CN101924367A

CN101924367A - 基于igbt的大功率智能型谐波和无功电流发生装置

Info

Publication number: CN101924367A
Application number: CN2010102705969A
Authority: CN
Inventors: 季建辉; 宋强; 李建国; 于建伟; 毕玉玉; 任兴旺
Original assignee: SIEYUAN QINGNENG POWER ELECTRONIC Co Ltd
Current assignee: SIEYUAN QINGNENG POWER ELECTRONIC Co Ltd
Priority date: 2010-09-02
Filing date: 2010-09-02
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2030-09-02
Also published as: CN101924367B

Abstract

一种电力电子技术领域的基于IGBT的大功率智能型谐波和无功电流发生装置，包括：断路器、熔断器、高通滤波器、两个电抗器、预充电回路、逆变器、电源转换器以及控制电路，断路器分别与电力系统的测试点和熔断器相连，熔断器的输出端分别与高通滤波器和第一电抗器的输入端相并联，第一电抗器的输出端依次与预充电回路、第二电抗器和逆变器相串联，控制电路的信号端分别与第一电抗器和第二电抗器的输入端相连，控制电路的输出端与逆变器的控制端相连，控制电路的输入端与电源转换器相连，电源转换器的输入端与电力系统的测试点相连接。本发明采用IGBT将三相交流电源整流成直流电源，结合电流环恒流算法控制直流电源逆变成所需的谐波电流。

Description

基于IGBT的大功率智能型谐波和无功电流发生装置

技术领域

本发明涉及的是一种电力电子技术领域的装置，具体是一种基于IGBT的大功率智能型谐波和无功电流发生装置。

背景技术

随着电力电子技术的发展，电力电子装置得到了迅速推广，同时这些非线性负荷也向电网注入了大量的谐波和无功。谐波会严重影响用电设备和供电系统的安全、可靠、与经济运行，谐波的一些危害如下：诱发电网谐波放大，导致谐波过电压和过电流，引发事故，损坏电容器补偿等电气设备。导致异步电机和变压器产生附加损耗和过热，其次是产生机械振动、噪声和谐波过电压，降低了该类设备的效率和利用率，缩短了该类设备的使用寿命。对电力电缆和配电电路，谐波电流频率增高，引起明显的集肤效应，导线电阻增大，线损加大，发热增加，绝缘过早老化，容易发生接地短路故障，形成火灾隐患。对通信、电子或自动控制设备产生严重干扰。谐波电流使断路器阻断能力降低，导致断路器、接触器等不能安全稳定工作。导致保护装置误动或拒动，导致区域性停电事故。使电力系统中各种测量仪表误差增加，甚至无法工作。干扰或影响各类低压电器的正常使用。

谐波是看不见摸不着的，在不知不觉中就已经造成了很大危害，因此在电力实践中，有必要通过准确的谐波发生装置，产生谐波电流，对电气设备和仪表进行检测与考验。目前市场上已有的谐波发生装置功率都较小(几十个伏安级)，不适应电力系统大功率的需求(几十至几百个千伏安级)，因此有必要开发一种大功率的谐波电流发生装置。另外，谐波检测的同时也有一定的无功检测需求，因此谐波电流发生装置要能兼做无功电流发生装置(包括感性无功和容性无功)。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN1987511A，公开日2007-6-27，记载了一种谐波电流和感性无功发生装置，该技术由三相桥式全控整流桥构成的整流器(4)的直流侧串接设置直流电抗器(3)、电流采样器(2)，电流采样器(2)的两端与移相控制器(1)的电流反馈输入端连接，移相控制器(1)信号输出端与三相桥式全控整流桥的可控硅门极对应连接，三相桥式全控整流桥的电压输入端直接接入电网，移相控制器(1)电压输入端通过降压变压器(5)后接入电网。

但是该现有技术采用的是基于可控硅的三相桥式全控整流桥实现的，该技术只能输出特定的6k±1次谐波，谐波次数不可任意设置，且只能输出感性无功电流，不能输出容性无功电流，另外三相全桥的结构输出的电压范围较窄，只能满足AC380V系统的并网要求，而不能满足AC690V系统的并网要求。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于IGBT的大功率智能型谐波和无功电流发生装置，利用电力电子变流技术，采用先进的全控型器件IGBT将三相交流电源整流成直流电源，再利用高效控制系统，采用电流环恒流算法控制直流电源逆变成所需的谐波电流。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：断路器、熔断器、高通滤波器、两个电抗器、预充电回路、逆变器、电源转换器以及控制电路，其中：断路器的一端与电力系统的测试点相连接，另一端与熔断器的输入端相连，熔断器的输出端分别与高通滤波器和第一电抗器的输入端相并联，第一电抗器的输出端依次与预充电回路、第二电抗器和逆变器相串联，控制电路的信号端分别与第一电抗器和第二电抗器的输入端相连，控制电路的输出端与逆变器的控制端相连，控制电路的输入端与电源转换器相连，电源转换器的输入端与电力系统的测试点相连接。

