CN1079602C

CN1079602C - 逆变器控制装置

Info

Publication number: CN1079602C
Application number: CN98115581A
Authority: CN
Inventors: 有冢智彦
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 1998-01-20
Filing date: 1998-07-02
Publication date: 2002-02-20
Anticipated expiration: 2018-07-02
Also published as: CN1224265A; JPH11215709A; US5999430A

Abstract

本发明为一种逆变器控制装置，包括：具有可变抽头的降压变压器、直流储能装置和控制可变抽头的控制电路。所述控制电路包括：计算系统电压的有效值的电路、设定有效值指令值的电路、计算有效值和该指今值的偏差的电路、输出与该偏差对应的抽头指令值的电路、对改变可变抽头时逆变器电流是否大于额定值进行判断的电路、根据判断结果改变抽头指令值的电路、在两个抽头指令值之间进行选择的选择电路和根据选择的抽头指令值改变可变抽头的电路。

Description

逆变器控制装置

本发明涉及对有功功率和无功功率进行控制的逆变器的控制装置。

比如，图4为“三菱电机技报”Vo1.65.No.61991中“电弧炉闪变补偿用大容量有源滤波器”一文的62页(总582页)所示的受电变压器、降压变压器、有源滤波器和逆变器，亦即上述文献的图6中所示的除高频滤波器和电弧炉负荷外的单线接线图。

图4中，5为逆变器装置，1为逆变器装置5的交直变换器。2为逆变器装置5的逆变变压器，4为系统电压源，3为将逆变器装置1与系统电压源4相连接的具有可变抽头的降压变压器，该具有可变抽头的降压变压器3的抽头变换由控制电路10进行控制。6为逆变器装置5的直流电容器。

7为接于逆变器装置5的直流侧的直流储能装置，用于向逆变器装置5提供有功能量或消耗有功能量。该直流储能装置7有如下几种形式：

a)直流电容电路；

b)与电池等直流储能装置直接连接的直流电路；

c)通过斩波电路等与电池等直流储能装置间接连接，并对直流电压进行恒压控制的直流电路；

d)可由外部电源充电的直流电路；

e)可利用外部电阻等放电的直流电路；

f)交流侧与发电机等相连接的逆变器装置的直流电路；

g)交流侧与具有飞轮等储能装置的电动机相连接的逆变器装置的直流电路；

h)具有AVR(自动电压调节)功能的变压器和整流器电路。

图5为对上述具有可变抽头的降压变压器3的可变抽头进行控制的控制电路10的一侧。

图5中，11为对系统电压V₀的有效值进行计算的有效值计算电路，12为对系统电压V₀的有效值的指令值V₀进行设定的电路，13为计算系统电压V₀的有效值和指令值V₀之间的偏差ΔV₀的偏差计算电路，14为指示与系统电压偏差ΔV₀对应的抽头的抽头指令电路，18为将抽头指令电路14的输出和现在的抽头输出相比较、并经过延时后改变具有抽头的降压变压器3的抽头的抽头改变电路。

以下，对工作过程加以说明。

系统电压V₀根据与系统电压源4连接的其他负荷的动作状态比在正常时的额定电压有比如5％的升降。此时，由系统电压V₀的有效值计算电路11的输出值和由指令电路12的有效值指令值V₀ ^*之间的偏差在偏差计算电路13中进行计算。由抽头指令电路14给出的对应系统电压偏差ΔV₀的抽头指令。抽头改变电路18对抽头指令电路14输出的抽头指令值和现在的抽头位置进行比较，经过延时元件的延时使抽头改变，从而使具有可变抽头的降压变压器3，改变仍与负荷相连的电压抽头，将次级电压Vs的变化抑制在抽头的幅度ΔVs以内。

图6为具有可变抽头的降压变压器3的单相的单线接线图。

在系统电压V₀为额定电压时，可变抽头位于图6所示的抽头Vk处，当系统电压V₀平时高于额定值时，可变抽头如图6所示每隔预定的时间间V₁的方向移动一步，进行分段移动，通过控制将次级电压Vs抑制在距额定电压一定的幅度范围之内。

反之，当系统电压V₀平时低于额定值时，可变抽头如图6所示每隔预定的时间向V₂的方向移动一步，也进行分段移动，同样通过控制将次级电压Vs抑制在距额定电压一定的幅度范围之内。

逆变器装置5的交直变换器1借助逆变变压器2将输入的逆变器电压Va的基频电压的有效值和相位，相对于具有可变抽头的降压变压器3的次级电压Vs的基频电压有效值和相位进行可变的控制。这里为便于说明起见，假定变流变压器2的变比取为1∶1，当逆变变压器2输入的逆变器电流Ia为零时，次级电压Vs的有效值和逆变器电压Va的有效值相等。

