專利名稱：一種大容量靜止無功發(fā)生裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電網(wǎng)無功功率補償技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種大容量靜止無功發(fā)生裝置。
(二)
背景技術(shù)：
隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，電力供應(yīng)和電力需求的供需矛盾日益突出。除依靠不斷提高 輸電電壓等級以外，還要提高輸電用電的效率以降低網(wǎng)絡(luò)損耗。由于在交流電網(wǎng)中存在大量 的阻感性負(fù)載如電動機、變壓器等，在這些設(shè)備運行過程中向電網(wǎng)注入大量無功功率，造成 輸配電網(wǎng)功率因數(shù)較差，線損增加。
為提高輸電網(wǎng)的效率，需要加裝無功補償裝置，當(dāng)前常用的的無功補償裝置有電容器組 投切式、MCR型SVC， TCR型SVC、 SVG以及有載調(diào)壓等幾種方式，用投切電容器組保證電網(wǎng)功率 因數(shù)和電壓的合格率是變電站普遍采用的方法，但傳統(tǒng)的電容器組只能實現(xiàn)無功的分級補償。 目前城鄉(xiāng)電網(wǎng)的改造及電纜出線的劇增，使得系統(tǒng)電壓、無功在負(fù)荷峰谷差距加大，單純依 靠電容器組投切補償?shù)姆绞揭央y以達到無功就地平衡的目標(biāo)。有載調(diào)壓的形式調(diào)節(jié)是有級、 有觸點的，無論是響應(yīng)速度、調(diào)節(jié)精度、使用壽命等方面性能都較差，MCR型SVC， TCR型SVC 存在體積大、噪音大、損耗大、響應(yīng)速度慢、對電網(wǎng)諧波污染大等缺點，比較好的技術(shù)是基 于電力電子技術(shù)的SVG (靜態(tài)無功發(fā)生器)，與傳統(tǒng)的SVC相比，SVG的調(diào)節(jié)速度更快，運行范 圍寬，裝置的體積小噪音低，是今后無功補償裝置的重要發(fā)展方向。
SVG的基本原理就是將電力電子變流器通過輸出電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，通過適當(dāng)調(diào)整變
流器的輸出電壓的幅值和相位就可以控制其交流輸出電流。參見附圖2和3，圖中f^是電網(wǎng) 電壓，t^為電力電子變流器的輸出電壓，L為二者間串聯(lián)的電感，當(dāng)我們控制電力電子變流 器的輸出電壓使得t^、 f^按照圖3所示向量圖運行時，則該變流器注入電網(wǎng)的電流超前于 電網(wǎng)電壓，調(diào)節(jié)^p的大小就可以調(diào)節(jié)注入電網(wǎng)電流的大小，從而達到動態(tài)調(diào)節(jié)電網(wǎng)無功功率 的目的。
由于技術(shù)難度較大，當(dāng)前的SVG產(chǎn)品還比較少， 一般采用的均是采用低壓開關(guān)器件(1200V 或1700V)用兩電平電路或三電平電路通過變壓器與高壓電網(wǎng)并聯(lián)，由于電網(wǎng)的補償容量要 求較大，單機的功率也比較大(一般均在幾kkVar以上)，由于變流器輸出電壓較低，造成變 流器的電流較大，產(chǎn)品穩(wěn)定性和可靠性以及技術(shù)難度等方面均存在一定問題。
本技術(shù)方案采用多個逆變單元通過輸出變壓器實現(xiàn)并聯(lián)，裝置容量的擴展可以通過增減
