鏈?zhǔn)絼討B(tài)電能治理裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鏈?zhǔn)絼討B(tài)電能治理裝置，包括PF濾波回路、三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器、換流電抗器和控制系統(tǒng)；所述PF濾波回路由電抗器和高通濾波器組成；所述三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器交流側(cè)接換流電抗器，并與所述高通濾波器并聯(lián)后經(jīng)所述電抗器并入電網(wǎng)；所述控制系統(tǒng)將采集運(yùn)算得到的指令信號與所述三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器的反饋信號比較后生成PWM信號，進(jìn)而控制三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器工作。有益效果是：可直接輸出階梯波，無需多脈沖調(diào)制即可實(shí)現(xiàn)接近于正弦波的電壓輸出，因此降低了器件的開關(guān)損耗；采用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，無需安裝變壓器，降低了裝置的損耗和造價；易于實(shí)現(xiàn)模塊化生產(chǎn)，并有利于實(shí)現(xiàn)不同容量裝置的組合。
【專利說明】鏈?zhǔn)絼討B(tài)電能治理裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電力設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及鏈?zhǔn)絼討B(tài)電能治理裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電力用戶對電能質(zhì)量要求也在不斷的提高。對于鋼鐵、化工、冶金、鐵路及機(jī)械制造等現(xiàn)代企業(yè)來說，廣泛使用的先進(jìn)技術(shù)使得供電系統(tǒng)故障或電能質(zhì)量惡化可能會帶來毀滅性的影響。電壓波動、閃變、三相不平衡等日趨嚴(yán)重，這些對電網(wǎng)的不利影響不僅會導(dǎo)致供用電設(shè)備本身的安全性降低，而且會嚴(yán)重削弱和干擾電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。由于供電系統(tǒng)中增加了大量的非線性負(fù)載，會引起電網(wǎng)電流、電壓波形發(fā)生畸變，造成電網(wǎng)的“污染”。
[0003]在電力系統(tǒng)中往往設(shè)置有無功補(bǔ)償裝置來保證負(fù)載的安全，無功補(bǔ)償裝置從最早的并聯(lián)電容器發(fā)展到今天，經(jīng)歷了電容器、同步調(diào)相機(jī)、靜止無功補(bǔ)償裝置(SVC)到今天最新的技術(shù)SVG等幾個不同的時期。
[0004]并聯(lián)電容器結(jié)構(gòu)比較簡單，安裝和維護(hù)方便，但它只能補(bǔ)償感性無功，不能補(bǔ)償容性無功，并且因?yàn)樗淖杩怪凳且欢ǖ?，所以不能?shí)現(xiàn)對無功功率動態(tài)補(bǔ)償。另外，電容器負(fù)電壓效應(yīng)，如果其電壓下降，補(bǔ)償電流也會下降，系統(tǒng)電壓和補(bǔ)償無功量就會隨之迅速下降，在系統(tǒng)存在諧波的情況下，就可能會發(fā)生并聯(lián)諧振，從而放大諧波電流，甚至燒毀電容器。
[0005]同步調(diào)相機(jī)(Synchronous Condenser-SC)是早期動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的典型代表。它是一種同步電機(jī)，在不同的條件下，既可以產(chǎn)生容性無功功率又可以產(chǎn)生感性無功功率，因此，它對固定的和變化的無功功率都能補(bǔ)償，即可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)補(bǔ)償。在剛開始的幾十年中，它是無功補(bǔ)償領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。但由于旋轉(zhuǎn)電機(jī)噪聲比較大、損耗高、控制和維護(hù)復(fù)雜、響應(yīng)速度慢等缺點(diǎn)，同步調(diào)相機(jī)已經(jīng)無法適應(yīng)無功功率補(bǔ)償?shù)目刂埔蟆?br> [0006]上世紀(jì)70年代以來，靜止無功補(bǔ)償裝置(Static Var Compensator-SVC)成為無功補(bǔ)償領(lǐng)域的新寵，逐漸替代同步調(diào)相機(jī)。早期的靜止無功補(bǔ)償裝置是飽和電抗器(Saturated Reactor-SR)型的。1967年，世界首批飽和電抗器在英國的GEC公司誕生。跟同步調(diào)相機(jī)相比，優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快，缺點(diǎn)是噪聲和損耗比較大。另外，飽和電抗器不能補(bǔ)償負(fù)載的三相不平衡，加上存在非線性電路的一些問題，所以注定不能成為靜止無功補(bǔ)償領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，晶閘管開始用于靜止無功補(bǔ)償裝置。