在具有电抗Xa的逆变变压器2上施加有逆变器电压有效值Va和次级电压有效值Vs的电压差的有效值ΔVxa＝Va-Vs，将电压差的有效值ΔVxa除以电抗Xa可以得到逆变器电流的有效值Ia。此时，逆变器电流Ia的相位相对于电压差ΔVxa滞后90°。

逆变器装置5产生的逆变器电压Va的有效值和相位可以根据有功功率和/或无功功率的流向进行可变的控制。当电压差ΔVxa和次级电压Vs同相位，逆变器电压Va即(Vs+ΔVxa)的有效值变大，逆变器电流Ia比次级电压Vs超前90°，具有产生超前的无功功率的电容器的作用。

反之，当电压差ΔVxa与次级电压相差180°时，逆变器电压Va即(Vs-ΔVxa)的有效值变小，逆变器电流Ia比次级电压Vs滞后90°，具有产生滞后的无功的电抗器的作用。

而且，当电压差ΔVxa使逆变器电流Ia与次级电压Vs同相位时，逆变器电压Va变为

，具有使有功功率由变流器装置5的交流侧流到直流侧的变流器作用。

相反，当电压差ΔV使逆变器电流Ia和次级电压Vs相位差180°时，逆变器电压Va为

，具有使有功功率由变流器装置的直流侧流到交流侧的逆变器作用。

将逆变器额定电压Va₀定义为逆变器电流Ia为0时的逆变器电压Va，而逆变器容量定义为逆变器电流Ia和逆变器额定电压Va₀的和。

逆变器装置5的直流电压Ed和逆变器额定电压Va₀的关系式(1)为

E_d≥K×2×V_a0×((1+X_a·I_a·cosθ)²

+(X_a·I_a·sinθ)²) (1)

这里sinθ＝i_p/(i_p ²+i_q ²)、cosθ＝i_q/(i_p ²+i_q ²)、

ia = \sqrt{i p^{2} + i q^{2}}

；θ＝0°时为变流器动作，θ＝90°时定义为容性作用，θ＝180°时为逆变器动作，θ＝270°时为感性作用，ip(＞0)为变流器动作时的电流有效值，iq(＞0)为容性作用时的超前的无功电流，ip(＜0)为逆变器动作时的电流有效值，iq(＜0)为感性作用时的无功电流。

而且常数K为根据逆变器装置5的结构与控制性能决定的常数，比如K＝1.2；通常K＞1。这里因为此常数与本发明的主要点无关，故以理想状态K＝1进行讨论。

在逆变器装置5的容性作用、感生作用、变流器动作和逆变器动作中，逆变器电压有效值Va或峰值(

)在容性作用时达到最大值。

容性作用时，θ＝90°根据式(1)，

E_d≥2×V_a0×(1+X_a·I_q) (2)

可以产生的超前无功电流Iq的上限Iq₁应小于作为交直变流器的变换器件的GTO或IGBT等电力电子器件(以后以器件表示)的最大可控制电流：

I_q1＝(E_d/(2×V_a0)-1)/X_a (3)

变流器动作和逆变器动作时，θ＝0°或θ＝180°，由关系式(1)

E_d≥2×V_a0×(1+(X_a·I_p)²) (4)

允许发生的电流有效值Ip的上限Ip₁小于器件的最大可控制电流

I_p1＝(((E_d/(2×V_a0))²-1))/X_a (5)

逆变器装置5的直流电压Ed是由器件的额定电压和器件的串联数等逆变器装置5的结构决定的常数。此时，如将逆变器电压的峰值以相对于逆变器直流电压d没有裕量的方式进行设计时，比如取Ed/(

