本實用新型涉及控制電網(wǎng)無功平衡領域，具體涉及一種基于小電容的單相靜止無功發(fā)生器電路拓撲。

背景技術：

安裝無功補償設備是控制電網(wǎng)無功平衡的主要方式，它也是保障電網(wǎng)安全、穩(wěn)定和可靠運行的關鍵設備，主要包括：靜態(tài)無功補償器(SVC)和靜止無功發(fā)生器(STATCOM)。目前，SVC一般采用晶閘管控制，具有可控容量大、控制簡單等優(yōu)點，但補償精度低、響應速度慢、諧波含量高；STATCOM一般采用絕緣柵雙極晶體管(IGBT)控制，其補償效果好、電流諧波含量低，但補償容量不高、控制較復雜。顯然，二者的優(yōu)缺點具有典型對稱的特點，其本質原因在于采用了不同的半導體開關。

技術實現(xiàn)要素：

為了提高補償器的綜合性能，本實用新型提出了一種基于小電容的單相靜止無功發(fā)生器電路拓撲，包括電路結構和控制方式，它采用IGBT控制且易擴展，能夠補充三相STATCOM在補償容量方面的不足，并能達到優(yōu)化無功控制效果的目的。

本實用新型所采用的技術方案是：

一種基于小電容的單相靜止無功發(fā)生器電路拓撲，包括IGBT晶體管T1～T4、直流電容XC，IGBT晶體管T1～T4分別反向并聯(lián)有二極管D1～D4。

IGBT晶體管T1與IGBT晶體管T2串聯(lián)，構成第一橋臂，串聯(lián)的連接點為a；

IGBT晶體管T3與IGBT晶體管T4串聯(lián)，構成第二橋臂，串聯(lián)的連接點為b。

第一橋臂、第二橋臂分別與直流電容XC并聯(lián)；

連接點a、連接點b分別與單向電網(wǎng)的火線L和零線N相連，

連接點a與火線L之間連接有限流電抗器限流電抗器X_L。

一種基于小電容的單相靜止無功發(fā)生器調制方法，先采樣直流電容XC電壓U_cap，與高頻等幅值三角載波U_car.求積，得到具有正弦包絡線特點的三角載波V_car.，其次設置參考電壓V_REF或-V_REF，分別作為第一橋臂、第二橋臂上兩組IGBT晶體管的調制波，從而得到柵極Ⅰ～Ⅳ的控制信號G_Ⅰ～G_Ⅳ，驅動四只IGBT晶體管依次導通，最后得到輸出電壓V_out。

一種基于小電容的單相靜止無功發(fā)生器控制方法，過對電網(wǎng)電壓Ugrid和電流Igrid的監(jiān)測，計算無功功率，在與設定參考電壓或功率因數(shù)X_REF求差，獲得誤差控制量error；再采用比例積分控制PI，得到調制信號V_REF；最后采用改進的正弦調制方法，得到四只IGBT晶體管的控制信號G_Ⅰ～G_Ⅳ，驅動裝置響應電網(wǎng)的無功變化，實現(xiàn)無功穩(wěn)定控制。

一種基于小電容的單相靜止無功發(fā)生器電路拓撲，應用于電網(wǎng)電壓穩(wěn)定控制或功率因數(shù)校正領域，將電壓或功率因數(shù)誤差量轉化為無功調整量，再控制開關按特定規(guī)律通斷，從而實現(xiàn)電壓或功率因數(shù)的動態(tài)調節(jié)。

本實用新型一種基于小電容的單相靜止無功發(fā)生器電路拓撲，與傳統(tǒng)STATCOM和SVC相比，其主要優(yōu)點包括以下三個方面：

(1)：選用較小直流電容，電路結構簡單，易控制，具有較高的功率密度和運行可靠性；

(2)：采用全控型半導體開關IGBT，裝置的可控性強，有利于提高動態(tài)無功控制效果；

(3)：可擴展性強，易于多組并聯(lián)或在三相系統(tǒng)中按Y/Δ方式連接，無功補償容量大。

(4)：本實用新型是基于對STATCOM和SVC優(yōu)缺點的深入分析，提出的一種綜合解決方案，它既具有前者控制精度高、響應速度快的優(yōu)點，又能夠像后者一樣易于擴展，提升補償容量，從而提高裝置的綜合補償能力。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明：

