CN1461088A - 用于链式静止同步补偿器直流电压平衡控制的双向变换器 - Google Patents

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刘文华
宋强
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Abstract

本发明涉及一种用于链式静止同步补偿器直流电压平衡控制的双向变换器，属于电气自动化设备技术领域。该双向变换器包括：两个直流分压电容，将总直流电压分压成两个电压为总直流电压的一半的直流电压源；两个单相全桥电压源逆变桥，将直流电压逆变成两个交流电压；两个直流隔离电容，用于将单相全桥电压源逆变桥输出的方波交流电压中的直流分量滤除，防止隔离变压器饱和；一个三绕组隔离变压器，用于将上述交流电压隔离、耦合成一个交流电压并输出；两个双向保护开关，用于控制整流方式下直流侧电容的充电电流大小。本发明的双向变换器，具有自动平衡两个直流分压电容上电压大小的作用，使得单相逆变桥的开关器件可以采用低压小电流的功率器件。

Description

用于链式静止同步补偿器直流电压平衡控制的双向变换器
技术领域    本发明涉及一种用于链式静止同步补偿器直流电压平衡控制的双向变换器，属于电气自动化设备技术领域。
背景技术    传统的无功补偿设备有同步调相机、固定容量的电容器、开关控制的并联电抗器等，这些设备可满足一定范围的无功补偿要求，但它们有响应速度慢、故障维护困难等缺点。可控硅型的静止无功补偿器(SVC)有较好的性能，但也存在以下主要缺点：1)由于它对电网电压的波动表现出恒阻抗特性，因而在电网电压波动时不能充分发挥其作用；2)对系统产生较多的谐波电流。
随着大功率半导体器件(GTO、IGBT、IGCT、IEGT)的出现，一种新型的静止同步补偿器(以下简称STATCOM)已开始应用于电力系统电压稳定控制。STATCOM由电压源型逆变器构成，从原理上它等效于静止的同步调相机，但动态特性远优于同步调相机，它具有起动无冲击、调节连续、响应快速、占地面积小等优点，在改善系统稳定性、提高现有输电线路的输电容量和抑制电压闪变等方面均具有很大优势，已成为各国竞相发展的新一代无功补偿设备，是今后柔性交流输电系统(FACTS)的重要组成部件之一。目前我国各大电网仍存在电源不足、电网结构不尽合理、系统稳定性及供电质量较差的问题，大容量的新型静止无功发生器的应用变得日益迫切并具有重要意义。
STATCOM装置或有源滤波装置的主电路一般采用变压器多重化电压型逆变器结构或链式电压型逆变器结构。其中，基于链式电压型逆变器的STATCOM有如下优越特点：1)模块化结构，2)容易实现冗余运行，3)可以实现不平衡负载的平衡化补偿，4)可以允许更高的系统电压不对称，5)效率更高。链式电压型逆变器的关键技术之一是其各个单相逆变器的直流侧电压的平衡控制。目前可见报道的是英国ALSTOM公司开发的75MVA STATCOM装置，它采用了一种双向逆变器将各个直流侧电容能量逆变到一个公共交流电压母线或从公共交流电压母线变换能量回各个直流电容，从而控制各个直流侧电容电压平衡的方法，其原理图见图1。这种控制方法是大容量链式STATCOM的各种直流电压平衡控制方法中最实用的一种方法。但ASLTOM公开发表的所有文章并没给出双向变换器的电路拓扑。
由于大容量链式STATCOM直流电压一般都高达2500V，如果双向变换器采用普通的单相全桥逆变器，则其开关器件必须采用至少3300V的功率器件，如3300V的IGBT模块，或4500V的IGCT器件。由于双向变换器功率一般只有10KVA以下，逆变的直流电流一般小于5A，而3300V的IGBT模块或4500V的IGCT器件的电流容量都高达几百安培，因此，采用普通的单相全桥逆变器会造成很大的浪费。
发明内容    本发明的目的在于提出一种用于链式静止同步补偿器直流电压平衡控制的双向变换器，使得该双向变换器功率器件可采用较低电压较小电流容量的功率开关器件，从而大大减小双向变换器的成本。
本发明提出的用于链式静止同步补偿器直流电压平衡控制的双向变换器，包括：
1、两个直流分压电容，用于将总直流电压分压成两个直流电压源，使得两个直流电压源的电压为总直流电压的一半；
2、两个单相全桥电压源逆变桥，分别由四个功率半导体开关和各自的反并联二极管以及吸收电路组成，用于将上述两个直流电压源的直流电压逆变成两个方波交流电压；
3、两个直流隔离电容，用于将单相全桥电压源逆变桥输出的方波交流电压中的直流分量滤除掉，防止隔离变压器饱和；
4、一个三绕组隔离变压器，用于将上述两个单相全桥电压源逆变桥输出的方波交流电压隔离、耦合成一个交流电压并输出；
5、两个双向保护开关，由一个功率半导体开关管、一个反向并联连接的二极管及一个并联连接的吸收电路组成，用于当两个单相全桥电压源逆变桥工作于整流方式时，控制直流侧电容的充电电流大小，防止过流；