4逆變單元的數(shù)量的方式來實現(xiàn)，使得單個逆變單元的電壓和電流均可以較低，可以采用最常 用(也最穩(wěn)定可靠)的電力電子器件來實現(xiàn)，裝置可靠性高、成本大大降低。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目是提供一種新型的用于無功功率補償?shù)碾娏ψ儞Q裝置。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的它包括輸入變壓器(2)、整流濾波單元(3)、逆變單元組 (4)輸出變壓器(5)和檢測控制系統(tǒng)(6)，其特征是所述的輸入變壓器是一個三相輸入 三相輸出的工頻變壓器，其輸入與高壓電網(wǎng)相連，其輸出聯(lián)結(jié)整流濾波單元，整流濾波單元 輸出聯(lián)結(jié)逆變單元組，逆變單元組由3N (N^l)個逆變單元組成，每個逆變單元的輸出與輸 出變壓器的一組原邊聯(lián)結(jié)，輸出變壓器的副邊接成三角型或星型后與高壓電網(wǎng)聯(lián)結(jié)。 本發(fā)明還有這樣的一些結(jié)構(gòu)特征
1、 所述的整流濾波單元由六只整流二極管組成三相橋式整流電路，整流電路輸出接電容 濾波后成為裝置所有逆變單元共用的直流母線，該母線一方面為整臺裝置提供有功功率，同 時通過各逆變單元及其輸出電抗器及輸出變壓器與高壓電網(wǎng)間實現(xiàn)無功功率的交換，從而提 供電網(wǎng)所需的無功電流；
2、 所述的逆變單元組由3N (N》1)個逆變單元組成，每個逆變單元由四只開關(guān)器件組成 單相全橋逆變電路，每個逆變單元的輸出串聯(lián)一個電抗器后與輸出變壓器的一組原邊相連， 開關(guān)器件采用IGBT或IGCT全控型器件，每個開關(guān)器件并聯(lián)一只反向續(xù)流二極管。
3、 所述的輸出變壓器包含3N (N》1)組原邊(A11 C1N)，各組原邊間相互絕緣，N組 原邊構(gòu)成一相，每相的N個原邊對應(yīng)變壓器的一組副邊，三組副邊(A2、 B2、 C2)接成星型 或三角型后與高壓電網(wǎng)相連。
4、 所述的檢測控制系統(tǒng)由電網(wǎng)檢測單元(1)、指令電流生成單元(2)、逆變單元算法控 制單元組(3)、直流母線電壓檢測單元(4)組成，電網(wǎng)檢測電元與高壓電網(wǎng)直接相連，其后 依次連接指令電流生成單元(2)和逆變單元算法控制單元組(3)，逆變單元算法控制單元組
(3)由3N個逆變單元算法控制模塊(3 (1) 3 (3N))并聯(lián)組合而成，每個逆變單元算法 控制模塊的輸出連接主電路的一個逆變單元主電路，直流母線電壓檢測單元(4)的輸入與主 電路的整流濾波模塊的輸出相連，其輸出送入逆變單元算法控制單元組(3)。
5、 本發(fā)明還包含了一種大容量靜止無功發(fā)生裝置的控制方法，其控制方法包括以下幾個 步驟
1)無功功率給定值4^與電網(wǎng)檢測單元輸出的電網(wǎng)無功功率^相比較，比較結(jié)果送入指 令電流生成單元進行PID (比例積分微分)運算，運算結(jié)果成為各逆變單元輸出電流的給定
52) 逆變單元算法控制模塊中，逆變單元輸出電流的給定值/^與輸出電流實際檢測值^
相比較，并將比較結(jié)果A/送入電流調(diào)節(jié)器經(jīng)運算得到電壓增量值A(chǔ)tJ;
3) 逆變單元輸出電流的給定值^同時經(jīng)運算得到電感電壓值《([^=丄^^);
4) Afi、 C^以及輸出變壓器原邊電壓實際檢測值t^三者相加后得到逆變單元輸出電壓 的給定值^;
5) 《與直流母線電壓的檢測值[^一同送入P麗波形生成單元，經(jīng)SP麗運算后得到逆變
單元主電路各功率器件的控制信號送入逆變單元主電路，控制逆變單元的工作狀態(tài)。
本裝置的3N個單相全橋逆變單元，共分為三個小組，每小組N個，每個逆變單元通過輸 出電抗器與輸出變壓器的一組原邊相連，這種連接方式，可以達到幾方面的目的
