CN108711871A - 基于vienna整流器的新型静止无功补偿器 - Google Patents

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胡昊雨
赵志浩
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卢其威
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Abstract

本发明基于VIENNA整流器的新型静止无功补偿器，包括由若干个模块单元级联组成的多种单相和三相主功率电路，以及若干条与主功率电路相并联的由电感和电容串联构成的滤波支路。其优点在于：所提出的新型静止无功补偿器同时具有SVG动态响应速度快，谐波含量少，装置功耗低，体积小，重量轻，以及SVC控制简单，价格便宜的优点。该新型静止无功补偿器电路以能量单方向传输的VIENNA整流器为基础构成，与级联VIENNA整流器并联联接的若干条由电感与电容串联构成的滤波支路，既可以提供超前的基波无功功率，又可以滤除低次谐波，通过控制级联VIENNA整流器的输入电流，就可以实现为系统提供连续可调的无功功率，并抑制或消除电网电流谐波。

Description

基于VIENNA整流器的新型静止无功补偿器
技术领域
本发明涉及电力系统静止无功补偿器的新型构造方法，属于电能质量控制技术中动态无功补偿控制技术领域。
背景技术
随着电力电子装置的应用日益广泛，以及电力系统非线性负载的大量接入，供电电能质量问题日显突出，因此近年来，以电力电子变流器为核心的电能质量控制技术引起越来越多的关注。对于电力系统中应用的谐波抑制装置和无功补偿装置的研究已经成为目前电气工程领域最受重视的研究领域之一，这些电能质量控制装置公认作用是，能够提高供电系统和负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗，稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。
根据连接方式不同，电力系统补偿方式可以分为并联补偿、串联补偿和串并联混合补偿三种，其中并联补偿由于接入和切除方便，在电力系统中得到最为广泛的应用。在并联补偿应用中目前最常用的能够对电力系统中的无功功率进行连续动态补偿的典型装置是静止无功补偿器(SVC)和静止无功发生器(SVG)两种装置。其中静止无功补偿器(SVC)通常是由晶闸管控制电抗器(TCR)加固定电容器(FC)构成(电容器通常与电感相串联同时做低频谐波滤波器用)，其优点是：可实现连续补偿，可分相调节，运行可靠，控制简单，价格便宜；其主要缺点是本身会产生大量谐波，使用中必须附加滤波装置，另外电抗器体积庞大笨重。与静止无功补偿器(SVC)相比较，静止无功发生器(SVG)由全控型现代电力电子器件构成，采用现代电力电子技术，在实现连续动态无功补偿的同时，还可以对电网的谐波进行有效抑制，具有动态响应速度更快，电压闪变抑制能力更强，谐波含量少，装置功耗低，体积小，重量轻(不需要庞大笨重的电抗器)等一系列优点，其主要缺点是：价格昂贵，控制复杂。从上述可知，传统常用的能够对电力系统中的无功功率进行连续动态补偿的两种典型并联补偿装置各有其不足之处。
发明内容
本发明的目的是提供一种兼有上述两种并联补偿装置优点的新型静止无功补偿器电路。该新型静止无功补偿器电路由VIENNA整流器电路构成，对于单相和三相的并联补偿器电路，可以采用一种合适的控制策略，控制可控整流器输入电流以超前于或滞后于输入电源电压的相位运行，通过与电容器的配合，为系统提供连续可调的无功功率，同时对电网的谐波进行抑制。在该新型静止无功补偿器电路中，VIENNA整流器与若干条电容与电感相串联的支路并联联接，电容与电感相串联的支路既可以提供超前的基波无功功率，又可以滤除低次谐波，通过控制VIENNA整流器输入电流相对于电网电压的相位，就可以达到为系统提供连续可调的无功功率的目的。通过控制VIENNA整流器产生与电网电流谐波相位相差180度的对应谐波电流，就可以达到抑制或消除电网电流谐波的目的。
