CN101494382B

CN101494382B - 一种大容量静止无功发生装置

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Publication number: CN101494382B
Application number: CN2009101192741A
Authority: CN
Inventors: 张皓
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-03-11
Filing date: 2009-03-11
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2029-03-11
Also published as: CN101494382A

Abstract

本发明公开了一种大容量静止无功发生装置，它包括顺次相连的输入变压器、整流滤波单元、逆变单元组和输出变压器，整个装置工作由检测控制系统控制，逆变单元组由3N(N≥1)个共用直流母线的逆变单元组成，逆变单元采用单相全桥逆变电路，每个逆变单元的输出串联一个电抗器后通过输出变压器连接电网。本发明特别适用于大容量的无功补偿系统，具有成本低、可靠性高、输出功率因数连续可调、响应速度快、控制精度高等优点。

Description

一种大容量静止无功发生装置

(一)技术领域

本发明属于电网无功功率补偿技术领域，具体涉及一种大容量静止无功发生装置。

(二)背景技术

随着社会经济的快速发展，电力供应和电力需求的供需矛盾日益突出。除依靠不断提高输电电压等级以外，还要提高输电用电的效率以降低网络损耗。由于在交流电网中存在大量的阻感性负载如电动机、变压器等，在这些设备运行过程中向电网注入大量无功功率，造成输配电网功率因数较差，线损增加。

为提高输电网的效率，需要加装无功补偿装置，当前常用的的无功补偿装置有电容器组投切式、MCR型SVC，TCR型SVC、SVG以及有载调压等几种方式，用投切电容器组保证电网功率因数和电压的合格率是变电站普遍采用的方法，但传统的电容器组只能实现无功的分级补偿。目前城乡电网的改造及电缆出线的剧增，使得系统电压、无功在负荷峰谷差距加大，单纯依靠电容器组投切补偿的方式已难以达到无功就地平衡的目标。有载调压的形式调节是有级、有触点的，无论是响应速度、调节精度、使用寿命等方面性能都较差，MCR型SVC，TCR型SVC存在体积大、噪音大、损耗大、响应速度慢、对电网谐波污染大等缺点，比较好的技术是基于电力电子技术的SVG(静态无功发生器)，与传统的SVC相比，SVG的调节速度更快，运行范围宽，装置的体积小噪音低，是今后无功补偿装置的重要发展方向。

SVG的基本原理就是将电力电子变流器通过输出电抗器并联在电网上，通过适当调整变流器的输出电压的幅值和相位就可以控制其交流输出电流。参见附图2和3，图中

是电网电压，

为电力电子变流器的输出电压，L为二者间串联的电感，当我们控制电力电子变流器的输出电压使得

按照图3所示向量图运行时，则该变流器注入电网的电流超前于电网电压，调节

的大小就可以调节注入电网电流的大小，从而达到动态调节电网无功功率的目的。

由于技术难度较大，当前的SVG产品还比较少，一般采用的均是采用低压开关器件(1200V或1700V)用两电平电路或三电平电路通过变压器与高压电网并联，由于电网的补偿容量要求较大，单机的功率也比较大(一般均在几kkVar以上)，由于变流器输出电压较低，造成变流器的电流较大，产品稳定性和可靠性以及技术难度等方面均存在一定问题。

本技术方案采用多个逆变单元通过输出变压器实现并联，装置容量的扩展可以通过增减逆变单元的数量的方式来实现，使得单个逆变单元的电压和电流均可以较低，可以采用最常用(也最稳定可靠)的电力电子器件来实现，装置可靠性高、成本大大降低。

(三)发明内容

本发明的目是提供一种新型的用于无功功率补偿的电力变换装置。

本发明的目的是这样实现的：它包括输入变压器、整流滤波单元、逆变单元组、输出变压器和检测控制系统，其特征是：所述的输入变压器是一个三相输入三相输出的工频变压器，其输入与高压电网相连，其输出联结整流滤波单元，整流滤波单元输出联结逆变单元组，逆变单元组由3N(N≥1)个逆变单元组成，每个逆变单元的输出与输出变压器的一组原边联结，输出变压器的副边接成三角型或星型后与高压电网联结。

本发明还有这样的一些结构特征：

1、所述的整流滤波单元由六只整流二极管组成三相桥式整流电路，整流电路输出接电容滤波后成为装置所有逆变单元共用的直流母线，该母线一方面为整台装置提供有功功率，同时通过各逆变单元及其输出电抗器及输出变压器与高压电网间实现无功功率的交换，从而提供电网所需的无功电流；

