專利名稱：一種具有statcom功能的高壓變頻裝置、控制方法及控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種變頻技術(shù)，并涉及具有STATCOM功能的高壓變頻裝置、控制方法及控 制裝置。
背景技術(shù)：
變流技術(shù)是建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)?；谧兞骷夹g(shù)的高壓 變頻技術(shù)和無功補(bǔ)償技術(shù)是目前解決高壓電機(jī)節(jié)能和電能質(zhì)量提高方面最主要的技術(shù)。對 于負(fù)載來講，基于變流技術(shù)的高壓變頻技術(shù)和無功補(bǔ)償技術(shù)為負(fù)載提供了優(yōu)質(zhì)的動力源， 同時(shí)也為了電網(wǎng)電源提供了優(yōu)質(zhì)的使用環(huán)境，這兩項(xiàng)技術(shù)作為兩類不同的電能質(zhì)量優(yōu)化技 術(shù)在不同的應(yīng)用條件下各自發(fā)揮了重要作用。
由于高壓變頻及STATCOM技術(shù)專業(yè)性非常強(qiáng)，目前在工程化實(shí)施的過程中只能見到各 自獨(dú)立的高壓變頻器裝置和STATCOM裝置(Static Var Compensator——靜止同步無功補(bǔ) 償器)，即單獨(dú)的對電機(jī)供電的高壓變頻裝置，和單獨(dú)接入電網(wǎng)，對電網(wǎng)電能進(jìn)行功率補(bǔ) 償?shù)腟TATCOM裝置。所以單獨(dú)的STATCOM只能作為功率補(bǔ)償設(shè)備，或者單獨(dú)的高壓變頻器只 能作為電能質(zhì)量優(yōu)化和電機(jī)調(diào)速設(shè)備，還沒有出現(xiàn)能將高壓變頻技術(shù)和STATCOM技術(shù)集成 在一起，既可進(jìn)行實(shí)時(shí)功率補(bǔ)償又可同時(shí)對負(fù)載交流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速供電的變流裝置。
現(xiàn)有技術(shù)中有如下兩種方案
(1) 用類似級聯(lián)高壓變頻器的電路結(jié)構(gòu)作為STATCOM的調(diào)節(jié)部件，不接電機(jī)負(fù)載，不調(diào) 速，仍然采用電容儲能方式，僅實(shí)現(xiàn)STATCOM功能。現(xiàn)有方式只是采用了H橋單元變頻調(diào)速 器，仍然采用大電容儲能，該種電路拓?fù)鋬H儲能電容和級聯(lián)單元變頻調(diào)速器，無法實(shí)現(xiàn)電 機(jī)的調(diào)速，本質(zhì)上仍然是一種傳統(tǒng)的STATCOM電路。
(2) 用級聯(lián)高壓變頻器進(jìn)行高壓電機(jī)的變頻調(diào)速，輸入釆用不可控器件，無法實(shí)現(xiàn)能 量回饋和原邊電壓的控制，沒有STATCOM的功能，僅能實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明目的旨在提出一種具有STATCOM功能的高壓變頻裝 置及其控制方法和控制系統(tǒng)，釆用移相變壓器和交-直-交全控單元變頻調(diào)速器，負(fù)載端接電機(jī)調(diào)速，原邊接電網(wǎng)，進(jìn)行電網(wǎng)的無功補(bǔ)償；能將高壓變頻技術(shù)和無功補(bǔ)償共性技術(shù)、 設(shè)備共用，創(chuàng)造出節(jié)能效率更高、整體成本更低等單獨(dú)裝置無法比擬的優(yōu)勢。 為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案的是
一種具有STATCOM功能的高壓變頻裝置，其包括與電網(wǎng)三相交流電輸出端連接的變壓
器原邊，變壓器副邊的各個(gè)繞組分別接入級聯(lián)變頻器的各個(gè)單元變頻調(diào)速器，各個(gè)單元變
頻調(diào)速器輸出端一并接入交流電機(jī)負(fù)載，每套裝置有若干個(gè)這樣的單元變頻調(diào)速器，各單
元變頻調(diào)速器串聯(lián)后形成高壓輸出給負(fù)載電機(jī)。