所述的逆变器采用三单相桥拓扑结构，该三单相桥拓扑结构中每个桥臂输出电压中的基波分量峰值

满足：

其中：调制比m_a≤1，通过控制输入逆变器的直流电压V_d的值使谐波电流发生装置的输出电压满足AC380V～AC690V系统的并网要求。

所述的控制电路包括：依次串联的谐波设置单元、调节监测单元和驱动电路单元，其中：谐波设置单元接收设置的谐波电流参考值，将该参考值与装置实际输出的谐波电流做差值送入调节监测单元，调节监测单元输出限幅后得到控制用参考电流，该参考电流经过驱动电路单元进行PWM调制后驱动逆变器生成所需的谐波电流并形成闭环控制系统保证输出谐波电流的稳定度和精度。

本发明可灵活生成各种谐波和无功环境，适用于各种需要大功率谐波和无功电流源的场合，其主要技术效果包括：主电路采用三单相桥拓扑结构，功率器件采用IGBT，该结构的输出电压范围宽，能满足AC380V～AC690V系统的并网要求；控制系统采用电流环恒流控制，输出谐波电流的波动小，精度高；可实时动态生成2～50次谐波电流，或者有选择的生成其中一种或若干种电流的组合(可以不受限制的任意选择需要生成的不同次数谐波)，并且可以设置需要输出谐波电流的目标值；可设置输出感性无功或容性无功；完整有效的各类保护措施，确保装置在正常或异常工况下，都不会对供配电系统或系统内的其他设备产生影响；扩展性强，不仅谐波电流发生装置可多套并联应用，满足扩容测试需求，另外还可外配计算机控制系统，对测试数据进行分析诊断，满足高端检测需求；有移动滑轮和锁止装置，适于频繁移动。

附图说明

图1是本发明提出的谐波电流发生装置的原理接线示意图。

图2是IGBT逆变器的拓扑结构图。

图3是实施例电流环恒流示意图。

图4是实施例应用示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本装置包括：断路器1、熔断器2、高通滤波器3、两个电抗器4、5、预充电回路6、逆变器7、电源转换器8以及控制电路9，其中：断路器1的一端与电力系统的测试点相连接，另一端与熔断器2的输入端相连，熔断器2的输出端分别与高通滤波器3和第一电抗器4的输入端相并联，第一电抗器4的输出端依次与预充电回路6、第二电抗器5和逆变器7相串联，控制电路9的信号端分别与第一电抗器4和第二电抗器5的输入端相连，控制电路9的输出端与逆变器7的控制端相连，控制电路9的输入端与电源转换器8相连，电源转换器8的输入端与电力系统的测试点相连接。

所述的高通滤波器3由电感、电容和电阻组成，该高通滤波器的带通为50次以上的谐波频率。

所述的第一电抗器4具有300A的2～50次谐波电流的承受能力。

所述的第二电抗器5具有300A的2～50次谐波电流的承受能力。

所述的预充电回路6由一组并联的接触器和限流电阻组成，当装置处于充电状态时，控制器控制接触器断开，由电阻限制电流对直流电容的冲击，当装置处于正常工作状态时，控制器控制接触器闭合，减小装置损耗。

所述的电源转换器8将系统电压转换为AC220V的变压器。

如图2所示，所述的逆变器7采用IGBT(绝缘栅双极型晶体管)组成的三单相桥拓扑结构，该三单相桥拓扑结构中每个桥臂A、B和C输出电压中的基波分量峰值满足：

其中：调制比m_a≤1；通过控制输入逆变器的直流电压V_d的值，就能使谐波电流发生装置的输出电压有较宽的范围，满足AC380V～AC690V系统的并网要求。

所述的绝缘栅双极型晶体管的额定集电极和发射极电压V_CES为1200V，额定集电极电流根据装置输出容量选取。

所述的逆变器7外接直流母线电容器14以提供直流侧的电压支撑，该直流母线电容器14的额定直流电压为900V，额定容量根据装置输出容量选取。

如图3所示，所述的控制电路9包括：依次串联的谐波设置单元10、调节监测单元11和驱动电路单元12，其中：谐波设置单元10接收设置的谐波电流参考值，将该参考值与装置实际输出的谐波电流做差值送入调节监测单元11，调节监测单元11输出限幅后得到控制用参考电流，该参考电流经过驱动电路单元12进行PWM调制后会驱动IGBT逆变器7生成所需的谐波电流，最终形成一个闭环控制系统，保证输出谐波电流的稳定度和精度。

本实施例中的控制电路9采用了双DSP+FPGA结构，该结构资源丰富，可实现强大的控制功能。控制器控制IGBT逆变器7从交流系统吸收电能，整流成直流存储在直流侧电容中，再利用电流环恒流算法控制逆变器7将直流逆变成所需的谐波电流。