2、所述的逆变单元组由3N(N≥1)个逆变单元组成，每个逆变单元由四只开关器件组成单相全桥逆变电路，每个逆变单元的输出串联一个电抗器后与输出变压器的一组原边相连，开关器件采用IGBT或IGCT全控型器件，每个开关器件并联一只反向续流二极管。

3、所述的输出变压器包含3N(N≥1)组原边，各组原边间相互绝缘，N组原边构成一相，每相的N个原边对应变压器的一组副边，三组副边接成星型或三角型后与高压电网相连。

4、所述的检测控制系统由电网检测单元、指令电流生成单元、逆变单元算法控制单元组、直流母线电压检测单元组成，电网检测电元与高压电网直接相连，其后依次连接指令电流生成单元和逆变单元算法控制单元组，逆变单元算法控制单元组由3N个逆变单元算法控制模块并联组合而成，每个逆变单元算法控制模块的输出连接主电路的一个逆变单元主电路，直流母线电压检测单元的输入与主电路的整流滤波模块的输出相连，其输出送入逆变单元算法控制单元组。

5、本发明还包含了一种大容量静止无功发生装置的控制方法，其控制方法包括以下几个步骤：

1)无功功率给定值φ_gd与电网检测单元输出的电网无功功率φ_f相比较，比较结果送入指令电流生成单元进行PID(比例积分微分)运算，运算结果成为各逆变单元输出电流的给定值

2)逆变单元算法控制模块中，逆变单元输出电流的给定值

与输出电流实际检测值

相比较，并将比较结果送入电流调节器经运算得到电压增量值

3)逆变单元输出电流的给定值同时经运算得到电感电压值

4)

以及输出变压器原边电压实际检测值三者相加后得到逆变单元输出电压的给定值

5)

与直流母线电压的检测值

一同送入PWM波形生成单元，经SPWM运算后得到逆变单元主电路各功率器件的控制信号送入逆变单元主电路，控制逆变单元的工作状态。

本装置的3N个单相全桥逆变单元，共分为三个小组，每小组N个，每个逆变单元通过输出电抗器与输出变压器的一组原边相连，这种连接方式，可以达到几方面的目的：

1、可以通过控制每个逆变电路的输出电压达到控制其输出电流的目的，根据需要可以控制其输出电流超前或滞后于其所连接的变压器原边电压，从而达到控制注入电网的无功功率的目的，同时也可以控制逆变单元产生谐波电流通过输出变压器注入电网，从而达到滤除电网谐波的目的；

2、每小组内的N个逆变单元通过其连接的输出变压器向电网的一相注入电流，而注入电网的电流是由本小组内的所有逆变单元共同分担的，每个逆变单元只承担了注入电网该相的无功功率的1/N，当电网所需无功较大时可以通过增加N的个数来实现，这样可以采用常规的电力电子开关器件满足大容量的无功补偿的需求；

3、各逆变单元的输出电流分别控制，各逆变单元的输出功率的分配和控制非常方便，不会产生常规的将逆变电路直接并联或开关器件直接并联所带来的均流的问题；

4、每个小组内的逆变单元均为单相逆变，电网的三相无功功率可以分别控制，可以有效缓解电网三相不平衡的问题；

5、由于输出变压器的存在，当电网电压较高时可以适当调整变压器的变比，保证每个逆变单元的输出电压幅值较低，逆变单元的功率器件只需采用常规的1200V或1700V耐压等级，装置成本低，可靠性高。

(四)附图说明

图1是本发明所述的大容量静止无功发生装置系统结构原理图。

图2是现有的无功发生装置与电网的等效连接图。

图3是现有的无功发生装置向电网注入超前(容性)电流时其输出的相电压相电流与电网电压的相量图。

图4是本发明所述的检测控制系统的结构方框图。

图5是本发明所述的控制方法的原理框图。

图6是本发明所述的控制方法中每个逆变单元算法控制模块的控制原理框图。

(五)具体实施方式

下面结合图1、4、5、6和对本发明的具体实施作详细的描述：

结合图1，本发明的主电路结构包括：输入变压器(2)、整流滤波单元(3)、逆变单元组(4)、输出变压器(5)和检测控制系统(6)，输入变压器将电网高压交流电变成适合装置使用的低压交流电，再经过整流滤波单元变换成直流电构成与各逆变单元连接的直流母线。

整流滤波单元由六只整流二极管组成三相桥式整流电路，整流电路输出接电容滤波后成为装置所有逆变单元共用的直流母线。

各逆变单元的结构相同，均由4只全控型开关器件组成，以其中一个为例，SA11和SA12串联后并联到公用的直流母线，其串联的中间抽头作为该逆变单元的一个输出直接与输出变压器原边绕组A11的一端相连，SA13和SA14串联后并联到公用的直流母线，其串联的中间抽头作为该逆变单元的另一个输出，串联输出电抗器LA1后与输出变压器原边绕组A11的另一端相连。

