CN105811428A - 一种静止无功补偿发生器 - Google Patents

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胡丽娟
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China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
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Abstract

本发明涉及一种静止无功补偿发生器，包括依次连接的无功电流检测单元、控制系统、碳化硅金属氧化物场效应晶体管桥式电路，所述控制系统与远程监控装置连接。本发明所述的优越效果在于：采用碳化硅金属氧化物场效应晶体管作为全桥电路的功率器件，耐压高、通态电阻低、漏电流小、开关速度高、电流密度高、耐高温；利用碳化硅金属氧化物场效应晶体管半导体器件的高效化和高频化能有效提高静止无功补偿发生器整体系统的稳定性和响应速度，提高了功率密度，降低了研发成本、生产成本和运输成本；同时使得静止无功补偿发生器的结构能够得到有效简化，减小了系统的体积；在应用于电力系统中有效提升了电能质量。

Description

一种静止无功补偿发生器
技术领域
本发明涉及电力电子设备制造技术领域，具体涉及一种静止无功补偿发生器，尤其是涉及一种采用碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管作为开关器件的静止无功补偿发生器。
背景技术
伴随交流电力系统容量的扩大，电压等级的提高和输电距离的增加，以及随着全世界对能源、环保问题的重视，人们对电能质量的要求越来越高。
在电力系统中，无功功率是影响电压稳定的重要因素之一，无功功率会增加电能损耗、影响电能质量，为了保证电力系统的安全稳定、经济运行，无功补偿装置被广泛应用，用以提高电网功率因数、减少无功输送、提高电能源利用率、节能降耗、改善电能质量。由于无功功率的补偿技术是改善电能质量的重要手段之一。为此，近几年来中国无功补偿技术和配套设备也得到了快速的发展。
目前，市场上应用最多的是静止无功补偿器(SVC)和静止无功补偿发生器(SVG/STATCOM)。静止无功补偿器主要分为晶闸管控制电抗器TCR型、磁控电抗器MCR型和晶闸管投切电容器TSC型，具有响应快速，控制灵活，价格适中等特点，是目前应用最广泛的无功补偿装置。但现有的静止无功补偿发生器存在以下缺点：当电压水平过于低下，急需无功补偿时，补偿器的输出反而会减少，致使补偿效果产生较大的影响；其次工作时会产生较大的谐波，对电力系统造成污染。另外，由于开关器件的不可控，其调节质量相对减弱，动态性能难以提高。而静止无功补偿发生器在其直流侧只需较小容量的电容器维持其电压即可，通过不同控制使其发出无功功率也能吸收无功功率，在构成原理、响应速度、补偿特性、双向调节以及占地面积上均比静止无功补偿器优越。
但是，在传统的静止无功补偿发生器的全桥电路中均采用硅基IGBT作为其功率元件，而硅基半导体元件有两大弊端：一是其开关损耗较高，效率受到限制，目前典型的20kW无功发生器最高效率局限在98.6％以下；二是开关频率受到损耗的限制，一般频率在20kHz以内，输出滤波电感由于低频化的限制，尺寸较大，限制了功率密度的进一步提升。
目前，基于碳化硅(SiC)金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)发展迅速，正逐步应用于新能源大功率变换应用领域。尤其是1200V碳化硅金属氧化物场效应晶体管与传统的硅基IGBT相比具有极低开关和导通损耗、高可靠性、高耐压、高雪崩击穿能力等特点，为电力电子变换器系统的小型化、简洁化、轻型化、高效化带来可能。碳化硅是第三代半导体材料的典型代表，它具有宽带隙、高饱和漂移速度、高热导率、高临界击穿电场等突出优势，特别适合制作大功率功率器件，而利用碳化硅材料实现的功率半导体器件目前正带领电力电子应用领域实现一场“绿色新能源革命”；并且，碳化硅肖特基势垒二极管(SBD)已发展近十五年，已经广泛用在高效电力电子系统设计中。
发明内容
为了克服现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提出一种静止无功补偿发生器。
本发明是通过以下技术方案来实现的：一种静止无功补偿发生器，包括依次连接的无功电流检测单元、控制系统、碳化硅金属氧化物场效应晶体管桥式电路，所述控制系统与远程监控装置连接；其中，
所述无功电流检测单元用于采集电网的电压信号和电流信号、用于采集静止无功补偿发生器输出的电压信号和电流信号，以及采用瞬时功率p-q方法得出无功电流，所述的无功电流作为无功电流检测单元输出的指令电流，通过控制系统计算后得到调制信号，并将调制信号传输至碳化硅金属氧化物场效应晶体管桥式电路，进而控制逆变桥输出相应的无功电流，由于所述碳化硅金属氧化物场效应晶体管桥式电路的交流输出端连接于电网与负载之间，从而使静止无功补偿发生器产生的无功电流传输至电网及负载，实现无功补偿；所述远程监控装置实现控制系统与远程控制中心的信号交互。
