專利名稱：電網(wǎng)諧波與閃變綜合抑制裝置主電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
電網(wǎng)諧波與閃變綜合抑制裝置主電路技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種基于IGBT器件的新型電網(wǎng)諧波與閃變綜合抑制裝置的主電 路，屬于電能質(zhì)量方面諧波補(bǔ)償技術(shù)領(lǐng)域。背彔技術(shù)20世紀(jì)80年代以來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，非線性電力電子器件和裝 置在現(xiàn)代工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，同時，為了解決電力系統(tǒng)自身發(fā)展存在的問題， 直流輸電和FACTS技術(shù)不斷投入實(shí)際工程應(yīng)用，調(diào)速電機(jī)以及無功功率補(bǔ)償電容 器也大量投入運(yùn)營。這些設(shè)備的運(yùn)行使得電網(wǎng)中電壓和電流波形畸變越來越嚴(yán) 重，諧波水平不斷上升。另外，沖擊性、波動性負(fù)荷，例如電弧爐、大型軋鋼機(jī)、 電力機(jī)車等，運(yùn)行中不僅會產(chǎn)生大量的高次諧波，而且還會產(chǎn)生電壓波動、閃變、 三相不平衡等電能質(zhì)量問題。但另一方面，隨著各種復(fù)雜的、精密的、對電能質(zhì) 量敏感的用電設(shè)備不斷普及，人們對電能質(zhì)量的要求越來越髙，因此電力系統(tǒng)必 須要能夠?qū)﹄娋W(wǎng)諧波與閃變進(jìn)行抑制。過去，國內(nèi)外大量使用無源濾波裝置 (Passive Filter)來解決諧波方面的問題。傳統(tǒng)的無源LC濾波器可以減少諧 波，改善交流負(fù)載的功率因數(shù)，但存在著明顯的不足與缺陷；設(shè)計(jì)的無源濾波器 通常選定特定頻率，只能濾除指定次諧波；存在與電網(wǎng)發(fā)生諧振的可能性對電 網(wǎng)阻抗和頻率變化也十分敏感。另外，也存在著體積大、損耗大等問題。由于無 源濾波具有以上缺點(diǎn)，隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，人們將濾波研究方向逐歩 轉(zhuǎn)向有源濾波。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展、控制水平的提髙，以及對電力電子裝置 研究的深入，提高電能質(zhì)量裝置的發(fā)展方向集中在控制靈活、性能優(yōu)異的電力電 子裝置上，本著節(jié)約資源和投資的原則，一機(jī)多能又成為電力電子裝置的未來發(fā) 展方向。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提出了一種可以基于IGBT器件對配電網(wǎng)系統(tǒng)中的電網(wǎng)諧波和閃變進(jìn)
行綜合抑制的裝置主電路。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種電網(wǎng)諧波與閃變綜合抑制裝置主電路，包括電容C1以下稱第一電容、 第一電感L與開關(guān)電路及第二電感L與開關(guān)電路，第一和/或第二電感L與開關(guān) 電路包括四路由串聯(lián)的電感L與開關(guān)電路構(gòu)成的支路，在第一電感L與開關(guān)電路 與第一電容之間設(shè)有逆變電路，并且，逆變電路的sa、 sb、 sc、 sn交流輸入端 分別與四路第一電感L與開關(guān)電路支路的sa、 sb、 sc、 sn端連接，逆變電路的 直流端與第一電容的DC+、 DC—直流端連接在第二電感L與開關(guān)電路與第一電 容之間設(shè)有整流電路，并且，整流電路的直流端與與第一電容l一2的DC+、 DC 一直流端連接，整流電路的的la、 lb、 lc、 ln交流端分別與四路第二電感L與 開關(guān)電路支路的la、 lb、 lc、 ln端連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的主電路具有如下優(yōu)點(diǎn)(1) 不僅能補(bǔ)償各次諧波，還可抑制閃變，有一機(jī)多能的特點(diǎn)，在性價(jià)比 上較為合理(2) 濾波特性不受系統(tǒng)阻抗等的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn)；(3) 具有自適應(yīng)功能，可自動跟蹤補(bǔ)償變化著的諧波，即具有高度可控性 和快速響應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)。(4) 本裝置采用冗余對稱設(shè)計(jì)，逆變電路也可以實(shí)現(xiàn)整流功能，同時整流 電路也可以實(shí)現(xiàn)逆變功能。正常工作時分別進(jìn)行整流與逆變，當(dāng)某個部分發(fā)生故 障時可以將該部分電路停止，而采用其對稱部分同時進(jìn)行整流和逆變，以實(shí)現(xiàn)電 網(wǎng)諧波和閃變進(jìn)行綜合抑制，這樣可以大大提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。