所述第二电抗器5的输入端设有触摸显示屏13以实时显示运行数据，装置状态，谐波柱状图，波形曲线等，可控制装置的启停。另外，还可灵活设置输出谐波的次数、目标值、持续时间等，并且将设置的谐波波形显示出来等。计算机的操作比较容易，可根据需求扩展其他功能。

本装置具备完善的保护功能，如直流过/欠压、过流、IGBT故障、过温等，在异常工况下本装置会退出，而不影响其他设备的运行。除此之外，图1所示的一些主电路器件也有保护功能，如熔断器2能防止过流事故扩大；预充电回路6能减小装置上电过程中对电网的冲击；高通滤波器3可将装置输出的高频谐波滤除，保证只向系统注入有用谐波等。

本装置还可通过简单的柜体并联方式扩容。另外为了方便用户使用，谐波和无功电流发生装置有移动滑轮和锁止装置，适于频繁移动。采用基于IGBT的大功率智能型谐波和无功电流发生装置，可灵活的生成各种谐波和无功环境，提供并网的谐波电流源，适用于电力部门、计量部门、质检单位、科研单位、高等院校等使用。

如图4所示，APF为有缘电力滤波装置，SHG为本实施例所述谐波和无功电流发生装置，通过将本装置检测APF性能的系统接线图：首先将本装置和APF装置并联接入系统中，然后将本装置的输出电流通过CT接入APF装置中即可。投入APF，控制本装置发出的谐波电流，即可检测APF的各种性能，如：补偿性能，谐波滤除率，动态响应时间，老化试验等。

本装置通过采用全控功率器件IGBT(即开通和关断均可控)实现，比用可控硅等半控功率器件(即开通可控，关断不可控)实现更具灵活性，克服了用可控硅等半控功率器件实现时只能输出6k±1次特定次谐波，以及只能输出感性无功等缺点，IGBT逆变器配合双DSP+FPGA的控制器，可灵活输出精度较高的2～50次谐波电流的一种或若干种组合，以及感性无功或容性无功。另外，本装置的逆变器采用三单相桥拓扑结构，克服了三相桥式全桥整流桥拓扑结构输出电压范围窄的缺点，能满足AC380V～AC690V的并网要求。同时，本发明所述的装置具有强大的控制器，能实现各种保护功能、扩展功能等，在不影响供配电系统或系统内其他设备的情况下，为测试人员提供各种高端的功能。

Claims

1.一种基于IGBT的大功率智能型谐波和无功电流发生装置，包括：断路器、熔断器、高通滤波器、两个电抗器、预充电回路、逆变器、电源转换器以及控制电路，其特征在于：断路器的一端与电力系统的测试点相连接，另一端与熔断器的输入端相连，熔断器的输出端分别与高通滤波器和第一电抗器的输入端相并联，第一电抗器的输出端依次与预充电回路、第二电抗器和逆变器相串联，控制电路的信号端分别与第一电抗器和第二电抗器的输入端相连，控制电路的输出端与逆变器的控制端相连，控制电路的输入端与电源转换器相连，电源转换器的输入端与电力系统的测试点相连接。

2.根据权利要求1所述的基于IGBT的大功率智能型谐波和无功电流发生装置，其特征是，所述的逆变器采用三单相桥拓扑结构，该三单相桥拓扑结构中每个桥臂输出电压中的基波分量峰值满足：

3.根据权利要求2所述的基于IGBT的大功率智能型谐波和无功电流发生装置，其特征是，所述的绝缘栅双极型晶体管的额定集电极和发射极电压V_CES为1200V。

4.根据权利要求1或2所述的基于IGBT的大功率智能型谐波和无功电流发生装置，其特征是，所述的逆变器外接直流母线电容器以提供直流侧的电压支撑，该直流母线电容器的额定直流电压为900V。

5.根据权利要求1所述的基于IGBT的大功率智能型谐波和无功电流发生装置，其特征是，所述的高通滤波器由电感、电容和电阻组成，该高通滤波器的带阻为50次以上的谐波频率。

6.根据权利要求1所述的基于IGBT的大功率智能型谐波和无功电流发生装置，其特征是，所述的预充电回路由一组并联的接触器和限流电阻组成，当装置处于充电状态时，控制器控制接触器断开，由电阻限制电流对直流电容的冲击，当装置处于正常工作状态时，控制器控制接触器闭合以减小装置损耗。

7.根据权利要求1所述的基于IGBT的大功率智能型谐波和无功电流发生装置，其特征是，所述的控制电路包括：依次串联的谐波设置单元、调节监测单元和驱动电路单元，其中：谐波设置单元接收设置的谐波电流参考值，将该参考值与装置实际输出的谐波电流做差值送入调节监测单元，调节监测单元输出限幅后得到控制用参考电流，该参考电流经过驱动电路单元进行PWM调制后驱动逆变器生成所需的谐波电流并形成闭环控制系统保证输出谐波电流的稳定度和精度。