1977年，第一臺晶閘管靜止無功補(bǔ)償裝置在美國GE公司運(yùn)行成功。1978年，西屋電氣公司(West-house Electric Corp)在美國國家電力研究院(Electric Power ResearchInstitute)的支持下，投入運(yùn)行了自己生產(chǎn)的晶閘管靜止無功補(bǔ)償裝置。隨后，各種類似產(chǎn)品層出不窮。有了近20年的發(fā)展，SVC已在靜止無功補(bǔ)償領(lǐng)域占據(jù)了主導(dǎo)地位。主要類別有以下幾種:晶閘管投切電容器(Thyristor Switched Capacitor_TSC)、晶閘管控制電抗器(Thyristor Controlled Reactor-TCR)、TCR+TSC、TCR+FC(Fixed Capacitor-FC) >TCR+MSC(Mechanically Swiched Capacitor-MSC)等。SVC最大的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快、可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)補(bǔ)償，因此在電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償領(lǐng)域得以迅速的發(fā)展。SVC的缺點(diǎn)是諧波含量高，需要大容量的電感和電容等儲能元件，其連續(xù)可調(diào)也有前提條件是在感性工況下。
[0007]隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，八十年代以來，一種更先進(jìn)的靜止型無功補(bǔ)償裝置出現(xiàn)了，這就是采用自換相變流電路的靜止無功補(bǔ)償裝置，即靜止無功補(bǔ)償器(Static Compensator-STATCOM),也稱為高級靜止無功補(bǔ)償器(Advanced Static VarCompensator-ASVC),或者稱為靜止無功發(fā)生器(Static Var Generator-SVG) ? 與 SVC 相t匕，SVG減小了體積、節(jié)省了材料，并具有響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)性能好、能綜合補(bǔ)償三相不平衡和諧波的特點(diǎn)，成為無功補(bǔ)償?shù)闹匾l(fā)展方向。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題，在于提供一種鏈?zhǔn)絼討B(tài)電能治理裝置，以改善配電網(wǎng)電能質(zhì)量問題，包括電壓波動、閃變，三相不平衡，諧波和功率因數(shù)等問題。
[0009]本發(fā)明所解決的技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
[0010]鏈?zhǔn)絼討B(tài)電能治理裝置，包括PF濾波回路、三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器、換流電抗器和控制系統(tǒng)；所述PF濾波回路由電抗器和高通濾波器組成；所述三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器交流側(cè)接換流電抗器，并與所述高通濾波器并聯(lián)后經(jīng)所述電抗器并入電網(wǎng)；所述控制系統(tǒng)將采集運(yùn)算得到的指令信號與所述三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器的反饋信號比較后生成PWM信號，進(jìn)而控制三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器工作。
[0011]作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器由3個橋臂連接組成。
[0012]作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述橋臂通過Y型或Λ型連接。
[0013]作為優(yōu)選的技術(shù)方案，每個所述橋臂由多個逆變單元直接串聯(lián)構(gòu)成。
[0014]作為優(yōu)選的技術(shù)方案，每個所述逆變單元由4個具有反并聯(lián)二極管的IGBT開關(guān)器件通過H橋連接后，再與直流電容并聯(lián)組成。
[0015]作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的PF濾波回路的濾波次數(shù)由所述高通濾波器的截止頻率所決定，可以設(shè)計(jì)濾除3次以上諧波。
[0016]作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的控制系統(tǒng)是由檢測與運(yùn)算電路、電流跟蹤控制電路、PWM信號發(fā)生電路和直流側(cè)電壓控制電路組成。
[0017]本發(fā)明具有的有益效果是:(I)可直接輸出階梯波，無需多脈沖調(diào)制即可實(shí)現(xiàn)接近于正弦波的電壓輸出，因此降低了器件的開關(guān)損耗；
[0018](2)采用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，無需安裝變壓器，降低了裝置的損耗和造價；
[0019](3)易于實(shí)現(xiàn)模塊化生產(chǎn)，并有利于實(shí)現(xiàn)不同容量裝置的組合；