对于VIENNA整流器，到目前为止，在工业中主要是作为单位功率因数整流器使用，当本发明专利令其输入电流以超前于或滞后于输入电源电压的相位运行时，输入电流必然会产生过零点畸变，从而导致电流THD增大，在本发明所提出的单相并联补偿器中，在控制输入电流以超前于或滞后于输入电源电压的相位运行时，可以通过对输入电流参考值的合理注入控制以及合理的选择开关模式，使输入电流的过零点畸变得到有效抑制，还可以通过对输入电流分段表达式的分析，得出THD的变化规律，从而得出输入电流超前或滞后输入电源电压的相位的可能变化范围，并最终得出最大无功补偿的范围；而在本发明所提出的三相并联补偿器中，通过合理控制VIENNA整流器的输入三相电源中点与整流器中点之间电压，或通过对输入电流给定值的合理注入控制，可以使电流过零点畸变得到有效抑制或完全消除。本发明所提出的新型静止无功补偿器既具有SVG动态响应速度快，谐波含量少，装置功耗低，体积小，重量轻(不需要庞大笨重的电抗器)等一系列优点，也具有SVC控制简单，价格便宜(因只需少量的全控型电力电子开关器件)的优点。
为达到上述目的，本发明提供的第一种基于VIENNA整流器的新型静止无功补偿器，包括主功率电路，所述主功率电路包括输入电感(L)和P个第一模块单元(A)，其中P为正整数，所述第一模块单元(A)包括六个二极管(VD)、一个电力电子开关器件(S)、两个输出电容(C1、C2)和负载(R)；所述主功率电路包括P个级联的所述第一模块单元(A)，其中每一个所述第一模块单元(A)的第二个输入端(b)与下一个所述第一模块单元(A)的第一个输入端(a)依次相连，所述主功率电路剩余的两个输入端，即第一个所述第一模块单元(A)的第一个输入端(a)与第P个所述第一模块单元(A)的第二个输入端(b)，经所述输入电感(L)串联接入交流电网，其特征在于：所述主功率电路还包括由电感(Lf)电容(Cf)串联构成的N个滤波支路，其中N为正整数，N个滤波支路并联接入交流电网。
为达到上述目的，本发明提供的第二种基于VIENNA整流器的新型静止无功补偿器，包括三相主功率电路，所述三相主功率电路包括三个输入电感(L101-L103)和第二模块单元(B)，所述第二模块单元(B)包括十八个二极管(VD)、三个电力电子开关器件(S)、两个输出电容(C1、C2)和负载(R)；所述第二模块单元(B)的三个输入端(a、b、c)分别经所述输入电感串联接入三相交流电网，其特征在于：所述三相主功率电路还包括M个三相LC滤波器，其中M为正整数，每个所述三相LC滤波器由三个电感(Lf)电容(Cf)串联支路构成，每个所述三相LC滤波器的三个电感(Lf)电容(Cf)串联支路以星接方式与三相交流电网连接。
本发明第二种基于VIENNA整流器的新型静止无功补偿器，其中每个所述三相LC滤波器的三个电感(Lf)电容(Cf)串联支路替换以角接方式与三相交流电网连接。
为达到上述目的，本发明提供的第三种基于VIENNA整流器的新型静止无功补偿器，包括三相主功率电路，所述三相主功率电路包括六个输入电感(L101-L106)和第三模块单元(C)，所述第三模块单元(C)由三个第二模块单元(B)线电压级联构成，其中第一个所述第二模块单元(B)的第二个输入端(b)经所述输入电感与第二个所述第二模块单元(B)的第三个输入端(c)相连，第一个所述第二模块单元(B)的第三个输入端(c)经所述输入电感与第三个所述第二模块单元(B)的第一个输入端(a)相连，第二个所述第二模块单元(B)的第一个输入端(a)经所述输入电感与第三个所述第二模块单元(B)的第二个输入端(b)相连；所述主功率电路剩余的三个输入端，即第一个所述第二模块单元(B)的第一个输入端(a)、第二个所述第二模块单元(B)的第二个输入端(b)和第三个所述第二模块单元(B)的第三个输入端(c)，分别经所述输入电感串联接入三相交流电网，其特征在于：所述三相主功率电路还包括G个三相LC滤波器，其中G为正整数，每个所述三相LC滤波器由三个电感(Lf)电容(Cf)串联支路构成，每个所述三相LC滤波器的三个电感(Lf)电容(Cf)串联支路以星接方式与三相交流电网连接。
