CN103384119A - 静止无功发生器单元模块的交流侧取能装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静止无功发生器单元模块的交流侧取能装置及方法，该装置包括：取能变压器，其一次侧耦接于所述静止无功发生器单元模块的交流侧，对所述交流侧的交流电进行降压；电源转换模块，其耦接于所述取能变压器的二次侧，将降压后的交流电转换成所述静止无功发生器单元模块所需的控制电。根据本发明的交流侧取能装置，能够使得各个单元模块独立取能，即使有1个或几个单元模块的模块取能出现故障，也不会影响其他模块的取能结果。本发明装置仅包含一个取能变压器和一个电源转换模块，就能为单元模块提供所需的控制电，结构简单，体积小，可靠性高。

Description

静止无功发生器单元模块的交流侧取能装置及方法

技术领域

本发明涉及电子电力技术领域，尤其涉及一种静止无功发生器单元模块的交流侧取能装置及方法。

背景技术

近年来，随着电力系统电能治理问题的关注度增加，传统的相关关键设备晶闸管控制电抗器（Thyristor Controlled Reactor，简称TCR）已不能满足很多现场的需要。静止无功发生器（Static Var Generator，简称SVG）因其调节速度快、运行范围宽、谐波含量少、体积小等诸多优点，得到了越来越广泛的应用。

SVG是一种瞬时无功功率补偿装置，其基本原理是设备并联到电网（或者通过电抗器与电网并联）后通过调节单元模块交流侧输出电压的相位、幅值或者直接调节其交流侧电流，使桥式电路吸收或者发出符合要求的无功功率，从而达到动态无功补偿的目的。

受电力电子开关器件的限制，对于高压、大容量的无功补偿场合，SVG通常需要开关器件的串联、并联来实现高压输出。SVG主电路图如图1所示，每相由N（N>1）个具有相同结构的单元模块（图中虚线框所示）构成。每个单元模块包含支撑电容、开关器件和相关的取能、控制、保护电路等。单元模块控制、保护所需的电能取自SVG模块内部，其取能方式按照取能位置的不同大致可分为两大类：直流侧取能和交流侧取能。直流侧取能，顾名思义所取的能量来自于单元模块的直流侧，其原理是这样的：将支撑电容两端的直流电压通过DC/DC变换转换为模块单元需要的控制电。对于交流侧取能方式，其能量取自于单元模块的交流侧，即取自于单元模块的输出。常规的取能方式因其电能是高压，因此对后续电源转换装置的设计要求较高，但是稳定性较差。

就目前所公开的专利来看，既有交流侧取能的方式也有直流侧取能的方式，具体文献如下：

文献一是公开号为CN102624102A的发明专利申请《一种用于链式SVG模块的供电电路及其供电方法》。该申请包括交流恒流控制电源和若干电流感应接收电路，其中交流恒流控制电源包括半控整流桥、电感、直流电容和移相调压逆变桥。该方案是利用电流互感器的二次电为SVG提供控制电，其中的关键设备是交流恒流控制电源，若其失效，则SVG所有的取能互感器均失去电源，存在一定的风险。

文献二是公开号为CN102882393A的发明专利申请《一种静止无功发生器变流器阀用取能装置》。该申请利用高频恒流电流源将交流380V的电源转换成为高频恒流电流，串接在高频恒流电流源输出高压电缆上的电流互感器利用该电流感应出二次侧电流，为设备提供电源。与文献一相似，该方案的高频恒流电源是其中的关键，若其失效，则SVG所有的取能互感器均失去电源，存在一定的风险。

文献三是公开号为CN102931664A的发明专利申请《一种链式SVG装置低压供电系统》。该申请提出了一种由中频恒流电源、中频隔离变压器、SVG功率单元和SVG功率单元控制盒构成的系统。其取能装置不足之处在于太过复杂。

文献四是公开号为CN202749820U的实用新型专利申请《基于H桥级联型SVG功率单元电路》。该专利中的电路包含电连接的H桥逆变电路、供电电路、放电电路、旁路电路以及控制器。若干个电容串联后并联在直流母线两端，DC/DC变换器将其中一个电容两端的电压转换为控制电。这种取能方式虽然使DC/DC变换器输入侧的电压得到大幅降低，但由于需要大量的电阻和电容，增大了设备的体积、降低了设备的可靠性、增加了成本。

综上所述，现有的SVG取能方式大致有以下几种：

1）将交流电通过相关的转换输入至电流互感器的一次侧，电流互感器的二次侧为设备供电，如文献一、二、三。此类方式的转换电路复杂，而且转换电路一旦失效，设备所有模块单元的供电都将失效，应用方面存在一定的失效风险。

2）支撑电容两端并联若干取能电容，将其中一个取能电容两端的电压引出作为控制电，如文献四。此类方式可以做到各个单元模块的取能是独立的，但需要大量的电阻和电容，在成本、可靠性、体积等方面存在一定的局限性。