[0020](4)可以同時進(jìn)行無功及諧波補(bǔ)償，PF濾波回路能夠?yàn)V除其調(diào)諧頻次附近的諧波，對于諧振頻率附近的諧波電流呈低阻抗，對于基波相當(dāng)于一個大電容，承擔(dān)了大部分的基波電壓；
[0021](5)三相H橋級聯(lián)多電平逆變器所承受的基波電壓較小，能夠適當(dāng)改善PF濾波器的濾波特性，克服了 PF濾波器易受電網(wǎng)特性的影響、易于電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧波等缺點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明:鏈?zhǔn)絼討B(tài)電能治理裝置結(jié)構(gòu)圖；
[0023]圖2為本發(fā)明:鏈?zhǔn)絼討B(tài)電能治理裝置電路圖；
[0024]圖3為本發(fā)明:鏈?zhǔn)絼討B(tài)電能治理裝置的逆變單元的結(jié)構(gòu)圖；
[0025]其中:1-PF濾波回路、2-三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器、3-換流電抗器、4-控制系統(tǒng)、11-電抗器、12-高通濾波器、41-檢測與運(yùn)算電路、42-電流跟蹤控制電路、43-PWM信號發(fā)生電路、44-直流側(cè)電壓控制電路、5-電網(wǎng)、21-橋臂、22-逆變單元、23-1GBT開關(guān)器件、24-直流電容。

【具體實(shí)施方式】
[0026]為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
[0027]如圖1-2所示，鏈?zhǔn)絼討B(tài)電能治理裝置由PF濾波回路1、三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器2、換流電抗器3和控制系統(tǒng)4組成；PF濾波回路I由電抗器11和高通濾波器12組成；控制系統(tǒng)4是由檢測與運(yùn)算電路41、電流跟蹤控制電路42、PWM信號發(fā)生電路43和直流側(cè)電壓控制電路44組成；三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器2交流側(cè)接換流電抗器3，并與高通濾波器12并聯(lián)后經(jīng)電抗器11并入電網(wǎng)5。
[0028]本發(fā)明的工作過程可表示為:首先通過電壓、電流互感器檢測到電網(wǎng)中的瞬時電壓、電流信號并送入運(yùn)算電路計(jì)算出系統(tǒng)的無功電流，電流跟蹤控制電路將得到的無功電流指令信號與逆變器產(chǎn)生的反饋信號比較后得到電流誤差信號，其次將電流誤差信號與直流側(cè)電壓反饋信號一起作為PWM信號發(fā)生電路的輸入信號，產(chǎn)生PWM脈沖以控制三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器正常工作，三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器通過換流電抗器發(fā)出或吸收相應(yīng)的無功功率用于補(bǔ)償負(fù)載所需無功，最后與高通濾波器并聯(lián)后經(jīng)電抗器并入電網(wǎng)。
[0029]三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器通過換流電抗器可以發(fā)出感性或吸收容性無功功率，有效補(bǔ)償系統(tǒng)中的無功含量，提高功率因數(shù)；由高通濾波器和電抗器組成PF濾波回路，能夠?yàn)V出調(diào)諧頻次附近的諧波，濾波任務(wù)主要由無源濾波器承擔(dān)，三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器起拾遺補(bǔ)缺、改善濾波效果的任務(wù)，并可抑制電網(wǎng)與濾波器之間的諧振。
[0030]參照圖3所示，三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器2由3個橋臂21通過Y型或Λ型連接組成，每個橋臂21由多個逆變單元22直接串聯(lián)構(gòu)成，每個逆變單元22由4個具有反并聯(lián)二極管的IGBT開關(guān)器件23通過H橋連接后，再與直流電容24并聯(lián)組成。每個逆變單元22具有獨(dú)立的電容，考慮到串聯(lián)功率單元電容器的均壓問題，設(shè)計(jì)中采用功率電阻和開關(guān)串聯(lián)的方式進(jìn)行放電，不但可以實(shí)現(xiàn)均壓，而且在輸入開關(guān)斷開后，可以給直流電容放電，避免人身傷害事故的發(fā)生。
[0031]本發(fā)明中三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器的連接方式和鏈節(jié)單元數(shù)目可以根據(jù)如下方式確定:
[0032](I)根據(jù)承受電壓的計(jì)算
[0033]以接入1kV電網(wǎng)等級的鏈?zhǔn)絼討B(tài)電能治理裝置為例，如果選用1700V的IGBT，則鏈節(jié)的額定直流電壓可以工作在1000V(考慮到安全裕量)。按照最大調(diào)制比為I計(jì)算，每個鏈節(jié)可以輸出的交流電壓有效值為
一 1000 ηηη'τ
[0034]=-j=- = 707Y(I)
[0035]當(dāng)選用Y型連接時，所需的最小級聯(lián)數(shù)目為:
