CN105490286A - 一种基于h桥级联的电容器组柔性投切装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电容器组柔性投切装置，包括电容器组（4），所述电容器组（4）与三相电网（3）之间通过柔性投切开关（1）连接；所述柔性投切开关（1）采用三相级联H桥拓扑结构，所述三相级联H桥拓扑结构中的每相为若干采用H桥拓扑结构的变流子模块（7）相互串联形成，并分别与所述三相电网（3）中的一相连接；所述变流子模块（7）连接有用于调整所述变流子模块（7）输出端电压的调制信号。本发明的基于H桥级联的电容器组柔性投切装置可实现无功电容器组的柔性投切，对电容器本身及电网接入点处的冲击小，延长了设备的使用寿命，降低设备故障率。实现无功无级调节及传统无功补偿电容器组工作稳定可靠等优点。

Description

一种基于H桥级联的电容器组柔性投切装置

技术领域

本发明涉及一种用于改善变电站电容器组投切方式的基于H桥级联的电容器组柔性投切装置。

背景技术

目前变电站无功补偿采用断路器对电容器分组投切存在如下问题：1、从节省变电站土建和减少设备投入角度，希望电容器组组数少，单组容量大；2、目前变电站电容器组进行投退时，由于单组容量大，当变电站电容器组进行投退时，不仅带来电压波动问题，还经常导致功率因数偏低，影响力率考核指标，多个地市公司变电站力率考核经常不达标。可见研究大容量电容器组柔性投切显得极为迫切。

随着现代电力电子技术在电气传动领域的广泛应用，相控技术、脉宽调制等技术被引入到电力系统，与传统电力系统控制技术相结合，产生了近几年出现的新技术—柔性交流输电系统（FACTS），其本质就是将高压大功率的电力电子技术应用于电力系统中，以增强对电力系统的控制能力，提高原有电力系统的输电能力及稳定性。

研究大容量电容器柔性投切技术，为变电站简化设备、优化场地布置和精确无功补偿提供一种新颖的解决方案，就是主要研究出一种新的结合柔性交流输电技术的电容器投切方式，从而在电容补偿容量、减小投切过程的母线电压波动等技术指标上达到甚至优于国标。

发明内容

技术问题：本发明提供一种基于H桥级联的电容器组柔性投切装置，其目的是改善变电站电容器组投切方式，节省变电站土建和减少设备投入，实现无功补偿容量的无极调节，减小投切过程的母线电压波动，同时提高了负载的功率因数，降低企业的生产成本，实现节能减排的目的。

技术方案：本发明的技术方案如下：

一种基于H桥级联的电容器组柔性投切装置，包括电容器组，所述电容器组为三相星形连接的电容器组；所述电容器组与三相电网之间通过柔性投切开关连接；所述柔性投切开关采用三相级联H桥拓扑结构，所述三相级联H桥拓扑结构中的每相为若干采用H桥拓扑结构的变流子模块相互串联形成，并分别与所述三相电网中的一相连接；所述柔性投切开关的三相出线分别与电容器组的三相相连；所述变流子模块连接有用于调整所述变流子模块输出端电压的调制信号。

所述变流子模块由两组绝缘栅双极型晶体管并联之后再与电容器并联组成；每组所述全控型开关器件绝缘栅双极型晶体管由两个绝缘栅双极型晶体管串联形成；每个所述绝缘栅双极型晶体管均反并联一个二极管。

所述调制信号的方法采用PWM调制方法。

所述柔性投切开关与所述三相电网之间依次串联有软启动开关和电抗器；所述软启动开关为电阻串联继电器之后再与继电器并联而成；所述电抗器为电感元件。

有益效果：本发明的基于H桥级联的电容器组柔性投切装置可实现无功电容器组的柔性投切，对电容器本身及电网接入点处的冲击小，延长了设备的使用寿命，降低设备故障率。较之传统的晶闸管投切电容器装置，H桥级联柔性开关型无功补偿电容器用高集成度的功率开关模块代替大容量机械开关，可极大地减小设备整体体积和占地面积，从而降低设计及生产成本。在实现无功补偿功能时，兼具了目前SVG动态响应快、无功可无级调节及传统无功补偿电容器组工作稳定可靠等优点。整个装置为级联多电平拓扑结构，其交流输出电压谐波含量低，保证了整个无功补偿回路的电流谐波畸变率较低，工作时噪音小。相比于传统的无功补偿装置，补偿容量较大时它的成本更低，工程人员在现场安装也更加方便。