本发明第三种基于VIENNA整流器的新型静止无功补偿器，其中每个所述三相LC滤波器的三个电感(Lf)电容(Cf)串联支路替换以角接方式与三相交流电网连接。
为达到上述目的，本发明提供的第四种基于VIENNA整流器的新型静止无功补偿器，包括三相主功率电路，所述三相主功率电路包括三个输入电感(L101-L103)和三个第四模块单元(D)，所述第四模块单元(D)包括Z个级联的所述第一模块单元(A)，其中Z为正整数，每一个所述第一模块单元(A)的第二个输入端(b)与下一个所述第一模块单元(A)的第一个输入端(a)依次相连，所述第四模块单元(D)剩余两个输入端，即第一个所述第一模块单元(A)的第一个输入端(a)与第Z个所述第一模块单元(A)的第二个输入端(b)；所述输入电感一端与三相电网连接，另一端分别与三个所述第四模块单元(D)串联后构成星型连接，其特征在于：所述三相主功率电路还包括H个三相LC滤波器，其中H为正整数，每个所述三相LC滤波器由三个电感(Lf)电容(Cf)串联支路构成，每个所述三相LC滤波器的三个电感(Lf)电容(Cf)串联支路以星接方式与三相交流电网连接。
本发明第四种基于VIENNA整流器的新型静止无功补偿器，其中每个所述三相LC滤波器的三个电感(Lf)电容(Cf)串联支路替换以角接方式与三相交流电网连接。
本发明第四种基于VIENNA整流器的新型静止无功补偿器，其中所述输入电感一端与三相电网连接，另一端分别与三个所述第四模块单元(D)串联后替换构成角型连接。
本发明第四种基于VIENNA整流器的新型静止无功补偿器，其中所述输入电感一端与三相电网连接，另一端分别与三个所述第四模块单元(D)串联后替换构成角型连接；每个所述三相LC滤波器的三个电感(Lf)电容(Cf)串联支路替换以角接方式与三相交流电网连接。
本发明基于VIENNA整流器的新型静止无功补偿器的优点和积极效果在于：提供一种新型的静止无功补偿器电路。该新型静止无功补偿器电路以VIENNA整流器电路为基础构成，在该新型静止无功补偿器电路中，VIENNA整流器与若干条电容与电感相串联的支路并联联接，电容与电感相串联的支路既可以提供超前的基波无功功率，又可以滤除低次谐波，通过控制VIENNA整流器输入电流的相位，就可以达到为系统提供连续可调的无功功率的目的。通过控制VIENNA整流器产生与电网电流谐波相位相差180度的对应谐波电流，就可以达到抑制或消除电网电流谐波的目的。本发明所提出的新型静止无功补偿器既具有SVG动态响应速度快，谐波含量少，装置功耗低，体积小，重量轻等一系列优点，也具有SVC控制简单，价格便宜的优点。
下面将结合实施例参照附图进行详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例的电路原理图；
图2为本发明中第一模块单元的电路拓扑结构图；
图3为本发明的第一种电路拓扑结构图；
图4为本发明中第二模块单元的电路拓扑结构图；
图5为本发明中带以星接方式与三相交流电网连接的三相LC滤波器的第二种电路拓扑结构图；
图6为本发明中带以角接方式与三相交流电网连接的三相LC滤波器的第二种电路拓扑结构图；
图7为本发明中第三模块单元的电路拓扑结构图；
图8为本发明中带以星接方式与三相交流电网连接的三相LC滤波器的第三种电路拓扑结构图；
图9为本发明中带以角接方式与三相交流电网连接的三相LC滤波器的第三种电路拓扑结构图；
图10为本发明中第四模块单元的电路拓扑结构图；
图11为本发明中带以星接方式与三相交流电网连接的三相LC滤波器的由三个第四模块单元构成星型连接的第四种电路拓扑结构图；
图12为本发明中带以角接方式与三相交流电网连接的三相LC滤波器的由三个第四模块单元构成星型连接的第四种电路拓扑结构图；