3）直接从支撑电容两端取能。这种方式由于取能端的电压为高压直流电压，对取能装置上元器件的耐压等级、装置表面的绝缘处理等方面都有很高的要求。考虑到SVG现场应用时电压波动较大，取能装置的电压工作范围也要取的很宽，对设计的要求较高。

因此，如何解决上述问题，既能实现将静止无功发生器（SVG）单元模块的电能转换为模块工作需要的控制电，又能解决常规直流侧取能方式易造成的取能装置被高压烧坏的问题和常规交流侧取能方式存在的风险，同时解决模块交流侧电压波动对输出控制电影响的问题，乃业界所致力的课题之一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是需要提供一种静止无功发生器单元模块的交流侧取能装置，该装置既能实现将静止无功发生器（SVG）单元模块的电能转换为模块工作需要的控制电，又能解决常规直流侧取能方式易造成的取能装置被高压烧坏的问题和常规交流侧取能方式存在的风险。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种静止无功发生器单元模块的交流侧取能装置，包括：取能变压器，其一次侧耦接于所述静止无功发生器单元模块的交流侧，对所述交流侧的交流电进行降压；电源转换模块，其耦接于所述取能变压器的二次侧，将降压后的交流电转换成所述静止无功发生器单元模块所需的控制电。

在一个实施例中，所述取能变压器为兼顾正弦波和脉冲宽度调制波的降压变压器。

在一个实施例中，所述电源转换模块包括：整流器，其将所述降压后的交流电整流为第一直流电；直流储能器，其耦接于所述整流器，对所述第一直流电进行直流储能以转换为第二直流电；滤波器，其耦接于所述直流储能器，对所述第二直流电进行滤波处理；DC/DC转换器，其耦接于所述滤波器，将经滤波处理后的第二直流电转换成所述静止无功发生器单元模块所需的控制电。

在一个实施例中，所述滤波器由保险管、前级滤波电容、共模电感、后级滤波电容和稳压二极管组成。

在一个实施例中，所述静止无功发生器单元模块包括一支撑电容和四个开关器件，其中每个开关器件包括一绝缘栅双极型晶体管和一续流二极管。

根据本发明的另一方面，还提供了一种静止无功发生器单元模块的交流侧取能方法，包括：降压步骤，对所述静止无功发生器单元模块的交流侧的交流电进行降压；转换步骤，将降压后的交流电转换成所述静止无功发生器单元模块所需的控制电。

在一个实施例中，在所述转换步骤中，进一步包括：将所述降压后的交流电整流为第一直流电；对所述第一直流电进行直流储能以转换为第二直流电；对所述第二直流电进行滤波处理；将经滤波处理后的第二直流电转换成所述静止无功发生器单元模块所需的控制电。

与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：

根据本发明的交流侧取能装置，能够使得各个单元模块独立取能，即使有1个或几个单元模块的模块取能出现故障，也不会影响其他模块的取能结果。本发明装置仅包含一个取能变压器和一个电源转换模块，就能为单元模块提供所需的控制电，结构简单，体积小，可靠性高。由于取能变压器为降压变压器，其能将交流侧的高压大幅降低，对其电压波动也能做到显著减少，对取能端电压变化适应性强。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是SVG主电路图；

图2是根据本发明一实施例的静止无功发生器单元模块的交流侧取能装置的结构示意图；

图3是如图2所示交流侧取能装置的电源转换模块U1的结构示意图；

图4是如图3所示的电源转换模块U1中的滤波器33的电路图；

图5是适用于本发明实施例的另一静止无功发生器单元模块的拓扑结构示例图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明作进一步地详细说明。

在本申请中，用语“单元模块”还可以称为“功率单元模块”或“H桥模块”，其是静止无功发生器的重要组成部分，通过调节其交流侧输出电压的相位、幅值或者直接调节其交流侧电流，使桥式电路吸收或者发出符合要求的无功功率，从而达到动态无功补偿的目的。在本申请中，统称为“单元模块”。

在对SVG进行取能时，需要将该装置安装在各个单元模块的交流侧来执行。图2是根据本发明一实施例的静止无功发生器单元模块的交流侧取能装置的结构示意图，下面参考图2来详细说明各装置的各个组成部分和功能。

如图2所示，该装置主要包括取能变压器T1和与T1耦接的电源转换模块U1。取能变压器T1的一次侧耦接于静止无功发生器单元模块的交流侧，电源转换模块U1耦接于取能变压器T1的二次侧。该装置的基本工作原理是：取能变压器T1将单元模块交流侧的交流电进行降压，电源转换模块U1将降压后的交流电转换成为单元模块控制、保护需要的控制电。需要说明的是图2中单元模块由支撑电容C1和开关器件（由一IGBT和一续流二极管组成）VT1-VT4构成，然而本发明不仅可以应用于这种拓扑结构的单元模块，也可应用于所有其它拓扑结构的SVG的单元模块，例如，如图5所示的单元模块。