附图说明

图1是本发明基于H桥级联的电容器组柔性投切装置结构示意图。

图2为本发明中柔性投切开关结构示意图。

图3为本发明中柔性投切开关的变流子模块结构示意图。

图中：1.柔性投切开关，2电抗器，3.三相电网，4.普通电容器组，5.软启动开关，6.电网负载，7.变流子模块，8.绝缘栅双极型晶体管，9.电容器，10.二极管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

图1是本发明基于H桥级联的电容器组柔性投切装置结构示意图。如图1所示，本发明的基于H桥级联的电容器组柔性投切装置包括柔性投切开关1、电抗器2、软启动开关5和普通电容器组4。三相电网3连接电网负载6，柔性投切开关1通过三相进线与三相电网3相连。电容器组4中为三个星形连接的电容器，柔性投切开关1的三相出线分别与三个电容器相连。在本发明中，电容器组4中每组的电容器为1个，但本发明并不止于此，电容器组4中每组电容器的数量可根据电容器组4单组容量大小确定。三相电网3的每一相分别依次连接有软启动开关5和电抗器2，电抗器2再与柔性投切开关1相连。其中，软启动开关5用于减小装置启动时的电流突变，为电阻串联继电器再与继电器并联而成。在接收到启动指令后，装置启动瞬间，软启动开关5连通电阻，限制启动电流的大小；当达到一定时间后，连通与电阻并联的一继电器，将此电阻旁路，以实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸，起到保护装置电路的作用。电抗器是一电感元件，用于减小输出电压的毛刺，起到滤波的作用。

图2为本发明中柔性投切开关结构示意图。如图2所示，本发明的柔性投切开关1采用三相H桥级联桥拓扑结构，三相级联H桥拓扑结构中的每相为三个变流子模块7相互串联形成，之后每相分别通过电抗器2与三相电网3中的一相连接。

图3为本发明中柔性投切开关的变流子模块结构示意图。如图3所示，柔性投切开关1中的变流子模块7为H桥拓扑结构，由两组全控型开关器件绝缘栅双极型晶体管并联之后再与电容器9并联组成。每组全控型开关器件绝缘栅双极型晶体管由两个全控型开关器件绝缘栅双极型晶体管8串联形成。

绝缘栅双极型晶体管8的基极经驱动电路与控制模块连接（图中未示出），控制模块用于调制电流产生开关控制信号。开关控制信号为调制后的经过驱动电路驱动的信号，实现开关器件的通断。驱动电路的作用是改变控制模块输出的控制信号的电压电流水平，使其达到控制IGBT的要求。在正常工作状态下，变流子模块7之间保持有一个相对不变的正向电压（正向电压由电容器9维持，防止变流子模块7直流侧电压出现较大波动，影响变流子模块7交流侧电压输出性能。）。当变流子模块7正向导通时，电流流经变流子模块7的H桥拓扑结构中左上角与右下角的绝缘栅双极型晶体管8；反向导通时，电流流经变流子模块7的H桥拓扑结构中左下角与右上角的绝缘栅双极型晶体管8。以正向导通变换为反向导通的电流流向变换的瞬间为例，此时左下角与右上角的绝缘栅双极型晶体管8还没有正常工作，电流流向不可能瞬间反相，这时需要左下角与右上角的绝缘栅双极型晶体管8反并联的二极管10提供正向残余电流的导通回路，起续流作用。当正向电流为零，左下角与右上角的绝缘栅双极型晶体管8达到导通条件后，此时形成反相电流回路；此时所有二极管承受的均为反相电压，不会导通。

