鏈式動態(tài)電能治理裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種鏈式動態(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；采用鏈式結(jié)構(gòu)，無需安裝變壓器，降低了裝置的損耗和造價；易于實現(xiàn)模塊化生產(chǎn)，并有利于實現(xiàn)不同容量裝置的組合。
【專利說明】鏈式動態(tài)電能治理裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本實用新型涉及電力設備【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及鏈式動態(tài)電能治理裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代科學技術(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、鐵路及機械制造等現(xiàn)代企業(yè)來說，廣泛使用的先進技術(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重，這些對電網(wǎng)的不利影響不僅會導致供用電設備本身的安全性降低，而且會嚴重削弱和干擾電網(wǎng)的經(jīng)濟運行。由于供電系統(tǒng)中增加了大量的非線性負載，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)中往往設置有無功補償裝置來保證負載的安全，無功補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、靜止無功補償裝置(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，安裝和維護方便，但它只能補償感性無功，不能補償容性無功，并且因為它的阻抗值是一定的，所以不能實現(xiàn)對無功功率動態(tài)補償。另外，電容器負電壓效應，如果其電壓下降，補償電流也會下降，系統(tǒng)電壓和補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(Synchronous Condenser-SC)是早期動態(tài)無功補償裝置的典型代表。它是一種同步電機，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償，即可以實現(xiàn)動態(tài)補償。在剛開始的幾十年中，它是無功補償領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。但由于旋轉(zhuǎn)電機噪聲比較大、損耗高、控制和維護復雜、響應速度慢等缺點，同步調(diào)相機已經(jīng)無法適應無功功率補償?shù)目刂埔蟆?br> [0006]上世紀70年代以來，靜止無功補償裝置(Static Var Compensator-SVC)成為無功補償領(lǐng)域的新寵，逐漸替代同步調(diào)相機。早期的靜止無功補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)相機相比，優(yōu)點是響應速度快，缺點是噪聲和損耗比較大。另外，飽和電抗器不能補償負載的三相不平衡，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償裝置。1977年，第一臺晶閘管靜止無功補償裝置在美國GE公司運行成功。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，投入運行了自己生產(chǎn)的晶閘管靜止無功補償裝置。隨后，各種類似產(chǎn)品層出不窮。有了近20年的發(fā)展，SVC已在靜止無功補償領(lǐng)域占據(jù)了主導地位。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)點是響應速度快、可以實現(xiàn)動態(tài)補償，因此在電力系統(tǒng)無功補償領(lǐng)域得以迅速的發(fā)展。SVC的缺點是諧波含量高，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)的進一步發(fā)展，八十年代以來，一種更先進的靜止型無功補償裝置出現(xiàn)了，這就是采用自換相變流電路的靜止無功補償裝置，即靜止無功補償器(Static Compensator-STATCOM),也稱為高級靜止無功補償器(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，并具有響應速度快、調(diào)節(jié)性能好、能綜合補償三相不平衡和諧波的特點，成為無功補償?shù)闹匾l(fā)展方向。
實用新型內(nèi)容
[0008]本實用新型為解決上述技術(shù)問題，在于提供一種鏈式動態(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]本實用新型所解決的技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0010]鏈式動態(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，可以設計濾除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]本實用新型具有的有益效果是:(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)采用鏈式結(jié)構(gòu)，無需安裝變壓器，降低了裝置的損耗和造價；
[0019](3)易于實現(xiàn)模塊化生產(chǎn)，并有利于實現(xiàn)不同容量裝置的組合；
[0020](4)可以同時進行無功及諧波補償，PF濾波回路能夠濾除其調(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，對于基波相當于一個大電容，承擔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。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本實用新型:鏈式動態(tài)電能治理裝置結(jié)構(gòu)圖；
[0023]圖2為本實用新型:鏈式動態(tài)電能治理裝置電路圖；
[0024]圖3為本實用新型:鏈式動態(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。

【具體實施方式】
[0026]為了使本實用新型實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示，進一步闡述本實用新型。
[0027]如圖1-2所示，鏈式動態(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]本實用新型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、電流信號并送入運算電路計算出系統(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)出或吸收相應的無功功率用于補償負載所需無功，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，能夠濾出調(diào)諧頻次附近的諧波，濾波任務主要由無源濾波器承擔，三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器起拾遺補缺、改善濾波效果的任務，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具有獨立的電容，考慮到串聯(lián)功率單元電容器的均壓問題，設計中采用功率電阻和開關(guān)串聯(lián)的方式進行放電，不但可以實現(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]本實用新型中三相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)承受電壓的計算
[0033]以接入1kV電網(wǎng)等級的鏈式動態(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計算，每個鏈節(jié)可以輸出的交流電壓有效值為
[0034]Uce, = 1lV(I)
[0035]當選用Y型連接時，所需的最小級聯(lián)數(shù)目為:
[0036]Ny = 13x1000q^ a Ii(2)

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[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]當選用Λ型連接時，所需的最小級聯(lián)數(shù)目為:
r Iλγ 1.3 X10000⑴
[0039]Na=~~。丨9(3)
[0040](2)根據(jù)承受電流的計算
[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倍設計。
[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)濟性，因為這時需要較少的級聯(lián)數(shù)目和承受電流等級。
[0043]對于無變壓器的鏈式SVG設計，實際上還存在一個最小經(jīng)濟容量，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)設計，當直接連接到1kV系統(tǒng)上時，采用Y型結(jié)構(gòu)時的最小經(jīng)濟容量為:
[0044]5, ->/3x10000 X 100 = 1.73 M var(4)
[0045]采用Λ型結(jié)構(gòu)時的最小經(jīng)濟容量為:
[0046]ΞΔ = 3X10000X100 = 3Mvar (6)
[0047]當所需裝置的額定容量小于最小經(jīng)濟容量時，也沒有更小的開關(guān)器件可選，實際上開關(guān)器件成本并不能再進一步降低。顯然采用Y型結(jié)構(gòu)時的最小經(jīng)濟容量小于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)濟性。
[0048]當裝置容量較大時，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)的鏈式SVG更具經(jīng)濟性。
[0049]以上顯示和描述了本實用新型的基本原理和主要特征和本實用新型的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應該了解，本實用新型不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本實用新型的原理，在不脫離本實用新型精神和范圍的前提下，本實用新型還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本實用新型范圍內(nèi)。本實用新型要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
【權(quán)利要求】
1.鏈式動態(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所述的鏈式動態(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所述的鏈式動態(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所述的鏈式動態(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所述的鏈式動態(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所述的鏈式動態(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所述的鏈式動態(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】H02J3/01GK204046177SQ201420363284
【公開日】2014年12月24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, 陳國福 申請人:上海雷諾爾電力自動化有限公司