采用相同的连接方式，由SAN1、SAN2、SAN3、SAN4构成的逆变单元的输出经过输出电抗器LAN与输出变压器原边绕组A1N相连，A11～A1N这N组原边及其所对应的逆变单元构成装置的A相变换电路，这N组的输出经变压器耦合到副边绕组A2，同样其它两个N组逆变单元的输出经变压器分别耦合到副边绕组B2和C2，这三组副边星型连接后直接与高压电网相连。

图1中的输出变压器副边是采用星型连接，根据现场实际情况，输出变压器的三组副边绕组也可以采用三角型连接。

结合图4，装置的检测控制系统由电网检测单元(61)、指令电流生成单元(62)、逆变单元算法控制单元组(63)、直流母线电压检测单元(64)组成。

电网检测单元与高压电网直接相连，检测结果经指令电流生成单元运算后得到各逆变单元的输出电流给定值，该给定值分别送入逆变单元算法控制单元组的各个逆变单元算法控制模块，各个逆变单元算法控制模块同时接收直流母线电压检测单元输出的直流母线电压值，各个逆变单元算法控制模块的运算结果产生各逆变单元的4个开关器件的控制信号，输入到各逆变单元主电路。

直流母线电压检测单元(64)的输入与主电路的整流滤波模块的输出相连。

结合图5，本发明的控制方法通过如下方式实现：

无功功率给定值φ_gd与电网单元输出的电网无功功率φ_f相比较，比较结果送入指令电流生成单元进行PID(比例积分微分)运算，运算结果成为各逆变单元输出电流的给定值

经各逆变单元算法控制模块控制运算后产生各逆变单元的4个开关器件的PWM控制信号，输入到各逆变单元主电路，各逆变单元在该信号控制下工作，通过输出变压器向电网注入需要的无功电流，构成了一个电网无功功率控制的闭环控制系统。

结合图6，本发明中所述各逆变单元算法控制模块的控制运算通过如下方式实现：

1)逆变单元输出电流的给定值

与输出电流实际检测值

相比较，构成每个逆变单元输出电流控制的闭环控制系统，该比较结果送入电流调节器经运算得到电压增量值

2)逆变单元输出电流的给定值同时经运算得到电感电压值

3)

以及输出变压器原边电压实际检测值

三者相加后得到逆变单元输出电压的给定值

4)

与直流母线电压的检测值一同送入PWM波形生成单元，经SPWM运算后得到逆变单元主电路各功率器件的PWM控制信号送入逆变单元主电路，控制逆变单元的工作状态。

整个装置的控制方法采用无功功率外环控制、逆变单元输出电流内环控制的多闭环串级控制方式，保证系统的控制精度与响应速度。

Claims

1.一种大容量静止无功发生装置，它包括输入变压器(2)、整流滤波单元(3)、逆变单元组(4)、输出变压器(5)和检测控制系统(6)，其特征是：所述的输入变压器是一个三相输入三相输出的工频变压器，其输入与高压电网相连，其输出联结整流滤波单元，整流滤波单元输出联结逆变单元组，逆变单元组由3N个逆变单元组成，其中N≥1，每个逆变单元的输出与输出变压器的一组原边联结，输出变压器共有3N组原边，每组原边与一个逆变单元的输出相连，输出变压器的副边接成三角型或星型后与高压电网联结；

其中，所述的检测控制系统(6)由电网检测单元(61)、指令电流生成单元(62)、逆变单元算法控制单元组(63)、直流母线电压检测单元(64)组成，电网检测单元与高压电网直接相连，其后依次连接指令电流生成单元(62)和逆变单元算法控制单元组(63)，逆变单元算法控制单元组(63)由3N个逆变单元算法控制模块(63(1)～63(3N))并联组合而成，每个逆变单元算法控制模块的输出连接主电路的一个逆变单元主电路，直流母线电压检测单元(64)的输入与主电路的整流滤波模块的输出相连，其输出送入逆变单元算法控制单元组(63)。

2.根据权利要求1所述的一种大容量静止无功发生装置，其特征在于：每个逆变单元由四只开关器件组成单相全桥逆变电路，每个逆变单元的输出串联一个电抗器后与输出变压器的一组原边相连，开关器件采用IGBT或IGCT全控型器件，每个开关器件并联一只反向续流二极管。

3.根据权利要求1所述的一种大容量静止无功发生装置，其特征在于：所述的输出变压器包含3N组原边(A11～C1N)，其中N≥1，各组原边间相互绝缘，N组原边构成一相，每相的N个原边对应变压器的一组副边，三组副边(A2、B2、C2)接成星型或三角型后与高压电网相连。