×Va₀)＝1.1，Xa＝0.2时，如Iq₁＝0.5，由Ip₁＝2.3；输出的超前无功电流的有效值|iq₁|的大小当然不能达到有功电流有效值|ip₁|。

因为现有的逆变器装置具有以上述结构，又因为不可能产生比设计上决定的额定无功功率以上的无功功率，需要采用提高器件额定值和器件串联数量从而提高直流电压的逆变器结构。

同时，仍有不可能产生比设计上所决定的额定有功功率以上的有功功率的问题。

本发明旨在解决上述问题，并以实现在可以得到额定无功功率以上的无功功率的同时，还以得到额定有功功率以上的有功功率输出的逆变器控制装置为目的。

为了实现上述目的，本发明涉及的逆变器控制装置，其特征为包括控制有功功率和/或无功功率的逆变器装置；将上述逆变器装置与电力系统的输配电线相连接的具有可变抽头的降压变压器；接于上述逆变器装置的直流侧的可以供给或消耗有功功率的直流储能装置；和控制上述具有可变抽头的降压变压器的可变抽头控制装置；上述控制装置包括对上述电力系统的系统电压的有效值进行计算的有效值计算电路；设定系统电压有效值的指令值的设定电路；计算系统电压的有效值和有效值指令的偏差的偏差计算电路；将对应上述偏差的抽头指令值经延时的器件输出的、基于系统电压的抽头指令电路；对改变具有上述可变抽头的降压变压器的可变抽头时逆变器电流是否在额定输出之上进行判断的抽头改变判断电路；根据上述抽头改变判断电路的判断结果，对抽头指令值经延时的器件加以改变的逆变器用抽头指令电路；由上述基于系统电压的抽头指令电路的抽头指令值和根据上述逆变器用抽头指令电路的抽头指令值中进行选择的抽头指令值选择电路；和根据上述抽头指令值选择电路选择的抽头指令值对上述具有可变抽头的降压变压器的可变抽头进行改变的抽头改变电路。

而且，其特征还在于在上述具有可变抽头的降压变压器的输出侧设置有固定的电容器设备。

此外，其特征还在于在上述具有可变抽头的降压变压器的输出侧设置有容量可变的无功功率补偿装置。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明的第一实施例的控制电路10的内部结构图。

图2为本发明的第二实施例的逆变器控制装置的单线接线图。

图3为本发明的第三实施例的逆变器控制装置的单线接线图。

图4为和逆变器装置相关的装置的单线接线图。

图5为现有的具有可变抽头的降压变压器的控制电路的内部结构图。

图6为具有可变抽头的降压变压器的单相单线接线图。

以下参照图对本发明的第一实施例加以说明。

图1为与图5所示的现有装置的控制电路10对应的第一实施例的控制电路10的结构图，它适用于图4所示的单线接线图。

图1中，和图5所示的现有装置相同的部分采用同样的符号，并且省略对其的说明。作为新的符号，15为对逆变器装置5的逆变器电流Ia是否在额定输出以上进行判断的抽头改变判断电路；16为由逆变器装置5经延时器件将可变抽头进行改变的逆变器用的抽头的指令电路；17为从由基于系统电压V₀的抽头指令电路14的输出和基于逆变器的抽头指令电路16的输出中进行选择的抽头指令值选择电路。

以下对其动作加以说明。

为使无功功率的输出超过其额定无功功率，提高具有可变抽头的降压变压器2的抽头位置从而使该次级电压Vs下降。由于降低了输入交直变换器1的逆变器电压a，逆变器电流Ia为零时的逆变器额定电压Va₁下降，从而使直流电压Ed和逆变器额定电压Va₁的峰值(

)(比小的值)间的电压差增大。但是，此时由于有功功率输出为0，逆变器电流Ia和无功电流iq相等。

超前的无功电流Iq的上限Iq₂，如小于器件的最大可控制电流，由公式(3)，为

I_q2＝(E_d/(2×V_a1)-1)/X_a (6)

由I_q2/I_q0＝{[E_d/(2×V_a1)-1]/X_a}

/{[E_d/(2×V_a0)-1]/X_a}

＝[E_d/(2×V_a1)-1]

/[E_d/(2×V_a0)-1]

＞1 (7)

可知此时上限Iq₂大于Iq₀。

在检出逆变器电流Ia达到其额定值时，抽头改变判断电路15，对输出额定值以上的逆变器电流Ia作出判断，通过抽头指令电路16向逆变器输出适当的抽头值。抽头选择电路17从基于系统电压V₀的抽头指令电路14的输出和逆变器用抽头指令电路16的输出中进行选择，并用抽头改变电路18改变具有可变抽头的降压变压器2的抽头。

虽然供逆变器用的抽头指令电路16和抽头指令电路14均有延时器件，在抽头指令选择电路17中，时间设定短的一方起优先的和支配的作用。

又，为使有功功率的输出大于额定有功功率，将具有可变抽头的降压变压器2的抽头位置降低时，次级电压Vs上升，由于逆变器电压Va上升，逆变器电流为零时的逆变器额定电压Va₂上升。此时，直流电压Ed和逆变器额定电压Va₂的峰值(

)(比

大的值)间的电压差减小。但是，此时由于无功功率为零，逆变器电流Ia和有功电流ip相等。

有功电流Ip的上限Ip₂如小于器件的最大可控制电流，由公式(5)，可得

I_p2＝[((E_d/(2×V_a2))²-1)]/X_a (8)

I_p2/I_p0＝{[((E_d/(2×V_a2))²-1)/X_a}

/{(((E_d/(2×V_a0))²-1)/X_a}

＝{((E_d/(2×V_a2))²-1)

/{((E d/(2×V_a0))²-1)}

＞1 (9)

可以知道Ip₂大于Ip₀。

抽头改变判断电路15在检出逆变器电流Ia达到额定值时，对输出额定以上的逆变器电流Ia作出判断，通过抽头指令电路16向逆变器输出适当的抽头值。抽头指令选择电路17在基于系统电压V₀的抽头指令电路14的输出和供逆变器用的抽头指令电路16的输出中选择逆变器电流Ia小的一方，通过抽头改变电路18改变具有可变抽头的降压变压器2的抽头。