所述的两个直流分压电容的一端连接在一起并接到第一个单相全桥电压源逆变桥的直流负端和第二个单相全桥电压源逆变桥的直流正端，两个直流分压电容的另一端分别接到直流电源正母线和直流电源负母线；两个单相全桥电压源逆变桥中的第一个单相全桥电压源逆变桥的直流正端接到第一个双向保护开关中二极管的阴极和功率半导体开关的漏极，第一个双向保护开关中二极管的阳极和功率半导体开关的源极接到直流电源正母线，第一个单相全桥电压源逆变桥的直流负端接到第二个单相全桥电压源逆变桥的直流正端及两个直流分压电容器的中间的互连节点，第二个单相全桥电压源逆变桥的直流负端接到第二个双向保护开关中二极管的阳极和功率半导体开关的源极，第二个双向保护开关中二极管的阴极和功率半导体开关的漏极接到直流电源负母线；两个直流隔离电容的一端分别接到三绕组隔离变压器的第一个绕组的1号接线端和第二个绕组的1号接线端，另一端分别接到第一个和第二个单相全桥电压源逆变桥的左交流输出端；三绕组隔离变压器的第一个绕组的1号接线端接到一个直流隔离电容的一端，第二个绕组的1号接线端接到另一个直流隔离电容的一端，两个直流隔离电容的另一端分别接到第一个和第二个单相全桥电压源逆变桥的左交流输出端；三绕组隔离变压器的第三个绕组为交流电源输出绕组。三绕组隔离变压器的第一个绕组的1号接线端和第二个绕组的1号接线端为同名端。
本发明提出的用于链式静止同步补偿器直流电压平衡控制的双向变换器，具有自动平衡两个直流分压电容上电压大小的作用，使两个分压电容上的电压保持相同且为总直流电源电压的一半，从而使得单相全桥电压源逆变桥的开关器件可以采用低压小电流的功率器件。如当总直流电源电压不超过2500V时，单相全桥电压源逆变桥的开关器件可选择1700V/50A的IGBT模块，从而大大降低双向逆变器的成本。
附图说明
图1是已有技术中链式STATCOM的直流电压平衡控制电路原理图。
图2是本发明的双向变换器电路原理图。
图3是本发明电路中各功率开关器件的门极驱动脉冲波形和单相全桥电压源逆变桥输出电压波形。
具体实施方式    本发明提出的用于链式静止同步补偿器直流电压平衡控制的双向变换器，其电路原理图如图2所示，包括：两个直流分压电容，用于将总直流电压分压成两个直流电压源，使得两个直流电压源的电压为总直流电压的一半；两个单相全桥电压源逆变桥，分别由四个功率半导体开关和各自的反并联二极管以及吸收电路组成，用于将上述两个直流电压源的直流电压逆变成两个方波交流电压；两个直流隔离电容，用于将单相全桥电压源逆变桥输出的方波交流电压中的直流分量滤除掉，防止隔离变压器饱和；一个三绕组隔离变压器，用于将上述两个单相全桥电压源逆变桥输出的方波交流电压隔离、耦合成一个交流电压并输出；两个双向保护开关，由一个功率半导体开关管、一个反向并联连接的二极管及一个并联连接的吸收电路组成，用于当两个单相全桥电压源逆变桥工作于整流方式时，控制直流侧电容的充电电流大小，防止过流；其中两个直流分压电容的一端连接在一起并接到第一个单相全桥电压源逆变桥的直流负端和第二个单相全桥电压源逆变桥的直流正端，两个直流分压电容的另一端分别接到直流电源正母线和直流电源负母线；两个单相全桥电压源逆变桥中的第一个单相全桥电压源逆变桥的直流正端接到第一个双向保护开关中二极管的阴极和功率半导体开关的漏极，第一个双向保护开关中二极管的阳极和功率半导体开关的源极接到直流电源正母线，第一个单相全桥电压源逆变桥的直流负端接到第二个单相全桥电压源逆变桥的直流正端及两个直流分压电容器的中间的互连节点，第二个单相全桥电压源逆变桥的直流负端接到第二个双向保护开关中二极管的阳极和功率半导体开关的源极，第二个双向保护开关中二极管的阴极和功率半导体开关的漏极接到直流电源负母线；两个直流隔离电容的一端分别接到三绕组隔离变压器的第一个绕组的1号接线端和第二个绕组的1号接线端，另一端分别接到第一个和第二个单相全桥电压源逆变桥的左交流输出端；三绕组隔离变压器的第一个绕组的1号接线端接到一个直流隔离电容的一端，第二个绕组的1号接线端接到另一个直流隔离电容的一端，两个直流隔离电容的另一端分别接到第一个和第二个单相全桥电压源逆变桥的左交流输出端；三绕组隔离变压器的第三个绕组为交流电源输出绕组。三绕组隔离变压器的第一个绕组的1号接线端和第二个绕组的1号接线端为同名端。
图2中，C1和C2为直流分压电容，用于将总直流电压分压成两个直流电压源，使得两个直流电压源的电压只有总直流电压的一半。功率半导体开关S1LA、S1LB、S1RA、S1RB(即IGBT模块，型号可为BSM50GB170DN2)和各自的反并联二极管以及吸收电路构成第一个单相全桥电压源逆变桥，用于将C1上的直流电压逆变成交流电压；S2LA、S2LB、S2RA、S2RB(即IGBT模块，型号可为BSM50GB170DN2)和各自的反并联二极管以及吸收电路构成第二个单相全桥电压源逆变桥，用于将C2上的直流电压逆变成交流电压。C3和C4为直流隔离电容，用于将两个单相全桥电压源逆变桥输出的方波交流电压中的直流分量滤处，防止隔离变压器饱和。TR为三绕组隔离变压器，用于将两个单相逆变桥输出的交流电压隔离、耦合成一个交流电压并输出。当两个单相全桥电压源逆变桥各对应位置的开关器件采用相同的驱动脉冲时(见图3)，由于隔离变压器的耦合作用，使两个分压电容上的电压保持相同且为总直流电源电压的一半，从而达到单相逆变桥开关器件可使用低压小电流器件的目的。SPA和SPB为两个双向保护开关，当两个单相全桥电压源逆变桥工作在整流方式时，直流侧电容处于充电方式，此时，通过控制SPA、SPB中功率半导体器件的开关来控制充电电流的大小，防止过流。
图3给出了各功率开关器件的门极驱动脉冲波形和单相全桥电压源逆变桥输出电压波形。图中S1LA/S2LA为S1LA和S2LA的驱动波形，S1LB/S2LB为S1LB和S2LB的驱动波形，S1RA/S2RA为S1RA和S2RA的驱动波形，S1RB/S2RB为S1RB和S2RB的驱动波形，UAC/UCD为两个单相全桥电压源逆变桥的输出交流电压波形。

