CN104852388B - 一种具有有源滤波功能的链式svg装置 - Google Patents

一种具有有源滤波功能的链式svg装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有有源滤波功能的链式SVG装置，包括控制单元、三台有源功率模块、若干台无源功率模块和一台并网变压器，链式SVG装置三相采用Y型或△型方式通过隔离变压器连接于电网。本发明链式SVG的有源滤波功能由综合补偿控制器中的谐波电流控制器产生含有对应谐波成分的调制波，通过有源功率模块输出含有对应谐波成分的电压来实现；无功补偿功能由综合补偿控制器中的无功电流控制器产生仅含有基波成分的调制波，通过所有功率模块串联输出的基波电压来实现。本发明在一套装置中同时具有无功补偿和有源滤波功能，解决了现有电能治理装置成本高、装置复杂和可靠性低的问题。

Description

一种具有有源滤波功能的链式SVG装置
技术领域
本发明涉及一种具有有源滤波功能的链式SVG装置，属于电能治理技术领域。
背景技术
在电力系统中，各种大容量的用电设备如轧钢机、电弧炉、提升机、电力机车等的广泛应用带来了电压波动、三相不平衡、功率因数低、电压谐波等一系列电能质量问题。尤其近些年大规模风电、光伏等新能源电力接入电网，对电力系统的电压稳定能力提出了挑战。在此背景下，无功补偿装置以及谐波补偿装置逐渐出现并迅速进入市场，对于解决电能质量问题，提高电力系统可靠性起到了积极作用。目前市场上的无功补偿装置以采用功率模块串联多电平技术的链式SVG为主，谐波补偿装置以采用电容器电抗器的无源滤波装置和采用电力电子器件的有源滤波装置APF为主。图1所示为链式SVG装置原理图，其优点是采用了功率模块串联的方式实现高压输出，解决了目前主流的功率器件耐压不足的问题，但是由于众多功率模块的直流母线电压需要平衡控制，控制器设计复杂，无法同时兼顾基波无功电流补偿和谐波电流补偿，因而目前链式SVG多不具备谐波补偿功能。图2所示为无源滤波器原理图，滤波支路繁多，滤波性能受电网系统参数影响较大。图3为有源滤波器APF装置原理图，APF装置采用全控型功率半导体器件，可以实现25次以内的电流谐波补偿功能，同时具有无功补偿功能，但受到功率半导体器件内压能力的限制，APF装置只能应用在380V系统中，无法直接接入10kV或更高电压等级电网，其容量受到限制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种可靠性高、能够同时补偿无功功率和谐波电流的一体化链式SVG装置。
为了解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：
一种具有有源滤波功能的链式SVG装置，包括控制单元、三台有源功率模块、若干台无源功率模块和一台并网变压器；
所述控制单元由检测回路、控制回路以及综合补偿控制器构成；所述检测回路由PT、CT信号变换元件和信号调理电路构成，检测链式SVG装置的电压、电流信号，并转换为数字量供综合补偿控制器读取；所述控制回路通过光纤与有源功率模块、无源功率模块连接通讯，完成功率模块控制信号的下达以及功率模块工作状态的上传；所述综合补偿控制器读取链式SVG装置的电压、电流数据，计算基波无功电流和谐波电流，并对输出电流和无源功率模块母线电压进行闭环控制；所述综合补偿控制器包括谐波电流控制器和无功电流控制器，所述谐波电流控制器通过控制回路与有源功率模块连接，所述谐波电流控制器产生含有对应谐波成分的调制波，并通过有源功率模块输出含有对应谐波成分的电压；所述无功电流控制器通过控制回路与无源功率模块连接，所述无功电流控制器产生仅含有基波无功成分的调制波，并通过所有无源功率模块串联输出基波无功电压；
所述有源功率模块作为一个链节串联在换流链中，进行谐波电流控制，每一相换流链串联一个有源功率模块；
所述若干台无源功率模块与有源功率模块一起串联在换流链中，进行基波无功电流控制，每一相换流链串联有相同数量的无源功率模块；
所述链式SVG装置三相换流链采用Y型或△型方式通过并网变压器连接于电网。
前述的并网变压器为隔离型变压器，至少包含一套低压绕组，与所述有源功率模块的整流桥输入端连接，为有源功率模块提供有功功率以保持直流母线电压稳定。
前述的并网变压器还包含一套中压绕组，与链式SVG装置的三相输出相连，起到电压变换的作用。
前述的当链式SVG装置电压与电网电压相匹配时，所述中压绕组用一组电抗器代替。
前述的有源功率模块主电路由整流桥、直流回路和逆变桥构成；所述整流桥接到隔离变压器的低压绕组；所述逆变桥输出与所述无源功率模块串联组成换流链。
前述的整流桥采用但不限于功率二极管构成；所述直流回路采用但不限于金属膜电容；所述逆变桥采用全控或半控型功率半导体器件构成单相两电平或多电平电路。
前述的无源功率模块主电路由直流回路和逆变桥构成，所述逆变桥输出与所述有源功率模块串联组成换流链。
前述的直流回路采用但不限于金属膜电容；所述逆变桥采用全控或半控型功率半导体器件构成单相两电平或多电平电路。
本发明的链式SVG装置可以实现无功功率和谐波电流的综合补偿，相比目前主流的链式SVG装置，实现谐波补偿时装置可靠性更高，同时装置的成本和空间占用增加很少，利于装置的市场化推广。
附图说明
图1为链式SVG装置原理图；