上述的單個(gè)單元變頻調(diào)速器即指一個(gè)采用兩級變流器的變頻調(diào)速器，前級變流器采用
IGBT脈沖整流電路，后級變流器為H橋逆變電路，多個(gè)單元變頻調(diào)速器在逆變端串聯(lián)形成 一相，最后形成三相10kV交流輸出；其中同一相的所有單元變頻調(diào)速器共用一組變壓器副 邊繞組，同一組內(nèi)的各繞組之間移相，形成多脈波整流模式。
本發(fā)明提供的高壓變頻裝置中前級變流器兼有整流和STATCOM的功能，后級變流器作 為逆變輸出裝置和能量回饋時(shí)的反向整流器，從電機(jī)側(cè)提供直流電源給前級，從而代替了 現(xiàn)有STATCOM技術(shù)方案的儲能電容，達(dá)到了一套設(shè)備兩種功能的作用。前級變流器采用全 控型功率器件，不僅不需要交流側(cè)提供無功功率，而且還能在一定功率范圍內(nèi)輸出連續(xù)可 調(diào)的感性或容性無功功率，動態(tài)補(bǔ)償供電電網(wǎng)母線的無功功率，穩(wěn)定供電電網(wǎng)母線電壓； 且由于將負(fù)載在制動情況下的有功電能回饋至電網(wǎng)，進(jìn)一步提高節(jié)能效果，具有節(jié)能效率 高、整體成本低等特點(diǎn)，有利于節(jié)能技術(shù)的推廣。
相應(yīng)的，本發(fā)明還提出了一種基于上述高壓變頻裝置的控制方法，在高壓變頻裝置進(jìn) 行變頻調(diào)速時(shí)，前級變流器作為全控整流器，采用滯環(huán)電流法，控制母線直流電壓和輸入 的電壓電流，通過電流滯環(huán)比較得到IGBT器件的控制脈沖，系統(tǒng)逆變部分采用P麗控制， 形成幅值、頻率可調(diào)的輸出電壓、電流；在進(jìn)行功率補(bǔ)償時(shí)，通過無功計(jì)算，從電機(jī)側(cè)將 電能回饋，經(jīng)過一個(gè)反的交直交變流器，控制電網(wǎng)原邊電壓輸入值，達(dá)到功率補(bǔ)償?shù)哪康摹?br> 本發(fā)明還基于DSP與CPLD硬件控制平臺，提出了一種實(shí)現(xiàn)上述控制方法的控制系統(tǒng)， 包括主控制器、與其雙向連接的上位微機(jī)和脈沖分配單元，主控制器包括信號處理單元、 與信號處理單元連接的信號采集單元和中央控制器，其中主控制器通過其內(nèi)部的信號釆集 單元與脈沖分配單元連接，脈沖分配單元通過光電耦合器接入主電路中的門極驅(qū)動電路。
4上述主控制器接收上位微機(jī)給定或預(yù)先設(shè)定的頻率、電壓等給定信號，計(jì)算出功率開 關(guān)器件開通/截止角度(時(shí)刻)，脈沖分配單元作為主控制器與主電路的接口，脈沖分配單 元接收主控制器控制信號，解碼后，經(jīng)光電耦合器(光纖)輸出給門極驅(qū)動電路，控制主回 路開關(guān)元件的開通和截止，獲得所需要的電壓。其中釆用光電耦合器傳遞觸發(fā)命令信號實(shí) 現(xiàn)控制系統(tǒng)與功率模塊的隔離，提高了系統(tǒng)安全以及抗干擾能力。另一方面，脈沖分配單 元也接收到門極驅(qū)動電路反饋的功率器件故障信息，封鎖整個(gè)單元的驅(qū)動信號，并將故障 信息編碼后送給主控制器。
主控制器的中央控制器釆用DSP2812，門極驅(qū)動電路執(zhí)行主控制器給出的控制信號， 控制IGBT的開通和關(guān)斷，并將狀態(tài)信號、短路保護(hù)信號反饋給主控制器。主控制器通過光 電耦合器接收門極驅(qū)動單元的反饋信號，通過網(wǎng)絡(luò)通訊線接收中心計(jì)算機(jī)的控制命令，完 成控制指令的操作。
系統(tǒng)進(jìn)行功率補(bǔ)償時(shí)，主控制器內(nèi)的中央控制器進(jìn)行無功計(jì)算，完成此時(shí)的輸出電壓 控制功能，而后調(diào)制單元的前級變流器IGBT器件的控制脈沖，由CPLD進(jìn)行分配，通過光纖 傳遞，完成開關(guān)控制，達(dá)到有效調(diào)節(jié)功率因數(shù)的目的。