虽然，逆变器用抽头指令电路16和抽头指令电路14均采用延时器件，在抽头指令选择电路17中时间设定短的一方起优先的和支配的作用。

在上述第一实施例中，对在具有可变抽头的降压变压器3的次级侧连接的装置仅有逆变器装置5的场合进行了说明，如图2所示，由于设有固定容量的电容器设备8，即使具有可变抽头的降压变压器3的抽头不变，也可使次级电压Vs上升。

固定容量的电容器设备8在控制作用下当逆变器电流Ia的超前容量大于设定值Q₁时接入；而在其小于设定值Q₂时断开(通常Q₁＞Q₂)。

而且，因为为使上述固定容量的电容器设备8接入和断开时发生的电压变动的过渡过程平缓，因为能对逆变器装置5无功功率进行控制以保持系统电压恒定，因此可以抑制由于上述固定容量的电容器设备8的接入和断开所引起的系统的不稳定。

在上述第一实施例中，具有可变抽头的降压变压器3的次级侧连接的装置仅对只有逆变器装置5的场合加以了说明。如图3所示，由于具有容量可变的无功功率补偿装置9，即使具有可变抽头的降压变压器3的抽头不变也可以使次级电压Vs上升。并且，对于上述第二实施例中上述固定容量的电容器设备8的接入断开时发生的系统的电压不稳定，由于通过控制可使上述具有可变容量的无功功率补偿装置9瞬时释放或吸收无功功率以使系统电压保持恒定，故可以抑制系统的不稳定。

并且，在上述第一至第三实施例中对于采用逆变器变压器2时的说明，对于采用逆变器用电抗器的场合同样可行，具有和上述实施例相同的效果。

如上所述的本发明由于具有可以输出逆变器额定电流以上的无功功率的结构，和可以输出逆变器额定电流以上的有功功率的结构，可以维持逆变器装置持续过负荷。并且，根据控制降压变压器的抽头，可以将逆变器装置的裕量控制在最小范围中，可使单位容量的价格便宜。此外，将系统电压Vs的上升分量包括在内，相对于原有的将逆变器装置的直流电压Ed提高来设计的逆变器装置，由于可以利用具有可变抽头的降压器的抽头的改变，可以在设计时不用加进系统电压升降的裕量，从而具有减少浪费的优点。

而且，由于在具有可变抽头的降压变压器的次级侧接有固定容量的电容器设备，即使不改变具有可变抽头的降压变压器的抽头也可以提高次级电压Vs，而上述固定容量电容器设备接入断开时所发生的电压变动可以利用逆变器装置对无功功率的控制缓和地过渡，从而可以抑制上述固定容量的电容器设备引起的系统不稳定。

此外，由于在具有可变抽头的降压变压器的次级侧装有具有可变容量的无功功率补偿装置，即使不改变具有可变抽头的降压变压器的抽头也可以使次级电压Vs上升，因为具有可变容量的无功功率补偿装置可以慢慢地增减输出的无功功率，可以抑制系统的不稳定。

Claims

1.一种逆变器控制装置，其特征在于包括：

控制有功功率和/或无功功率的逆变器装置，

将上述逆变器装置与电力系统的输配电线相连接用的、具有可变抽头的变压器，

连接在上述逆变器装置的直流侧的供给或消耗有功功率的直流储能装置，以及

控制上述具有可变抽头的降压变压器的可变抽头的控制装置；

上述控制装置包括：

计算上述电力系统的系统电压的有效值的有效值计算电路，

设定系统电压的有效值的指令值的设定电路，

计算系统电压的有效值和有效值指令值之间的偏差的偏差计算电路，

将对应上述偏差的抽头指令值经延时器件输出的基于系统电压的抽头指令电路，

对改变上述具有可变抽头的降压变压器的可变抽头时，改变后的逆变器电流是否在额定值以上进行判断的抽头改变判断电路，

根据上述抽头改变判断电路的判断结果将抽头指令值经延时器件后改变的逆变器用抽头指令电路，

从基于上述系统电压的抽头指令电路的抽头指令值和上述逆变器用抽头指令电路的抽头指令值中进行选择的抽头指令值选择电路，以及

根据上述抽头指令值选择电路选择的抽头指令值改变上述具有可变抽头的降压变压器的可变抽头的抽头改变电路。

2.根据权利要求1所述的逆变器控制装置，其特征在于在上述具有可变抽头的降压变压器的输出侧装有固定容量的电容器设备。

3.根据权利要求1所述的逆变器控制装置，其特征在于在上述具有可变抽头的降压变压器的输出侧装有具有可变容量的无功功率补偿装置。