1、 可以通過控制每個逆變單元電路的輸出電壓達到控制其輸出電流的目的，根據(jù)需要可 以控制其輸出電流超前或滯后于其所連接的變壓器原邊電壓，從而達到控制注入電網(wǎng)的無功
功率的目的，同時也可以控制逆變單元產(chǎn)生諧波電流通過輸出變壓器注入電網(wǎng)，從而達到濾 除電網(wǎng)諧波的目的；
2、 每小組內(nèi)的N個逆變單元通過其連接的輸出變壓器向電網(wǎng)的一相注入電流，而注入電 網(wǎng)的電流是由本小組內(nèi)的所有逆變單元共同分擔(dān)的，每個逆變單元只承擔(dān)了注入電網(wǎng)該相的 無功功率的1/N，當(dāng)電網(wǎng)所需無功較大時可以通過增加N的個數(shù)來實現(xiàn)，這樣可以采用常規(guī)
的電力電子開關(guān)器件滿足大容量的無功補償?shù)男枨螅?br> 3、 各逆變單元的輸出電流分別控制，各逆變單元的輸出功率的分配和控制非常方便，不 會產(chǎn)生常規(guī)的將逆變電路直接并聯(lián)或開關(guān)器件直接并聯(lián)所帶來的均流的問題；
4、 每個小組內(nèi)的逆變單元均為單相逆變，電網(wǎng)的三相無功功率可以分別控制，可以有效 緩解電網(wǎng)三相不平衡的問題；
5、 由于輸出變壓器的存在，當(dāng)電網(wǎng)電壓較高時可以適當(dāng)調(diào)整變壓器的變比，保證每個逆 變單元的輸出電壓幅值較低，逆變單元的功率器件只需采用常規(guī)的1200V或1700V耐壓等級， 裝置成本低，可靠性高。


圖1是本發(fā)明所述的大容量靜止無功發(fā)生裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖。 圖2是本發(fā)明所述的無功發(fā)生裝置與電網(wǎng)的等效連接圖。
圖3是本發(fā)明所述的無功發(fā)生裝置向電網(wǎng)注入超前(容性)電流時其輸出的相電壓相電
6流與電網(wǎng)電壓的相量圖。
圖4是本發(fā)明所述的檢測控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖。 圖5是本發(fā)明所述的控制方法的原理框圖。
圖6是本發(fā)明所述的控制方法中每個逆變單元算法控制模塊的控制原理框圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合圖l、 4、 5、 6和對本發(fā)明的具體實施作詳細(xì)的描述
結(jié)合圖1，本發(fā)明的主電路結(jié)構(gòu)包括輸入變壓器(2)、整流濾波單元(3)、逆變單元
組(4)輸出變壓器(5)和檢測控制系統(tǒng)(6)，輸入變壓器將電網(wǎng)高壓交流電變成適合裝置 使用的低壓交流電，再經(jīng)過整流濾波單元變換成直流電構(gòu)成與各逆變單元連接的直流母線。
整流濾波單元由六只整流二極管組成三相橋式整流電路，整流電路輸出接電容濾波后成 為裝置所有逆變單元共用的直流母線。
各逆變單元的結(jié)構(gòu)相同，均由4只全控型開關(guān)器件組成，以其中一個為例，SA11和SA12 串聯(lián)后并聯(lián)到公用的直流母線，其串聯(lián)的中間抽頭作為該逆變單元的一個輸出直接與輸出變 壓器原邊繞組All的一端相連，SA13和SA14串聯(lián)后并聯(lián)到公用的直流母線，其串聯(lián)的中間 抽頭作為該逆變單元的另一個輸出，串聯(lián)輸出電抗器LA1后與輸出變壓器原邊繞組All的另 一端相連。
