極和功率半導(dǎo)體開關(guān)的漏極接到直流電源負母線；兩個直流隔離電容的一端分別接到三繞組隔離變壓器的第一個繞組的1號接線端和第二個繞組的1號接線端，另一端分別接到第一個和第二個單相全橋電壓源逆變橋的左交流輸出端；三繞組隔離變壓器的第一個繞組的1號接線端接到一個直流隔離電容的一端，第二個繞組的1號接線端接到另一個直流隔離電容的一端，兩個直流隔離電容的另一端分別接到第一個和第二個單相全橋電壓源逆變橋的左交流輸出端；三繞組隔離變壓器的第三個繞組為交流電源輸出繞組。三繞組隔離變壓器的第一個繞組的1號接線端和第二個繞組的1號接線端為同名端。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于鏈式靜止同步補償器直流電壓平衡控制的雙向變換器，屬于電氣自動化設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。該雙向變換器包括兩個直流分壓電容，將總直流電壓分壓成兩個電壓為總直流電壓的一半的直流電壓源；兩個單相全橋電壓源逆變橋，將直流電壓逆變成兩個交流電壓；兩個直流隔離電容，用于將單相全橋電壓源逆變橋輸出的方波交流電壓中的直流分量濾除，防止隔離變壓器飽和；一個三繞組隔離變壓器，用于將上述交流電壓隔離、耦合成一個交流電壓并輸出；兩個雙向保護開關(guān)，用于控制整流方式下直流側(cè)電容的充電電流大小。本發(fā)明的雙向變換器，具有自動平衡兩個直流分壓電容上電壓大小的作用，使得單相逆變橋的開關(guān)器件可以采用低壓小電流的功率器件。
文檔編號H02J3/16GK1461088SQ03142679
公開日2003年12月10日 申請日期2003年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月12日
發(fā)明者劉文華, 宋強, 于慶廣 申請人:清華大學(xué)