图2为无源滤波器原理图；
图3为有源滤波器APF原理图；
图4为本发明提供的具有有源滤波功能的链式SVG装置原理图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步描述：
如图4所示（图中仅画出A相电路，B、C相与A相结构相同），本发明的具有有源滤波功能的链式SVG装置，主要包括控制单元、三台有源功率模块、若干台无源功率模块和一台并网变压器。控制单元由检测回路、控制回路以及综合补偿控制器构成，其中，检测回路由PT、CT等信号变换元件和信号调理电路构成，检测链式SVG装置的电压、电流等信号，并转换为数字量供综合补偿控制器读取。控制回路通过光纤与有源功率模块、无源功率模块连接通讯，完成功率模块控制信号的下达以及功率模块工作状态的上传。综合补偿控制器读取链式SVG装置的电压电流数据，计算基波无功电流和谐波电流目标值，并对输出电流和无源功率模块母线电压进行闭环控制。有源功率模块作为一个链节串联在换流链中，进行谐波电流控制，每一相换流链串联一个有源功率模块。若干台无功功率模块与有源功率模块一起串联在换流链中，进行基波无功电流控制，每一相换流链串联有相同数量的无源功率模块。综合补偿控制器包括谐波电流控制器和无功电流控制器，谐波电流控制器通过控制回路与有源功率模块连接，链式SVG装置的有源滤波功能由谐波电流控制器产生含有对应谐波成分的调制波，再通过有源功率模块输出含有对应谐波成分的电压来实现；无功电流控制器通过控制回路与无源功率模块连接，链式SVG装置的无功补偿功能由无功电流控制器产生仅含有基波无功成分的调制波，通过所有功率模块串联输出的基波无功电压来实现。在不需要补偿谐波电流时，有源功率模块可作为无功补偿的冗余模块备用或仅作为无功功率输出用。链式SVG装置三相换流链采用Y型或△型方式通过并网变压器连接于电网，并网变压器起到电压变换、电流滤波以及为有源功率模块提供直流母线电压的作用。
本发明的有源功率模块主电路由整流桥、直流回路和逆变桥构成。整流桥接到隔离变压器的低压绕组T1，逆变桥输出与无源功率模块串联组成换流链。整流桥采用但不限于功率二极管构成，直流回路采用但不限于金属膜电容，逆变桥采用全控或半控型功率半导体器件构成单相两电平或多电平电路。有源功率模块的直流母线电压由整流桥控制，逆变桥在控制单元的控制下输出含有一定谐波成分的电压，从而实现谐波电流的跟踪控制。
本发明的无源功率模块主电路由直流回路和逆变桥构成。逆变桥输出与有源功率模块串联组成换流链，直流回路采用但不限于金属膜电容，逆变桥采用全控或半控型功率半导体器件构成单相两电平或多电平电路。无源功率模块在控制单元的控制下工作，向电网发出感性或容性无功功率，同时从电网吸收一定的有功功率以维持母线电压稳定。
本发明的并网变压器为隔离型变压器，起到两个作用：一是为有源功率模块提供有功功率，保持其直流母线电压稳定；二是连接链式SVG装置和电网，起到升压作用。并网变压器至少包含一套低压绕组，与有源功率模块的整流桥输入端连接，实现保持有源功率模块直流母线电压稳定的目的。并网变压器还可以有一套中压绕组，与链式SVG装置的三相输出相连，起到电压变换的作用。当链式SVG装置电压与电网电压相匹配时，中压绕组可以用一组电抗器代替。
本发明的具有有源滤波功能的链式SVG装置可以实现：信号采集、数据分析、脉冲计算和脉冲执行。具体实现步骤如下：
1. 如图4所示，链式SVG装置通过并网变压器连接到电源公共端PCC上，第一电流互感器CT1采集电网馈线或负载线路的电流信号iL，第二电流互感器CT2采集链式SVG装置的输出电流信号iC，第一电压互感器PT1采集电源公共端PCC的电压信号us。以上三组信号经过调理电路和模数转换电路转换为数字信号并被控制单元中的综合补偿控制器读取，供数据分析用。
2. 综合补偿控制器根据第一电流互感器CT1的电流信号iL和第一电压互感器PT1的电压信号us，计算出电网馈线或负载线路中的电流谐波成分iLh以及无功成分iLq。综合补偿控制器将第二电流互感器CT2的电流信号iC作为链式SVG装置的控制对象，采用FFT或瞬时无功理论分析其中的电流谐波成分和无功成分。
3. 根据步骤2中的数据分析结果，综合补偿控制器的谐波电流控制器针对电流谐波成分，利用PWM脉宽调制方式产生含有对应谐波成分的调制波脉冲信号PWM1，并将谐波控制脉冲信号PWM1通过光纤发送给有源功率模块M1。综合补偿控制器的无功电流控制器针对无功成分，利用PWM脉宽调制方式产生仅含有基波成分的调制波脉冲信号PWM2，并将无功控制脉冲信号PWM2通过光纤发送给无源功率模块M2。
4. 有源功率模块M1接收谐波控制脉冲信号PWM1，并以此信号控制有源功率模块中的功率器件工作，发出相应的电压波形u1, u1中包含基波分量u0和谐波分量uh；无源功率模块M2接收无功控制脉冲信号PWM2，并以此信号控制无源功率模块中的功率器件工作，发出相应的电压波形u2, u2中只包含基波无功成分。
5. 链式SVG装置出口电压为u3=u1+u2,则链式SVG装置输入电网的电流为i=（u3-us）/z，其中z为并网电抗器阻抗。由于u3中含有谐波分量uh,假设电网电压中谐波含量为零，则注入电网的第n次谐波电流为ihn=uhn/nωL，其中ω=2*pi*f(f为电网基波频率)，L为SVG装置并网电抗器感抗值。