本发明优选为，所述无功电流检测单元通过电压互感器采集电网与静止无功补偿发生器的电压信号，以及通过电流互感器采集电网与静止无功补偿发生器的电流信号。
本发明优选为，所述控制系统采用电压环和功率环的双闭环控制算法。
本发明优选为，所述碳化硅金属氧化物场效应晶体管桥式电路为三相电压型桥式电路。
本发明优选为，所述碳化硅金属氧化物场效应晶体管桥式电路包括若干碳化硅金属氧化物场效应晶体管，及并联在每个碳化硅金属氧化物场效应晶体管两端的二极管。
进一步地，所述碳化硅金属氧化物场效应晶体管的数量为六个。
本发明优选为，所述远程监控装置包括相互连接的监控界面屏与操作界面屏。
与现有技术相比，本发明所述的优越效果在于：
(1)采用碳化硅金属氧化物场效应晶体管作为全桥电路的功率器件，耐压高、通态电阻低、漏电流小、开关速度高、电流密度高、耐高温。
(2)利用碳化硅金属氧化物场效应晶体管半导体器件的高效化和高频化能有效提高静止无功补偿发生器整体系统的稳定性和响应速度，提高了功率密度，降低了研发成本、生产成本和运输成本；同时使得静止无功补偿发生器的结构能够得到有效简化，减小了系统的体积；在应用于电力系统中有效提升了电能质量。另外，在风能太阳能等洁净、再生能源并网方面，无变压器静止无功补偿发生器结构将会得到大力推广和应用。
附图说明
图1为所述静止无功补偿发生器原理框图；
图2为图1中所述碳化硅金属氧化物场效应晶体管桥式电路原理框图；
图3为图1中所述无功电流检测单元与控制系统原理框图。
具体实施方式
以下，结合附图，对本发明的具体实施方式进行进一步说明。
如图1所示，本发明所述一种静止无功补偿发生器，包括依次连接的无功电流检测单元、控制系统、碳化硅金属氧化物场效应晶体管桥式电路，所述控制系统与远程监控装置连接。
其中，所述无功电流检测单元用于采集电网的电压信号和电流信号、用于采集静止无功补偿发生器输出的电压信号和电流信号，以及采用瞬时功率p-q方法得出无功电流，所述的无功电流作为无功电流检测单元输出的指令电流，通过控制系统采用电压环和功率环的双闭环控制算法计算后得到调制信号，并将调制信号传输至碳化硅金属氧化物场效应晶体管桥式电路，进而控制逆变桥输出相应的无功电流，由于所述碳化硅金属氧化物场效应晶体管桥式电路的交流输出端连接于电网与负载之间，从而使静止无功补偿发生器产生的无功电流传输至电网及负载，实现无功补偿；所述远程监控装置实现控制系统与远程控制中心的信号交互。
在本实施例中，所述远程监控装置包括相互连接的监控界面屏与操作界面屏，所述远程监控装置为现有设备，所述远程监控装置作为信号中转站，将控制系统的运行信号发送至远程监控中心，同时接受远程监控中心的指令，并将所述指令传送至控制系统。所述的监控界面屏、操作界面屏为现有设备。
在本实施例中，所述无功电流检测单元通过电压互感器(PT)采集电网与静止无功补偿发生器的电压信号，以及通过电流互感器(CT)采集电网与静止无功补偿发生器的电流信号。
在本实施例中，所述碳化硅金属氧化物场效应晶体管桥式电路包括6个碳化硅金属氧化物场效应晶体管，分别为VS1-VS6，及并联在每个碳化硅金属氧化物场效应晶体管两端的二极管组成三相电压型桥式电路。如图2所示，其中VS1与VS2串联、VS3与VS4串联、VS5与VS6串联，同时与储能电热C并联，且每个碳化硅金属氧化物场效应晶体管的两端并联一个二极管，以及在VS1与VS2之间通过滤波电抗器L1输出，在VS3与VS4之间通过滤波电抗器L2输出，在VS5与VS6之间通过滤波电抗器L3输出。所述碳化硅金属氧化物场效应晶体管桥式电路的交流输出端通过上述滤波电抗器L1、L2、L3连接于电网与负载之间，进而补偿电网所需的无功电流。
本发明提取负载无功电流采用瞬时功率p-q方法计算，利用谐波提取原理瞬时无功电流检测单元的检测过程如图3所示，具体包括：
三相电压经过CLARKE变换到两相静止坐标系得到eα和eβ，三相负载电流经过CLARKE变换到两相静止坐标系得到iLα和iLβ。
在两相静止坐标系下，经过p-q变换得到负载的有功功率p和无功功率q。
所述负载的无功功率q作为静止无功补偿发生器的指令传输至控制系统进行相应控制。所述静止无功补偿发生器的控制系统采用电压环和功率环的双闭环控制算法计算后得到调制信号，控制系统的计算方法如图3所示。
电压外环控制直流母线电压，为静止无功补偿发生器提供稳定的直流电压支撑。直流电压指令Udref减去直流反馈电压Udf得到误差，误差经过PI控制后得到有功功率指令pref。所述静止无功补偿发生器的输出电流和电网电压经过瞬时功率p-q变换后能得到实时反馈的有功功率pf和反馈无功功率qf。有功功率指令pref减去反馈功率pf后经过PI计算得到有功控制量p，无功功率指令qref减去反馈无功功率qf后经过PI计算得到无功控制量q，再经过p-q反变换得到控制量icα和icβ。
通过将得出的ica和icβ送给空间矢量脉宽调制单元(SVPWM)，进而产生对应的脉宽调制信号(PWM)，以及驱动相应的碳化硅金属氧化物场效应晶体管桥式电路产生所需的无功电流。
本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的范围。