图13为本发明中带以星接方式与三相交流电网连接的三相LC滤波器的由三个第四模块单元构成角型连接的第四种电路拓扑结构图；
图14为本发明中带以角接方式与三相交流电网连接的三相LC滤波器的由三个第四模块单元构成角型连接的第四种电路拓扑结构图；
图15为本发明实施例处于电流超前于电压工作状态的仿真图；
图16为本发明实施例处于电流滞后于电压工作状态的仿真图。
具体实施方式
在本发明基于VIENNA整流器的新型静止无功补偿器的实施例中，基于VIENNA整流器的新型静止无功补偿器是由若干个模块单元级联而组成一个整体的电路拓扑。
实施例：
参照图1，第一种基于VIENNA整流器的新型静止无功补偿器的实施例中，包括主功率电路，所述主功率电路包括输入电感(L)和P个第一模块单元(A)，其中本实施例中P取为正整数一，所述第一模块单元(A)包括六个二极管(VD)、一个电力电子开关器件(S)、两个输出电容(C1、C2)和负载(R)；所述主功率电路包括一个所述第一模块单元(A)，所述主功率电路的两个输入端，即所述第一模块单元(A)的第一个输入端(a)与第二个输入端(b)，经所述输入电感(L)串联接入交流电网，其特征在于：所述主功率电路还包括由电感(Lf)电容(Cf)串联构成的N个滤波支路，其中N为正整数，N个滤波支路并联接入交流电网。
参照图15，基于特定的控制策略下，VIENNA整流器处于电流超前于电压的工作状态，电流仿真波形发生严重畸变，产生大量谐波，对电网电流产生严重影响，0.3秒时将滤波支路并联接入VIENNA整流器输入侧，由仿真波形，观察到电流仿真波形的畸变得到良好的改善，减轻了输入侧谐波对电网电流的影响。
参照图16，基于特定的控制策略下，VIENNA整流器处于电流滞后于电压的工作状态，电流仿真波形发生严重畸变，产生大量谐波，对电网电流产生严重影响，0.3秒时将滤波支路并联接入VIENNA整流器输入侧，由仿真波形，观察到电流仿真波形的畸变得到良好的改善，减轻了输入侧谐波对电网电流的影响。
本发明基于VIENNA整流器的新型静止无功补偿器的优点和积极效果在于：提供一种新型的静止无功补偿器电路。该新型静止无功补偿器电路以VIENNA整流器电路为基础构成，在该新型静止无功补偿器电路中，VIENNA整流器与若干条电容与电感相串联的支路并联联接，电容与电感相串联的支路既可以提供超前的基波无功功率，又可以滤除低次谐波，通过控制VIENNA整流器输入电流的相位，就可以达到为系统提供连续可调的无功功率的目的。通过控制VIENNA整流器产生与电网电流谐波相位相差180度的对应谐波电流，就可以达到抑制或消除电网电流谐波的目的。本发明所提出的新型静止无功补偿器既具有SVG动态响应速度快，谐波含量少，装置功耗低，体积小，重量轻等一系列优点，也具有SVC控制简单，价格便宜的优点。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计方案前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (9)

1.第一种基于VIENNA整流器的新型静止无功补偿器，包括主功率电路，所述主功率电路包括输入电感(L)和P个第一模块单元(A)，其中P为正整数，所述第一模块单元(A)包括六个二极管(VD)、一个电力电子开关器件(S)、两个输出电容(C1、C2)和负载(R)；所述主功率电路包括P个级联的所述第一模块单元(A)，其中每一个所述第一模块单元(A)的第二个输入端(b)与下一个所述第一模块单元(A)的第一个输入端(a)依次相连，所述主功率电路剩余的两个输入端，即第一个所述第一模块单元(A)的第一个输入端(a)与第P个所述第一模块单元(A)的第二个输入端(b)，经所述输入电感(L)串联接入交流电网，其特征在于：所述主功率电路还包括由电感(Lf)电容(Cf)串联构成的N个滤波支路，其中N为正整数，N个滤波支路并联接入交流电网。