本發(fā)明通過級聯(lián)高壓變頻器四象限動態(tài)的整流-逆變過程形成動態(tài)電源，通過對原邊 電能進(jìn)行全控整流-逆變輸出可控的電能供給高壓電機(jī)使用，也可以實(shí)現(xiàn)逆過程的電能轉(zhuǎn) 換，即原整流部分(前級變流器)成為逆變器，逆變部分(后級變流器)成為整流器，將 電能反送回至原邊電網(wǎng)，可以通過對前級變流器的控制達(dá)到原邊無功補(bǔ)償?shù)哪康?。對非線 性負(fù)載(異步電機(jī))進(jìn)行調(diào)速的同時(shí)，動態(tài)反饋電能，以四象限整流器反饋電能的方式達(dá) 到無功補(bǔ)償?shù)哪康摹?br> 本系統(tǒng)將高壓變頻和無功補(bǔ)償技術(shù)中最先進(jìn)的技術(shù)進(jìn)行了創(chuàng)新性的、有效的集成。變 流器采用全控型功率器件，可以將后級變流器在制動情況下的電能回饋至電網(wǎng)，進(jìn)一步提 高節(jié)能效果。
綜上所述，本發(fā)明在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，用帶STATCOM功能的能量回饋型高壓變頻器在進(jìn)行 交流電機(jī)調(diào)速與控制的同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了STATCOM所具備的實(shí)時(shí)無功補(bǔ)償功能，能夠補(bǔ)償系 統(tǒng)非線性負(fù)載的沖擊無功和穩(wěn)定電網(wǎng)電壓；其節(jié)能效果超過了高壓變頻器和無功補(bǔ)償節(jié)能效果之和，綜合節(jié)能指標(biāo)能達(dá)45%以上。且由于兩種裝置集成到一起，整個(gè)裝置材料總成
本節(jié)約達(dá)25%以上，大大降低了材料成本。


圖1是現(xiàn)有的變頻器做STATC0M的方案示意圖； 圖2是本發(fā)明所述變頻裝置的系統(tǒng)框圖； 圖3是圖2中單元變頻調(diào)速器的電路拓?fù)鋱D； 圖4是本發(fā)明控制方法中功率補(bǔ)償時(shí)前級變流器控制方法； 圖5是圖4所述方法中直流電壓外環(huán)控制方法； 圖6是圖4所述方法中電流內(nèi)環(huán)控制方法； 圖7是本發(fā)明所述控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施例方式
如圖2所示，首先，電網(wǎng)輸出的三相交流電進(jìn)入級聯(lián)高壓變頻器的輸入移相整流變壓 器原邊，通過變壓器副邊的各個(gè)繞組給級聯(lián)高壓變頻器的各個(gè)單元供電，單元輸出可調(diào)的 電壓電流，疊加后給交流電機(jī)負(fù)載供電。并可通過電機(jī)-變頻器-變壓器回路的能量回饋實(shí) 現(xiàn)對原邊電壓與功率的控制，達(dá)到動態(tài)功補(bǔ)無償?shù)哪康摹?br> 如圖3所示，Sal,Sbl，Scl Sal' ， Sbl' , Scl'為前級變流器全控電子開關(guān)器件， Sul，Svl，Sul' ，Svl，為后級變流器。全控電子開關(guān)器件，Ll為輸入電扛器，Rl為中間直 流電阻，Cl為支撐電容，在三相電源輸入側(cè)設(shè)置了輸入LC濾波器。
其中上述每個(gè)單元變頻調(diào)速器采用兩級變流器的方案，前級變流器采用IGBT脈沖整流 電路，后級變流器為H橋逆變電路。前級變流器兼顧了PWM整流器和靜止同步補(bǔ)償器 (STATCOM)的功能，后級變流器為高壓變頻裝置。如圖3，前級變流器為一個(gè)三相全控 整流橋，將電源交流電整流為直流電，而后通過后級變流器達(dá)到可控逆變輸出的目的，再 同時(shí)對單元輸出進(jìn)行疊加后輸出到異步電機(jī)的定子側(cè)，通過對前級變流器的控制同時(shí)可以 進(jìn)行原邊的功率補(bǔ)償，這樣的系統(tǒng)可以達(dá)到在實(shí)時(shí)控制異步電機(jī)的同時(shí)，也能夠進(jìn)行原邊 功率補(bǔ)償?shù)哪康摹?br> 其中單元電路的變流器部分"反向"，即從電機(jī)側(cè)將電能回饋，經(jīng)過一個(gè)反的交直交 變流器，控制電網(wǎng)原邊電壓輸入值，達(dá)到功率補(bǔ)償?shù)哪康摹？刂瓶驁D如圖4:其中VS、 is為電源端電壓和電流；ic為補(bǔ)償器輸出電流，"是負(fù)載 電壓與電流的相角差；《是直流母線參考電壓，4為直流母線實(shí)際電壓，《是直流母線參 考電壓；《無功電流；Vc為補(bǔ)償輸出電壓。