圖1為基于IGBT器件對配電網(wǎng)系統(tǒng)中的電網(wǎng)諧波和閃變進(jìn)行綜合抑制的裝 覽主電路的各部分連接示意圖，其中l(wèi)一l部分為逆變電路，l一2為直流側(cè)電容， 1—3部分為整流電路，1一4和1一5為投切開關(guān)與電感電路。圖2為基于IGBT器件對配電網(wǎng)系統(tǒng)中的電網(wǎng)諧波和閃變進(jìn)行綜合抑制的裝置主電路的電路示意圖。圖3為系統(tǒng)的示意圖。其中1為系統(tǒng)的主電路部分，l一l部分為逆變電路，
1—2為直流側(cè)電容，l一3部分為整流電路，1—4和1—5為投切開關(guān)與電感。2 為系統(tǒng)的控制電路。3為交流電源系統(tǒng)，4為非線性負(fù)載，PT1、 PT2為電壓傳感 器，CT1、 CT2為電流傳感器。
具體實(shí)施方式
—種電網(wǎng)諧波與閃變綜合抑制裝置主電路，包括第一電容1一2、第一電感L 與開關(guān)電路及第二電感L與開關(guān)電路1一4、 l一5，第一和/或第二電感L與開關(guān) 電路包括四路由串聯(lián)的電感L與開關(guān)電路構(gòu)成的支路，在第一電感L與丌關(guān)電路 1一4與第一電容l一2之間設(shè)有逆變電路l一l，并且，逆變電路l一l的sa、 sb、 sc、 sn交流輸入端分別與四路第一電感L與開關(guān)電路l一4支路的sa、 sb、 sc、 sn端連接，逆變電路l一l的直流端與第一電容l一2的DC+、 DC—直流端連接； 在第二電感L與開關(guān)電路l一5與第一電容l一2之間設(shè)有整流電路l一3，并且， 整流電路l一3的直流端與與第一電容l一2的DC+、 DC—直流端連接，整流電路 的1—3的la、 lb、 lc、 ln交流端分別與四路第二電感L與開關(guān)電路l一5支路 的la、 lb、 lc、 ln端連接。上述逆變電路l一l包括4路橋臂，橋臂的兩端分別 相互連接且該兩端分別為逆變電路l一l的直流端，每路橋臂2個串聯(lián)的電力電 子開關(guān)組成，4路橋糖的中點(diǎn)分別為逆變電路l一l的sa、 sb、 sc、 sn交流輸入 端，上述電力電子開關(guān)由絕緣柵雙極晶體管及與絕緣柵雙極晶體管反相并聯(lián)的二 極管組成。上述整流電路1一3包括4路橋臂，橋臂的兩端分別相互連接且該兩 端分別為整流電路l一3的直流端，每路橋臂2個串聯(lián)的電力電子開關(guān)組成，4 路橋臂的中點(diǎn)分別為整流電路l一3的la、 lb、 lc、 ln交流端，上述電力電子開 關(guān)由絕緣柵雙極晶體管及與絕緣柵雙極晶體管反相并聯(lián)的二極管組成。主電路包括上述五個部分，其中交流電源的SA、 SB、 SC、 SN端連接到電感 L和開關(guān)電路l一4，經(jīng)過電感L和開關(guān)電路1一4，然后連接到逆變電路l一l的 sa、 sb、 sc、 sn交流輸入端，逆變電路的直流端連接到第一電容l一2的DC+、 DC—直流端，同時第一電容l一2的DC+、 DC—直流端也連接到整流電路1一3的 直流端，整流電路的l一3的交流端la、 lb、 lc、 ln連接到電感L和開關(guān)電路l一5，然后通過電感L和開關(guān)電路1-5連接到負(fù)載鯽的交流端LA、 LB、 LC、 LN。 主電路1在控制電路2的控制信號的控制下，通過整流電路l一3對電網(wǎng)的交流