2.第二种基于VIENNA整流器的新型静止无功补偿器，包括三相主功率电路，所述三相主功率电路包括三个输入电感(L101-L103)和第二模块单元(B)，所述第二模块单元(B)包括十八个二极管(VD)、三个电力电子开关器件(S)、两个输出电容(C1、C2)和负载(R)；所述第二模块单元(B)的三个输入端(a、b、c)分别经所述输入电感串联接入三相交流电网，其特征在于：所述三相主功率电路还包括M个三相LC滤波器，其中M为正整数，每个所述三相LC滤波器由三个电感(Lf)电容(Cf)串联支路构成，每个所述三相LC滤波器的三个电感(Lf)电容(Cf)串联支路以星接方式与三相交流电网连接。
3.根据权利要求2所述的基于VIENNA整流器的新型静止无功补偿器，其特征在于：每个所述三相LC滤波器的三个电感(Lf)电容(Cf)串联支路替换以角接方式与三相交流电网连接。
4.第三种基于VIENNA整流器的新型静止无功补偿器，包括三相主功率电路，所述三相主功率电路包括六个输入电感(L101-L106)和第三模块单元(C)，所述第三模块单元(C)由三个第二模块单元(B)线电压级联构成，其中第一个所述第二模块单元(B)的第二个输入端(b)经所述输入电感与第二个所述第二模块单元(B)的第三个输入端(c)相连，第一个所述第二模块单元(B)的第三个输入端(c)经所述输入电感与第三个所述第二模块单元(B)的第一个输入端(a)相连，第二个所述第二模块单元(B)的第一个输入端(a)经所述输入电感与第三个所述第二模块单元(B)的第二个输入端(b)相连；所述主功率电路剩余的三个输入端，即第一个所述第二模块单元(B)的第一个输入端(a)、第二个所述第二模块单元(B)的第二个输入端(b)和第三个所述第二模块单元(B)的第三个输入端(c)，分别经所述输入电感串联接入三相交流电网，其特征在于：所述三相主功率电路还包括G个三相LC滤波器，其中G为正整数，每个所述三相LC滤波器由三个电感(Lf)电容(Cf)串联支路构成，每个所述三相LC滤波器的三个电感(Lf)电容(Cf)串联支路以星接方式与三相交流电网连接。
5.根据权利要求4所述的基于VIENNA整流器的新型静止无功补偿器，其特征在于：每个所述三相LC滤波器的三个电感(Lf)电容(Cf)串联支路替换以角接方式与三相交流电网连接。
6.第四种基于VIENNA整流器的新型静止无功补偿器，包括三相主功率电路，所述三相主功率电路包括三个输入电感(L101-L103)和三个第四模块单元(D)，所述第四模块单元(D)包括Z个级联的所述第一模块单元(A)，其中Z为正整数，每一个所述第一模块单元(A)的第二个输入端(b)与下一个所述第一模块单元(A)的第一个输入端(a)依次相连，所述第四模块单元(D)剩余两个输入端，即第一个所述第一模块单元(A)的第一个输入端(a)与第Z个所述第一模块单元(A)的第二个输入端(b)；所述输入电感一端与三相电网连接，另一端分别与三个所述第四模块单元(D)串联后构成星型连接，其特征在于：所述三相主功率电路还包括H个三相LC滤波器，其中H为正整数，每个所述三相LC滤波器由三个电感(Lf)电容(Cf)串联支路构成，每个所述三相LC滤波器的三个电感(Lf)电容(Cf)串联支路以星接方式与三相交流电网连接。
7.根据权利要求6所述的基于VIENNA整流器的新型静止无功补偿器，其特征在于：每个所述三相LC滤波器的三个电感(Lf)电容(Cf)串联支路替换以角接方式与三相交流电网连接。
8.根据权利要求6所述的基于VIENNA整流器的新型静止无功补偿器，其特征在于：所述输入电感一端与三相电网连接，另一端分别与三个所述第四模块单元(D)串联后替换构成角型连接。
9.根据权利要求6所述的基于VIENNA整流器的新型静止无功补偿器，其特征在于：所述输入电感一端与三相电网连接，另一端分别与三个所述第四模块单元(D)串联后替换构成角型连接；每个所述三相LC滤波器的三个电感(Lf)电容(Cf)串联支路替换以角接方式与三相交流电网连接。
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