优选地，取能变压器T1为兼顾正弦波和脉冲宽度调制波（简称PWM波）的降压变压器。这是因为当开关器件动作时，单元模块输出的是PWM波；当开关器件未动作时，单元模块输出的是50Hz的正弦波。

需要说明的是，由于取能变压器T1为降压变压器，其一次侧如果有较大波动时，经降压后可大幅减小对后续电源转换模块U1的影响。以取能变压器T1一次侧、二次侧额定电压分别为600V、30V为例，一次侧有波动时，二次侧的波动被削弱为1/20（即30V/600V）。

另外，变压器相对于一般器件具有较强的瞬时过压承受能力，能承受其输入侧较大的波动。这样能够解决单元模块交流侧电压波动对输出控制电影响的问题。

而且，变压器能起到一定程度的滤波作用，可简化后续电源转换模块U1滤波电路的设计。且变压器性能稳定，使整个系统的可靠性得到保证。

下面，请参考图3，图3是电源转换模块U1的结构示意图。该电源转换模块U1包括整流器31、直流储能器32、滤波器33和DC/DC转换器34。

整流器31，其将经取能变压器T1降压后的交流电整流为第一直流电。耦接于整流器31的直流储能器32，对第一直流电进行直流储能以转换为第二直流电。耦接于直流储能器32的滤波器33，对第二直流电进行滤波处理。DC/DC转换器34，其耦接于滤波器33，将经滤波处理后的第二直流电转换成静止无功发生器单元模块所需的控制电。经过上述转换，可以得到单元模块需要的+3.3V，+5V或±15V等电压等级的控制电。

由于电源转换模块U1是低压输入，因此无论是产品设计还是价格都能控制在允许的范围内。

需要说明的是，由于变压器具有一定的滤波功能，可简化后续电源转换模块U1的滤波电路设计，因此滤波器33可以设计为如图4所示，该滤波器33由保险管F1、前级滤波电容C2、共模电感L1、后级滤波电容C3以及稳压二极管V1组成。

综上所述，本发明提出了一种结构简单、可靠性高、价格便宜的交流侧取能装置，该取能装置仅由取能变压器和电源转换模块构成。在进行取能操作时，由于每个单元模块拥有独立的取能装置，因此即使有一个模块的取能装置损坏，也不会影响其它单元模块的取能。并且，本发明使用取能变压器做前级的电压处理，承受瞬时过压的能力较强，电压适应性强。取能变压器将单元模块交流侧的高压转换成低压，可减小取能变压器一次侧电压波动对供电的减小。而且，做了两级的滤波处理（取能变压器和电源转换模块均能滤波），使得得到更加纯净的控制电。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (7)

1.一种静止无功发生器单元模块的交流侧取能装置，包括：

取能变压器，其一次侧耦接于所述静止无功发生器单元模块的交流侧，对所述交流侧的交流电进行降压；

电源转换模块，其耦接于所述取能变压器的二次侧，将降压后的交流电转换成所述静止无功发生器单元模块所需的控制电。

2.根据权利要求1所述的交流侧取能装置，其特征在于，

所述取能变压器为兼顾正弦波和脉冲宽度调制波的降压变压器。

3.根据权利要求1或2所述的交流侧取能装置，其特征在于，所述电源转换模块包括：

整流器，其将所述降压后的交流电整流为第一直流电；

直流储能器，其耦接于所述整流器，对所述第一直流电进行直流储能以转换为第二直流电；

滤波器，其耦接于所述直流储能器，对所述第二直流电进行滤波处理；

DC/DC转换器，其耦接于所述滤波器，将经滤波处理后的第二直流电转换成所述静止无功发生器单元模块所需的控制电。

4.根据权利要求3所示的交流侧取能装置，其特征在于，所述滤波器由保险管、前级滤波电容、共模电感、后级滤波电容和稳压二极管组成。

5.根据权利要求1所述的交流侧取能装置，其特征在于，所述静止无功发生器单元模块包括一支撑电容和四个开关器件，其中每个开关器件包括一绝缘栅双极型晶体管和一续流二极管。

6.一种静止无功发生器单元模块的交流侧取能方法，包括：

降压步骤，对所述静止无功发生器单元模块的交流侧的交流电进行降压；

转换步骤，将降压后的交流电转换成所述静止无功发生器单元模块所需的控制电。

7.根据权利要求6所述的交流侧取能方法，其特征在于，在所述转换步骤中，进一步包括：

将所述降压后的交流电整流为第一直流电；

对所述第一直流电进行直流储能以转换为第二直流电；

对所述第二直流电进行滤波处理；

将经滤波处理后的第二直流电转换成所述静止无功发生器单元模块所需的控制电。

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