電進(jìn)行整流，為第一電容1一2提供直流電壓，同時在控制信號的控制下通過逆 變電路l一l將直流電逆變成不同頻率的交流電，以抵消由于非線性負(fù)載4工作 時產(chǎn)生的電網(wǎng)諧波，并且可以補(bǔ)償負(fù)載的無功功率，從而調(diào)節(jié)功率因數(shù)并且抑制 電壓閃變。電壓傳感器PT1、 PT2和電流傳感器CT1、 CT2、 CT3檢測線路和第一 電容上的電壓、檢測整流1一3和逆變電路1一1四個橋臂、配電網(wǎng)絡(luò)上的電流， 并將檢測結(jié)果傳輸至控制電路2?？刂齐娐?得到來自傳感器的控制信號進(jìn)行判 斷、計(jì)算，釆用合適的檢測與控制算法對主電路l中的逆變電路l一l和整流電 路1一3進(jìn)行準(zhǔn)確、實(shí)時的控制，從而對配電網(wǎng)系統(tǒng)中的電網(wǎng)諧波和閃變進(jìn)行綜 合抑制。裝覽開始工作時，先判斷整流部分和逆變部分電路的工作情況，如果兩部分 均IH常工作，則閉合投切開關(guān)SW2、 SW1，整流電路通過電感L5 L8與交流電路 相連在控制電路控制下進(jìn)行可控整流得到的直流電壓對第一電容進(jìn)行充電，為逆 變提供直流支撐，同時第一電容還起到濾除直流電壓的脈動成分，在控制電路的 控制下，逆變電路將第一電容上直流電壓進(jìn)行逆變得到不同頻率的交流電壓，通 過電感L1 L4耦合至線路，從而提供負(fù)載的無功電流和抵消諧波。在該工作過 程中，逆變和整流電路中的二極管D1 D16起到保護(hù)絕緣柵雙極晶體管T1 T16 的作用。在系統(tǒng)工作時每隔一段時間對逆變電路和整流電路進(jìn)行檢測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)其 中某個部分發(fā)生故障時，則關(guān)閉該部分電路，同時打開該部分的投切開關(guān)。此時 相對應(yīng)的另外一個部分則利用該部分主電路中的絕緣柵雙極晶體管和二極管同 時進(jìn)行整流和逆變的相應(yīng)動作，實(shí)現(xiàn)抑制電網(wǎng)諧波和閃變的功能。參照附圖，對主電路各部分作一詳細(xì)說明1、 網(wǎng)側(cè)濾波電感L1 L4:逆變電路采用通過電抗器接入的方式時，相當(dāng)于 將綜合抑制裝置的輸出電壓經(jīng)過電抗器并入系統(tǒng)，補(bǔ)償電流即為系統(tǒng)電壓和綜合 抑制裝置輸出電壓的差值通過電抗器時所產(chǎn)生的電流。電感是保證裝置正常運(yùn)行 的必要條件。電感值的大小對系統(tǒng)影響很大，選取適當(dāng)?shù)碾姼兄悼梢赃_(dá)到抑制高 次諧波的目的，但是如果過大將導(dǎo)致系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度變慢，而過小將導(dǎo)致裝 置在投入運(yùn)行時產(chǎn)生的瞬時電流不能得到有效抑制。經(jīng)過計(jì)算根據(jù)不同的場合選 擇L5 4mH， 25 100A的電感。2、 直流側(cè)濾波電容C1:電壓型逆變器的標(biāo)志。其作用是濾除直流電壓脈動
成分，保證在TK常工作時其直流電壓維持不變，保證裝覽正常工作。直流側(cè)電容 容量C1在允許的范圍內(nèi)越大越好，Cl越大，抑制電容電壓波動的能力越強(qiáng)。電 容的選擇還要考慮電容的耐壓問題，經(jīng)過計(jì)算選擇1200V、 4700nF的電容。3、 整流電路1一3:該部分電路由絕緣柵雙極晶體管T9 T16及與絕緣柵雙 極晶體管反相并聯(lián)的二極管D9 D16組成對該部分電路通過系統(tǒng)的控制電路部 分2采用脈寬調(diào)制(PWM， Pulse-Width Modulation)方法進(jìn)行控制，可以使得 各相輸入電流近似為正弦波且和系統(tǒng)的電壓相位相同，功率因數(shù)近似為1，通過 PWM整流電路為直流側(cè)濾波電容Cl提供一個穩(wěn)定的直流電壓，為進(jìn)行諧波與閃 變的綜合抑制提供直流電壓支撐。4、 逆變電路l一l:該部分電路由絕緣柵雙極晶體管T1 T8及與絕緣柵雙 極晶體管反相并聯(lián)的二極管D1 D8組成；該部分電路在系統(tǒng)的控制電路部分2 的控制下，采用諧波與閃變綜合抑制控制策略，針對由于非線性負(fù)載的接入而引 入的諧波產(chǎn)生相對應(yīng)的補(bǔ)償電流與其進(jìn)行抵消，從而抑制了諧波。同時，該部分 電路亦能提供配電系統(tǒng)運(yùn)行時所需要的無功功率，通過補(bǔ)償無功功率起到了穩(wěn)定 配電系統(tǒng)的供電電壓的作用，從而可以抑制閃變的發(fā)生。事實(shí)上該部分逆變電路 和上述整流電路的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完全相同，并且逆變電路和上述整流電路都可以 在系統(tǒng)控制電路的控制下獨(dú)立地完成整流和逆變的相應(yīng)動作，之所以采用兩個相 同的結(jié)構(gòu)主要原因有1)為了能夠?qū)χ绷鱾?cè)濾波第一電容兩端的電壓能夠進(jìn)行 準(zhǔn)確、及時的控制，提高控制精度，從而實(shí)現(xiàn)諧波和閃變抑制能力的優(yōu)化；2) 為了實(shí)現(xiàn)裝置的冗余運(yùn)行，逆變電路也可以實(shí)現(xiàn)整流功能，同時整流電路也可以 實(shí)現(xiàn)逆變功能。