Claims (6)

1.一种静止无功补偿发生器，其特征在于，包括依次连接的无功电流检测单元、控制系统、碳化硅金属氧化物场效应晶体管桥式电路，所述控制系统与远程监控装置连接；其中，
所述无功电流检测单元用于采集电网的电压信号和电流信号、用于采集静止无功补偿发生器输出的电压信号和电流信号，以及采用瞬时功率p-q方法得出无功电流，所述的无功电流作为无功电流检测单元输出的指令电流，通过控制系统计算后得到调制信号，并将调制信号传输至碳化硅金属氧化物场效应晶体管桥式电路，进而控制逆变桥输出相应的无功电流，由于所述碳化硅金属氧化物场效应晶体管桥式电路的交流输出端连接于电网与负载之间，从而使静止无功补偿发生器产生的无功电流传输至电网及负载，实现无功补偿；所述远程监控装置实现控制系统与远程控制中心的信号交互。
2.根据权利要求1所述的一种静止无功补偿发生器，其特征在于，所述无功电流检测单元通过电压互感器采集电网与静止无功补偿发生器的电压信号，以及通过电流互感器采集电网与静止无功补偿发生器的电流信号。
3.根据权利要求1所述的一种静止无功补偿发生器，其特征在于，所述控制系统采用电压环和功率环的双闭环控制算法。
4.根据权利要求1所述的一种静止无功补偿发生器，其特征在于，所述碳化硅金属氧化物场效应晶体管桥式电路为三相电压型桥式电路。
5.根据权利要求1或4所述的一种静止无功补偿发生器，其特征在于，所述碳化硅金属氧化物场效应晶体管桥式电路包括若干碳化硅金属氧化物场效应晶体管，及并联在每个碳化硅金属氧化物场效应晶体管两端的二极管。
6.根据权利要求1所述的一种静止无功补偿发生器，其特征在于，所述远程监控装置包括相互连接的监控界面屏与操作界面屏。
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