圖1為本實用新型的電路拓撲與控制方法圖。

圖2為本實用新型的直流電容XC兩端的電壓波形圖。

圖3為本實用新型的載波電壓Ucar波形圖。

圖4為本實用新型的調制載波Vcar波形圖。

圖5為本實用新型的IGBT晶體管T1與T2的控制信號G_Ⅰ和G_Ⅱ波形圖。

圖6為本實用新型的IGBT晶體管T3與T4的控制信號G_Ⅲ和G_Ⅳ波形圖。

圖7為本實用新型的單相無功發(fā)生器交流側的輸出電壓Vout波形圖。

圖8為本實用新型開關調制方法與輸出電壓關系圖。

圖9為本實用新型的控制框圖。

具體實施方式

一種基于小電容的單相靜止無功發(fā)生器電路拓撲，如圖1～圖7所示，包括電路拓撲、調制方式和控制策略三個部分，具體闡述如下：

(1)、電路結構部分包括IGBT晶體管T1～T4(含反并聯(lián)二極管D₁～D₄)和直流電容 X_C，半導體開關均為絕緣柵雙極晶體管(簡稱IGBT)。IGBT晶體管T_x與二極管D_x(x＝1～4)按常規(guī)的方法反并聯(lián)，前兩組與后兩組分別串聯(lián)構成兩只橋臂，各橋臂和直流電容X_C互為并聯(lián)關系，其中點a和b分別與單相電網(wǎng)的火線L和零線N相連，且a與L間連接一只限流電抗器X_L。

(2)、調制方法部分包括：首先采樣直流電容電壓U_cap.(波形一般為二倍工頻的正弦半波)，與高頻等幅值三角載波U_car.求積，得到具有正弦包絡線特點的三角載波V_car.，其次設置參考電壓V_REF或-V_REF，分別作為兩只橋臂上兩組半導體開關的調制波，從而得到柵極Ⅰ～Ⅳ的控制信號G_Ⅰ～G_Ⅳ，驅動四只IGBT晶體管依次導通，最后得到輸出電壓V_out。

(3)控制策略部分包括：以電壓的大小或功率因數(shù)為控制目標，通過采樣電網(wǎng)電壓或電流并與設定參考值求差，作為比例積分控制器(PI)的誤差輸入信號，獲得V_REF，再通過(2)所述的調制方式產(chǎn)生開關控制信號。

工作原理：

本實用新型單相靜止無功發(fā)生器電路拓撲，主要應用于電網(wǎng)電壓穩(wěn)定控制或功率因數(shù)校正領域，將電壓或功率因數(shù)誤差量轉化為無功調整量，再控制開關按特定規(guī)律通斷，從而實現(xiàn)電壓或功率因數(shù)的動態(tài)調節(jié)。具體工作原理闡述如下：

如圖1所示，為電路的結構和開關調制方式。容抗為X_C的直流電容與全可控橋式開關模塊并聯(lián)，它由四只IGBT晶體管及反并聯(lián)二極管組成，兩橋臂上的開關分別為：T₁-D₁和T₂-D₂、T₃-D₃和T₄-D₄，其中橋臂中點a和b分別與單相電網(wǎng)的火線L和零線N相連，且a與L間連接一只阻抗為X_L的限流電抗器。

直流電容X_C為較小直流電容，當輸出無功功率在5kVar～10kVar內變化時，電容量C只有400uF，而現(xiàn)有技術一般要2000uF以上，因此，電容可減小至少4倍。

圖2-圖7中還顯示了四只IGBT晶體管的開關的調制方式，開關狀態(tài)與輸出電壓值的關系。具體如圖8所示。假設交流電網(wǎng)工頻為f₀，直流電容電壓U_cap.波形為正弦半波，且頻率為2f₀；初始載波U_car.為恒定幅值的三角波，其頻率為f_car.，幅值為1；將U_cap.與U_car.相乘得到改進的載波V_car.，其幅值按正弦半波規(guī)律變化；根據(jù)輸出目標無功大小確定調制波V_REF，當V_car.>V_REF時，控制T₁導通，且T₂關斷；當V_car.<V_REF時，控制T₂導通，且T₁關斷；另外，當V_car.>-V_REF時，控制T₃導通，且T₄關斷；當V_car.<-V_REF時，控制T₄導通，且T₃關斷；即得到G_Ⅰ～G_Ⅳ的脈寬波形。當T₁和T₃同時導通或T₂和T₄同時導通時，輸出電壓V_out均為0；當T₁和T₄同時導通時，輸出電壓V_out＝U_cap.；當T₂和T₃同時導通時，輸出電壓V_out＝-U_cap.。

圖8中的開關狀態(tài)與輸出電壓表格如下：

開關狀態(tài)與輸出電壓

令N＝f_car./f₀，當N＝20(或等于20整數(shù)倍)時，如圖8所示，在一個載波周期[T_k,T_k+1]內，可近似認為電容電壓大小保持不變。因此，U_cap與Vo_ut的平均電壓之比恒等于導通脈寬之比，即V_REF與U_cap.的幅值之比等于(τ₁+τ₂)/T_car.。

如圖9所示，為本實用新型的控制框圖。首先通過對電網(wǎng)電壓Ugrid和電流Igrid的實時檢測，并將其用于計算無功功率、電壓幅值或功率因數(shù)，設輸出量為X；將X與參考量X_REF(具體為電壓幅值或單位功率因數(shù))求差，輸出誤差量error；再采用比例積分控制(PI)，得到調制信號V_REF；最后，采用圖8所示的調制方法，輸出四只IGBT的控制信號G_Ⅰ～G_Ⅳ，驅動STATCOM，實現(xiàn)電網(wǎng)無功控制。