在系統(tǒng)進(jìn)行功率補(bǔ)償?shù)臅r(shí)候，通過無功計(jì)算2^^^sin"。
如圖5控制策略所示，在系統(tǒng)輸出和直流端裝有電壓傳感器、電流傳感器，將采集的 電壓、電流信號送控制系統(tǒng)，通過控制系統(tǒng)處理與控制，達(dá)到穩(wěn)壓、恒流的目的。
系統(tǒng)進(jìn)行變頻調(diào)速時(shí)，前級變流器作為全控整流器，采用滯環(huán)電流法控制，該控制 方法采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制。電壓外環(huán)是控制三相VSC直流側(cè)電壓；而電流 內(nèi)環(huán)的作用是按照電壓外環(huán)輸出的電流參考值進(jìn)行變流器輸入電流控制。
對于三相交流對稱系統(tǒng)，假定只考慮交流基波分量，則穩(wěn)態(tài)^/《0模型中的^分量均為 直流變量。通過選取同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸初始參考軸方向與電網(wǎng)電動勢矢量重合，即變 流器的交流系統(tǒng)A相相電壓初始相位角為O度，貝ljd軸電流表示電流的有功分量，q軸電流表 示電流的無功分量，分別控制^和^就可以達(dá)到控制穩(wěn)態(tài)有功和無功功率的目的。在系統(tǒng) 作為融冰直流電源應(yīng)用時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行在單位功率因數(shù)狀態(tài)，或者說交流側(cè)輸出無功功率為 0，因此只需設(shè)計(jì)有功功率控制，由于采用恒流斬波輸出，變流器單元采用直流電壓控制
器o
直流電壓外環(huán)控制方法如圖5所示，圖中"血、"二、 A"^、 4分別為直流電壓實(shí)際值、 直流電壓給定值、直流電壓誤差值和直流電流給定值。直流電壓"*與直流電壓參考值"的 偏差量A"*經(jīng)過PI環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換為交流電流有功分量G的修正量^ ，通過功率前饋環(huán)節(jié)提供^ 的預(yù)估量"，兩者之和構(gòu)成了變流器有功輸入電流的有功分量的給定參考值《，從而去控 制變流器的直流電壓。若變流器的控制量《僅為穩(wěn)態(tài)預(yù)估值"，則變流器電壓開環(huán)運(yùn)行， 此時(shí)直流電壓不再維持恒定而是隨著有功負(fù)荷無功負(fù)荷的變化而波動。
電流內(nèi)環(huán)控制方法如圖6所示，將電流'《^分別與給定值《、"=())進(jìn)行比較并進(jìn)行 PI控制之后，利用前饋解耦算法，得到變流器調(diào)制電壓的^分量。通過"^以及鎖相環(huán)所 得到的相位信號，就可以進(jìn)行三相SPWM調(diào)制或SVPWM調(diào)制，得到變流器的IGBT元件的 觸發(fā)脈沖信號。
7如圖6所示，控制母線直流電壓和輸入的電壓電流，通過電流滯環(huán)比較得到IGBT器件 的控制脈沖，系統(tǒng)逆變部分采用PWM控制，可以形成幅值、頻率可調(diào)的輸出電壓、電流。
如圖7所示，主控制器接收上位微機(jī)給定或預(yù)先設(shè)定的頻率、電壓等給定信號，通過 信號采集單元和處理單元得到處理后的數(shù)據(jù)，計(jì)算出功率開關(guān)器件開通/截止角度(時(shí)刻)， 例如可運(yùn)用成熟的SVPWM (空間矢量調(diào)制)方法，通過對矢量角和幅值的控制來達(dá)到控 制輸出脈沖的目的。
脈沖分配單元由數(shù)字化邏輯電路組成，通過對硬件的編程完成開關(guān)信號的編碼，傳輸， 解碼，完成主控制器與各功率單元間的通訊。作為主控制器與主電路的接口，脈沖分配單 元接收主控制器控制信號，經(jīng)光電耦合器(光纖)輸出給門極驅(qū)動電路，控制主回路開關(guān)元 件的開通和截止，獲得所需要的電壓。另一方面，脈沖分配單元也接收到來門極驅(qū)動電路 反饋的功率器件故障信息，封鎖整個(gè)單元的驅(qū)動信號，并將故障信息編碼后送給主控制器。