Claims (8)

1.一种具有有源滤波功能的链式SVG装置，其特征在于，包括控制单元、三台有源功率模块、若干台无源功率模块和一台并网变压器；
所述控制单元由检测回路、控制回路以及综合补偿控制器构成；所述检测回路由PT、CT信号变换元件和信号调理电路构成，检测链式SVG装置的电压、电流信号，并转换为数字量供综合补偿控制器读取；所述控制回路通过光纤与有源功率模块、无源功率模块连接通讯，完成功率模块控制信号的下达以及功率模块工作状态的上传；所述综合补偿控制器读取链式SVG装置的电压、电流数据，计算基波无功电流和谐波电流，并对输出电流和无源功率模块母线电压进行闭环控制；所述综合补偿控制器包括谐波电流控制器和无功电流控制器，所述谐波电流控制器通过控制回路与有源功率模块连接，所述谐波电流控制器产生含有对应谐波成分的调制波，并通过有源功率模块输出含有对应谐波成分的电压；所述无功电流控制器通过控制回路与无源功率模块连接，所述无功电流控制器产生仅含有基波无功成分的调制波，并通过所有无源功率模块串联输出基波无功电压；
所述有源功率模块作为一个链节串联在换流链中，进行谐波电流控制，每一相换流链串联一个有源功率模块；
所述若干台无源功率模块与有源功率模块一起串联在换流链中，进行基波无功电流控制，每一相换流链串联有相同数量的无源功率模块；
所述链式SVG装置三相换流链采用Y型或△型方式通过并网变压器连接于电网。
2.根据权利要求1所述的一种具有有源滤波功能的链式SVG装置，其特征在于，所述并网变压器为隔离型变压器，至少包含一套低压绕组，与所述有源功率模块的整流桥输入端连接，为有源功率模块提供有功功率以保持直流母线电压稳定。
3.根据权利要求2所述的一种具有有源滤波功能的链式SVG装置，其特征在于，所述并网变压器还包含一套中压绕组，与链式SVG装置的三相输出相连，起到电压变换的作用。
4.根据权利要求3所述的一种具有有源滤波功能的链式SVG装置，其特征在于，当链式SVG装置电压与电网电压相匹配时，所述中压绕组用一组电抗器代替。
5.根据权利要求2所述的一种具有有源滤波功能的链式SVG装置，其特征在于，所述有源功率模块主电路由整流桥、直流回路和逆变桥构成；所述整流桥接到隔离变压器的低压绕组；所述逆变桥输出与所述无源功率模块串联组成换流链。
6.根据权利要求5所述的一种具有有源滤波功能的链式SVG装置，其特征在于，所述整流桥采用功率二极管构成；所述直流回路采用金属膜电容；所述逆变桥采用全控或半控型功率半导体器件构成单相两电平或多电平电路。
7.根据权利要求1所述的一种具有有源滤波功能的链式SVG装置，其特征在于，所述无源功率模块主电路由直流回路和逆变桥构成，所述逆变桥输出与所述有源功率模块串联组成换流链。
8.根据权利要求7所述的一种具有有源滤波功能的链式SVG装置，其特征在于，所述直流回路采用金属膜电容；所述逆变桥采用全控或半控型功率半导体器件构成单相两电平或多电平电路。
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