采用相同的連接方式，由SAN1、 SAN2、 SAN3、 SAN4構(gòu)成的逆變單元的輸出經(jīng)過輸出電抗 器LAN與輸出變壓器原邊繞組A1N相連，A11 A1N這N組原邊及其所對應(yīng)的逆變單元構(gòu)成裝 置的A相變換電路，這N組的輸出經(jīng)變壓器耦合到副邊繞組A2，同樣其它兩個N組逆變單元 的輸出經(jīng)變壓器分別耦合到副邊繞組B2和C2,這三組副邊星型連接后直接與高壓電網(wǎng)相連。
圖1中的輸出變壓器副邊是采用星型連接，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，輸出變壓器的三組副邊 繞組也可以采用三角型連接。
結(jié)合圖4，裝置的檢測控制系統(tǒng)由電網(wǎng)檢測單元(1)、指令電流生成單元(2)、逆變單 元算法控制單元組(3)、直流母線電壓檢測單元(4)組成。
電網(wǎng)檢測電元與高壓電網(wǎng)直接相連，檢測結(jié)果經(jīng)指令電流生成單元運算后得到各逆變單 元的輸出電流給定值，該給定值分別送入逆變單元算法控制單元組的各個逆變單元算法控制 模塊，各個逆變單元算法控制模塊同時接收直流母線電壓檢測單元輸出的直流母線電壓值， 各個逆變單元算法控制模塊的運算結(jié)果產(chǎn)生各逆變單元的4個開關(guān)器件的控制信號，輸入到 各逆變單元主電路。
直流母線電壓檢測單元(4)的輸入與主電路的整流濾波模塊的輸出相連。結(jié)合圖5，本發(fā)明的控制方法通過如下方式實現(xiàn)
無功功率給定值^^與電網(wǎng)單元輸出的電網(wǎng)無功功率^相比較，比較結(jié)果送入指令電流生
成單元進行PID (比例積分微分)運算，運算結(jié)果成為各逆變單元輸出電流的給定值/^，經(jīng)
各逆變單元算法控制模塊控制運算后產(chǎn)生各逆變單元的4個開關(guān)器件的PWM控制信號，輸入 到各逆變單元主電路，各逆變單元在該信號控制下工作，通過輸出變壓器向電網(wǎng)注入需要的 無功電流，構(gòu)成了一個電網(wǎng)無功功率控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)。
結(jié)合圖6，本發(fā)明中所述各逆變單元算法控制模塊的控制運算通過如下方式實現(xiàn)-
1) 逆變單元輸出電流的給定值/^與輸出電流實際檢測值^相比較，構(gòu)成每個逆變單元
輸出電流控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)，該比較結(jié)果A/送入電流調(diào)節(jié)器經(jīng)運算得到電壓增量值A(chǔ)^;
2) 逆變單元輸出電流的給定值/^同時經(jīng)運算得到電感電壓值C^ (^^=丄5/^);
3) C^以及輸出變壓器原邊電壓實際檢測值f^三者相加后得到逆變單元輸出電壓 的給定值^;
4) 《與直流母線電壓的檢測值f^一同送入P麗波形生成單元，經(jīng)SP麗運算后得到逆變
單元主電路各功率器件的P麗控制信號送入逆變單元主電路，控制逆變單元的工作狀態(tài)。
整個裝置的控制方法采用無功功率外環(huán)控制、逆變單元輸出電流內(nèi)環(huán)控制的多閉環(huán)串級 控制方式，保證系統(tǒng)的控制精度與響應(yīng)速度。
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權(quán)利要求