基于H桥级联的电容器组柔性投切装置，运用H桥（HBridge）模块化多电平变流技术。工作时，在无功补偿电容器组与电网之间串联H桥级联柔性开关，通过改变该H桥级联的柔性投切开关1的输出电压大小，来改变无功补偿电容器组两端电压大小，而电容器的容抗大小仅与电网角频率相关，不会跟随接入端的电压变化，因此电容器组的输出无功电流大小便可实现无级调节，即实现了无功补偿电容器组的柔性投切。所以，将H桥级联并加以PWM控制，可实现控制级联H桥结构输出的电压大小和波形。

当H桥级联的柔性投切开关1两端电压减小时，普通电容器组4两端电压增大，其无功电流也相应增大，相当于电容器组4投入运行；当H桥级联的柔性投切开关1两端电压增大时，普通电容器组4两端电压减小，其无功电流也相应减小，相当于电容器组4退出运行。因此可知，通过H桥级联柔性开关1电路输出电压的无极柔性调节，可间接控制无功补偿电容器组4两端的电压，从而实现电容电流大小可控，即实现了无功补偿电容器组的柔性投切功能。

H桥级联的柔性投切开关1的控制装置根据电容器组实际需要补偿的容性无功功率的大小，计算出需要的无功电流大小，将此电流与实际的无功电流（即流过本装置的电流）作差，得到装置指令电流，利用PWM调制方法产生PWM波，该PWM波控制每个变流子模块7中绝缘栅双极型晶体管8的通断，来控制流入电网中的实际无功电流大小，进而改变该柔性投切开关在整个电路中的分压，达到改变无功补偿电容器组两端电压的目的，最终实现无功补偿电容器组的柔性投切。在本发明中，对电流的调制可以但不局限于PWM调制方法。

本发明的基于H桥级联的电容器组柔性投切装置能够适用于大部分的传统电容器组改造及新建变电站的无功补偿解决方案，对电网的电能质量要求比较高的地区，该电容器组柔性投切装置比较明显，解决了常见的普通电容器组带来的电压波动及功率因数偏低等问题，提高了电网的功率因数，改善电网污染，保证了电能的质量。同时对整个柔性投切装置进行模块化制作和调试，可根据变电站的实际电容器容量和无功需求进行调整和扩充，在不替换传统电容器的情况下，极大地缩短了电容器组改造的时间，降低了造价和空间成本。同时，从原理角度出发，与其他投切方式不同的是，柔性投切装置两端的电压与输出无功功率的大小成反比，柔性投切装置各器件所需的耐压值更低，成本更少。相比于传统投切方式，模块化的柔性投切装置所需空间更小，可整合至一个开关柜内。

本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。

Claims (4)

1.一种基于H桥级联的电容器组柔性投切装置，包括电容器组（4），所述电容器组（4）为三相星形连接的电容器组；其特征在于，所述电容器组（4）与三相电网（3）之间通过柔性投切开关（1）连接；所述柔性投切开关（1）采用三相级联H桥拓扑结构，所述三相级联H桥拓扑结构中的每相为若干采用H桥拓扑结构的变流子模块（7）相互串联形成，并分别与所述三相电网（3）中的一相连接；所述柔性投切开关（1）的三相出线分别与电容器组的三相相连；所述变流子模块（7）连接有用于调整所述变流子模块（7）输出端电压的调制信号。

2.根据权利要求1所述的电容器组柔性投切装置，其特征在于，所述变流子模块（7）由两组绝缘栅双极型晶体管并联之后再与电容器（9）并联组成；每组所述全控型开关器件绝缘栅双极型晶体管由两个绝缘栅双极型晶体管（8）串联形成；每个所述绝缘栅双极型晶体管（8）均反并联一个二极管（10）。

3.根据权利要求1所述的电容器组柔性投切装置，其特征在于，所述调制信号的方法采用PWM调制方法。

4.根据权利要求1所述的电容器组柔性投切装置，其特征在于，所述柔性投切开关（1）与所述三相电网（3）之间依次串联有软启动开关（5）和电抗器（2）；所述软启动开关（5）为电阻串联继电器之后再与继电器并联而成；所述电抗器（2）为电感元件。