正常工作時分別進(jìn)行整流與逆變，當(dāng)某個部分發(fā)生故障時可以將 該部分電路停止，而采用其對稱部分同時進(jìn)行整流和逆變，以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)諧波和閃 變進(jìn)行綜合抑制，這樣可以大大提髙系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。5、 負(fù)載側(cè)濾波電感L5 L8及開關(guān)電路1一4、 l一5:整流電路采用通過電 抗器接入的方式，在整流電路工作時，由于開關(guān)器件絕緣柵雙極晶體管T9 T16 的動作使得各相電流中含有頻率很髙的高次諧波。負(fù)載側(cè)濾波電感起到在整流電 路工作時濾除各相電流中的髙次諧波，這樣就可以使各相輸入電流的脈動成分大 大減少。與網(wǎng)側(cè)濾波電感相同,負(fù)載側(cè)濾波電感的值也取為1.5 4mH， 25 1OOA。 為了控制本裝覽的使用，在主電路中設(shè)計(jì)有開關(guān)SW1和SW2。
權(quán)利要求1、 一種電網(wǎng)諧波與閃變綜合抑制裝覽主電路，包括第一電容(l一2)、第一 電感L與開關(guān)電路及第二電感L與開關(guān)電路(1一4、 1—5)，第一和/或第二電感 L與開關(guān)電路包括四路由串聯(lián)的電感L與開關(guān)電路構(gòu)成的支路，其特征在于在第 一電感L與開關(guān)電路(l一4)與第一電容(1—2)之間設(shè)有逆變電路(l一l), 并且，逆變電路(l一l)的sa、 sb、 sc、 sn交流輸入端分別與四路第一電感L 與開關(guān)電路(l一4)支路的sa、 sb、 sc、 sn端連接，逆變電路U — l)的直流 端與第一電容(l一2)的DC+、 DC—直流端連接；在第二電感L與開關(guān)電路(1 一5)與第一電容(l一2)之間設(shè)有整流電路(l一3)，并且，整流電路(l一3) 的直流端與與第一電容(1—2)的DC+、 DC—直流端連接，整流電路的(1—3) 的la、 lb、 lc、 ln交流端分別與四路第二電感L與開關(guān)電路(l一5)支路的la、 lb、 lc、 ln端連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電網(wǎng)諧波與閃變綜合抑制裝覽主電路，其特征在 于逆變電路(l一l)包括4路橋臂，橋臂的兩端分別相互連接且該兩端分別為逆 變電路(l一l)的直流端，每路橋臂2個串聯(lián)的電力電子開關(guān)組成，4路橋臂的 中點(diǎn)分別為逆變電路(l一l)的sa、 sb、 sc、 sn交流輸入端，上述電力電子開 關(guān)由絕緣柵雙極晶體管及與絕緣柵雙極晶體管反相并聯(lián)的二極管組成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電網(wǎng)諧波與閃變綜合抑制裝置主電路，其特 征在于整流電路(l一3)包括4路橋臂，橋臂的兩端分別相互連接且該兩端分別 為整流電路U—3)的直流端，每路橋臂2個串聯(lián)的電力電子開關(guān)組成，4路橋 臂的中點(diǎn)分別為整流電路(1—3)的la、 lb、 lc、 ln交流端，上述電力電子開 關(guān)由絕緣柵雙極晶體管及與絕緣柵雙極晶體管反相并聯(lián)的二極管組成。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種電網(wǎng)諧波與閃變綜合抑制裝置主電路，包括電容C1、第一電感L與開關(guān)電路及第二電感L與開關(guān)電路，第一和/或第二電感L與開關(guān)電路包括四路由串聯(lián)的電感L與開關(guān)電路構(gòu)成的支路，在第一電感L與開關(guān)電路與C1之間設(shè)有逆變電路，并且，逆變電路的sa、sb、sc、sn交流輸入端分別與四路第一電感L與開關(guān)電路支路的sa、sb、sc、sn端連接，逆變電路的直流端與第一電容的DC+、DC-直流端連接；在第二電感L與開關(guān)電路與第一電容之間設(shè)有整流電路，并且，整流電路的直流端與與C1的DC+、DC-直流端連接，整流電路的la、lb、lc、ln交流端分別與四路第二電感L與開關(guān)電路支路的la、lb、lc、ln端連接。
文檔編號H02J3/01GK201038767SQ20072003668
公開日2008年3月19日 申請日期2007年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月10日
發(fā)明者丁祖軍, 靜 康, 偉 曾, 軍 梅, 沈亞飛, 濤 袁, 鄭建勇, 娟 陳 申請人:東南大學(xué)