1、一種大容量靜止無功發(fā)生裝置，它包括輸入變壓器(2)、整流濾波單元(3)、逆變單元組(4)、輸出變壓器(5)和檢測控制系統(tǒng)(6)，其特征是所述的輸入變壓器是一個三相輸入三相輸出的工頻變壓器，其輸入與高壓電網(wǎng)相連，其輸出聯(lián)結(jié)整流濾波單元，整流濾波單元輸出聯(lián)結(jié)逆變單元組，逆變單元組由3N(N≥1)個逆變單元組成，每個逆變單元的輸出與輸出變壓器的一組原邊聯(lián)結(jié)，輸出變壓器的副邊接成三角型或星型后與高壓電網(wǎng)聯(lián)結(jié)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大容量靜止無功發(fā)生裝置，其特征在于所述的逆變單元組 由3N (N^l)個逆變單元組成，每個逆變單元由四只開關(guān)器件組成單相全橋逆變電路， 每個逆變單元的輸出串聯(lián)一個電抗器后與輸出變壓器的一組原邊相連，開關(guān)器件采用IGBT或IGCT全控型器件，每個開關(guān)器件并聯(lián)一只反向續(xù)流二極管。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種 大容量靜止無功發(fā)生裝置，其特征在于所述的輸出變壓 器包含3N (N》1)組原邊(A11 C1N)，各組原邊間相互絕緣，N組原邊構(gòu)成一相，每相 的N個原邊對應(yīng)變壓器的一組副邊，三組副邊(A2、 B2、 C2)接成星型或三角型后與高 壓電網(wǎng)相連。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大容量靜止無功發(fā)生裝置，其特征在于所述的檢測控制系 統(tǒng)由電網(wǎng)檢測單元(1)、指令電流生成單元(2)、逆變單元算法控制單元組(3)、直流 母線電壓檢測單元(4)組成，電網(wǎng)檢測電元與高壓電網(wǎng)直接相連，其后依次連接指令電 流生成單元(2)和逆變單元算法控制單元組(3)，逆變單元算法控制單元組(3)由3N 個逆變單元算法控制模塊(3 (1) 3 (3N))并聯(lián)組合而成，每個逆變單元算法控制模 塊的輸出連接主電路的一個逆變單元主電路，直流母線電壓檢測單元(4)的輸入與主電 路的整流濾波模塊的輸出相連，其輸出送入逆變單元算法控制單元組(3)。
5、 一種大容量靜止無功發(fā)生裝置的控制方法，其特征在于包括以下幾個步驟-1) 無功功率給定值(^與電網(wǎng)檢測單元輸出的電網(wǎng)無功功率 相比較，比較結(jié)果送入指 令電流生成單元進行PID (比例積分微分)運算，運算結(jié)果成為各逆變單元輸出電流的給2) 逆變單元算法控制模塊中，逆變單元輸出電流的給定值/^與輸出電流實際檢測值/,相比較，并將比較結(jié)果A/送入電流調(diào)節(jié)器經(jīng)運算得到電壓增量值A(chǔ)f);3) 逆變單元輸出電流的給定值/^同時經(jīng)運算得到電感電壓值&￡4) AtK t^以及輸出變壓器原邊電壓實際檢測值&三者相加后得到逆變單元輸出電壓的給定值^;5)《與直流母線電壓的檢測值f^一同送入PWM波形生成單元，經(jīng)SP麵運算后得到逆 變單元主電路各功率器件的控制信號送入逆變單元主電路，控制逆變單元的工作狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大容量靜止無功發(fā)生裝置，它包括順次相連的輸入變壓器、整流濾波單元、逆變單元組和輸出變壓器，整個裝置工作由檢測控制系統(tǒng)控制，逆變單元組由3N(N≥1)個共用直流母線的逆變單元組成，逆變單元采用單相全橋逆變電路，每個逆變單元的輸出串聯(lián)一個電抗器后通過輸出變壓器連接電網(wǎng)。本發(fā)明特別適用于大容量的無功補償系統(tǒng)，具有成本低、可靠性高、輸出功率因數(shù)連續(xù)可調(diào)、響應(yīng)速度快、控制精度高等優(yōu)點。
文檔編號H02J3/18GK101494382SQ20091011927
公開日2009年7月29日 申請日期2009年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月11日
發(fā)明者皓 張 申請人:皓 張