Claims (1)

1、一种用于链式静止同步补偿器直流电压平衡控制的双向变换器，其特征在于该双向变换器包括：
(1)两个直流分压电容，用于将总直流电压分压成两个直流电压源，使得两个直流电压源的电压为总直流电压的一半；
(2)两个单相全桥电压源逆变桥，分别由四个功率半导体开关和各自的反并联二极管以及吸收电路组成，用于将上述两个直流电压源的直流电压逆变成两个方波交流电压；
(3)两个直流隔离电容，用于将单相全桥电压源逆变桥输出的方波交流电压中的直流分量滤除掉，防止隔离变压器饱和；
(4)一个三绕组隔离变压器，用于将上述两个单相全桥电压源逆变桥输出的方波交流电压隔离、耦合成一个交流电压并输出；
(5)两个双向保护开关，由一个功率半导体开关管、一个反向并联连接的二极管及一个并联连接的吸收电路组成，用于当两个单相全桥电压源逆变桥工作于整流方式时，控制直流侧电容的充电电流大小，防止过流；
所述的两个直流分压电容的一端连接在一起并接到第一个全桥电压源逆变桥的直流负端和第二个全桥电压源逆变桥的直流正端，两个直流分压电容的另一端分别接到直流电源正母线和直流电源负母线；两个单相全桥电压源逆变桥中的第一个单相全桥电压源逆变桥的直流正端接到第一个双向保护开关中二极管的阴极和功率半导体开关的漏极，第一个双向保护开关中二极管的阳极和功率半导体开关的源极接到直流电源正母线，第一个全桥电压源逆变桥的直流负端接到第二个单相全桥电压源逆变桥的直流正端及两个直流分压电容器的中间的互连节点，第二个单相全桥电压源逆变桥的直流负端接到第二个双向保护开关中二极管的阳极和功率半导体开关的源极，第二个双向保护开关中二极管的阴极和功率半导体开关的漏极接到直流电源负母线；两个直流隔离电容的一端分别接到三绕组隔离变压器的第一个绕组的1号接线端和第二个绕组的1号接线端，另一端分别接到第一个和第二个单相全桥电压源逆变桥的左交流输出端；三绕组隔离变压器的第一个绕组的1号接线端接到一个直流隔离电容的一端，第二个绕组的1号接线端接到另一个直流隔离电容的一端，两个直流隔离电容的另一端分别接到第一个和第二个单相全桥电压源逆变桥的左交流输出端；三绕组隔离变压器的第三个绕组为交流电源输出绕组。三绕组隔离变压器的第一个绕组的1号接线端和第二个绕组的1号接线端为同名端。
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