主控制器內(nèi)部的中央控制器采用DSP2812與CPLD的數(shù)字硬件平臺，門極驅(qū)動單元執(zhí)行 主控制器給出的控制信號，控制IGBT的開通和關(guān)斷，并將狀態(tài)信號、短路保護(hù)信號反饋給 主控制器。主控制器通過光纖接收門極驅(qū)動單元的反饋信號，通過網(wǎng)絡(luò)通訊線接收中心計(jì) 算機(jī)的控制命令，完成控制指令的操作。
系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，可針對系統(tǒng)在變頻調(diào)速和功率補(bǔ)償?shù)男枰萘?，進(jìn)行了優(yōu)先級設(shè)計(jì)， 在不影響系統(tǒng)輸出的情況下，通過上微機(jī)協(xié)調(diào)控制。
權(quán)利要求
1、一種具有STATCOM功能的高壓變頻裝置，其特征是包括與電網(wǎng)三相交流電輸出端連接的變壓器原邊，變壓器副邊的各個(gè)繞組分別接入級聯(lián)變頻器的各個(gè)單元變頻調(diào)速器，各個(gè)單元變頻調(diào)速器輸出端一并接入交流電機(jī)負(fù)載；其中所述單元變頻調(diào)速器為一個(gè)采用兩級變流器的變頻調(diào)速器，前級變流器采用IGBT脈沖整流電路，后級變流器為H橋逆變電路，多個(gè)單元變頻調(diào)速器在逆變端串聯(lián)形成一相，最后形成三相10kV交流輸出；其中同一相的所有單元變頻調(diào)速器共用一組變壓器副邊繞組，同一組內(nèi)的各繞組之間移相，形成多脈波整流模式。
2、 一種基于權(quán)利要求l所述高壓變頻裝置的控制方法，其特征是，在高壓變頻裝置進(jìn) 行變頻調(diào)速時(shí)，前級變流器作為全控整流器，采用滯環(huán)電流法，控制母線直流電壓和輸入 的電壓電流，通過電流滯環(huán)比較得到IGBT器件的控制脈沖，系統(tǒng)逆變部分采用P麗控制， 形成幅值、頻率可調(diào)的輸出電壓、電流；在進(jìn)行功率補(bǔ)償時(shí)，通過無功計(jì)算，從電機(jī)側(cè)將 電能回饋，經(jīng)過一個(gè)反的交直交變流器，控制電網(wǎng)原邊電壓輸入值，達(dá)到功率補(bǔ)償?shù)哪康摹?br> 3、 一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求2所述控制方法的控制系統(tǒng)，其特征是包括主控制器、與其雙向連 接的上位微機(jī)和脈沖分配單元，主控制器包括信號處理單元、與信號處理單元連接的信號 采集單元和中央控制器，其中主控制器通過其內(nèi)部的信號采集單元與脈沖分配單元連接， 脈沖分配單元通過光電耦合器接入主電路中的門極驅(qū)動電路。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述實(shí)現(xiàn)高壓變頻裝置的控制方法的控制系統(tǒng)，其特征是，所述主控 制器的中央控制器采用DSP2812 。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有STATCOM功能的高壓變頻裝置、高壓變頻裝置的控制方法及其控制系統(tǒng)，用帶STATCOM功能的能量回饋型高壓變頻器在進(jìn)行交流電機(jī)調(diào)速與控制的同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了STATCOM所具備的實(shí)時(shí)無功補(bǔ)償功能，能夠補(bǔ)償系統(tǒng)非線性負(fù)載的沖擊無功和穩(wěn)定電網(wǎng)電壓；其節(jié)能效果超過了高壓變頻器和無功補(bǔ)償節(jié)能效果之和，綜合節(jié)能指標(biāo)能達(dá)45％以上。且由于兩種裝置集成到一起，整個(gè)裝置材料總成本節(jié)約達(dá)25％以上，大大降低了材料成本。
文檔編號H02J3/18GK101499728SQ200810143438
公開日2009年8月5日 申請日期2008年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月29日
發(fā)明者周細(xì)文, 敬華彬, 軍 李, 王衛(wèi)安, 王小方, 袁光君, 黃燕艷 申請人:株洲變流技術(shù)國家工程研究中心有限公司