[0036]Ny = 1JX1_0/A ?11(2)
Y707-
[0037]其中系數(shù)1.3為考慮到連接電抗上的電壓降落及過載能力時所乘系數(shù)。
[0038]當(dāng)選用Λ型連接時，所需的最小級聯(lián)數(shù)目為:
1.3x10000._,，、
[0039]Na =~~?19(3)
[0040](2)根據(jù)承受電流的計(jì)算
[0041]顯然對于同一電壓等級和容量，采用Y型結(jié)構(gòu)時換流鏈的額定電流需要按照Λ結(jié)構(gòu)額定電流的1.732倍設(shè)計(jì)。
[0042]根據(jù)以上的分析，對于額定電壓相對較高、額定電流較小的場合，選擇用Y型連接方式更具有經(jīng)濟(jì)性，因?yàn)檫@時需要較少的級聯(lián)數(shù)目和承受電流等級。
[0043]對于無變壓器的鏈?zhǔn)絊VG設(shè)計(jì)，實(shí)際上還存在一個最小經(jīng)濟(jì)容量，這是由可以獲得的開關(guān)器件(IGBT)的系列產(chǎn)品里最小的額定關(guān)斷電流決定的。例如如果選用英飛凌的1700V單管IGBT，可以獲得的最小額定電流是200Α。如果選用此管時，按100Α (考慮安全裕量)換流鏈額定參數(shù)設(shè)計(jì)，當(dāng)直接連接到1kV系統(tǒng)上時，采用Y型結(jié)構(gòu)時的最小經(jīng)濟(jì)容量為:
[0044],Sy - >/3 X 10000 X 100 = 1.73Μ var(4)
[0045]采用Λ型結(jié)構(gòu)時的最小經(jīng)濟(jì)容量為:
[0046]ΞΔ = 3X10000X100 = 3Mvar(5)
[0047]當(dāng)所需裝置的額定容量小于最小經(jīng)濟(jì)容量時，也沒有更小的開關(guān)器件可選，實(shí)際上開關(guān)器件成本并不能再進(jìn)一步降低。顯然采用Y型結(jié)構(gòu)時的最小經(jīng)濟(jì)容量小于Λ型結(jié)構(gòu)，在所需裝置容量較小時Y型結(jié)構(gòu)更具經(jīng)濟(jì)性。
[0048]當(dāng)裝置容量較大時，由于額定電流變大，甚至使單個IGBT器件的電流關(guān)斷能力不能滿足要求。此時降低換流鏈的額定電流更有利于降低裝置成本，此時Λ型結(jié)構(gòu)的鏈?zhǔn)絊VG更具經(jīng)濟(jì)性。
[0049]以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
【權(quán)利要求】
1.鏈?zhǔn)絼討B(tài)電能治理裝置，其特征在于，包括PF濾波回路、三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器、換流電抗器和控制系統(tǒng)；所述PF濾波回路由電抗器和高通濾波器組成；所述三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器交流側(cè)接換流電抗器，并與所述高通濾波器并聯(lián)后經(jīng)所述電抗器并入電網(wǎng)；所述控制系統(tǒng)將采集運(yùn)算得到的指令信號與所述三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器的反饋信號比較后生成PWM信號，進(jìn)而控制三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器工作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鏈?zhǔn)絼討B(tài)電能治理裝置，其特征在于，所述三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器由3個橋臂連接組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鏈?zhǔn)絼討B(tài)電能治理裝置，其特征在于，所述橋臂通過Y型或Λ型連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的鏈?zhǔn)絼討B(tài)電能治理裝置，其特征在于，每個所述橋臂由多個逆變單元直接串聯(lián)構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的鏈?zhǔn)絼討B(tài)電能治理裝置，其特征在于，每個所述逆變單元由4個具有反并聯(lián)二極管的IGBT開關(guān)器件通過H橋連接后，再與直流電容并聯(lián)組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鏈?zhǔn)絼討B(tài)電能治理裝置，其特征在于，所述的PF濾波回路的濾波次數(shù)由所述高通濾波器的截止頻率所決定，可以濾除3次以上諧波。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鏈?zhǔn)絼討B(tài)電能治理裝置，其特征在于，所述的控制系統(tǒng)是由檢測與運(yùn)算電路、電流跟蹤控制電路、PWM信號發(fā)生電路和直流側(cè)電壓控制電路組成。
【文檔編號】H02J3/18GK104201689SQ201410311797
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月2日
【發(fā)明者】陳國成, 成國福 申請人:上海雷諾爾電力自動化有限公司