CN1738144A - 单相变压器四重化igbt型动态无功补偿器 - Google Patents

Abstract

一种电力系统技术领域的单相变压器四重化IGBT型动态无功补偿器。本发明包括：并网结构部分、逆变设备部分和数字控制部分，逆变设备部分与并网结构部分串联，数字控制部分采集ABC三相输出电流和并网结构部分的ABC三相交流电压，完成相关运算后，向逆变设备部分发送各种控制信号，以实现对逆变设备部分各种运行操作的控制和并网结构部分的合闸并网或断闸脱网操作，数字控制部分与并网结构部分、数字控制部分与逆变设备部分均只发生信号上的传输。本发明完全实现对电力系统的输、配电系统进行动态无功补偿目的，有利于STATCOM装置的稳定运行和推广使用。

Description

单相变压器四重化IGBT型动态无功补偿器

技术领域

本发明涉及的是一种电力系统技术领域的设备，具体地说，是一种单相变压器四重化IGBT(绝缘栅极双向晶体管)型动态无功补偿器。

背景技术

目前，绝大多数的基于变压器多重化结构的静止式动态无功补偿器设备或多逆变单元串联、并联工作方式的静止式动态无功补偿器，大都采用可控晶闸管(GTO)或可控硅(SCR)等大功率换流元件，作为静止式动态无功补偿设备主逆变单元的开关换流元件。

经对现有技术的文献检索发现，刘文华、陈建业、王仲鸿等发表的“采用GTO的新型静止无功发生器”(《电力系统自动化》，21(3)，1997年03期，pp.24-32)，但是由大功率换流元件构成的STATCOM装置(静止式动态无功补偿装置)存在以下两种缺陷：(1)由于GTO和SCR开通、关断频率较低(一般小于1KHz)，因而由上述两种功率元件构成的STATCOM输出谐波较为严重，给电力系统电网带来谐波污染，为了解决该问题一般在STATCOM的设计中往往采用变压器多重化(往往需要9重以上)的措施。但是单相曲折变压器高级数的多重化措施带来了整个STATCOM设备重量、体积、成本和负责性的大幅增加，对于STATCOM设备的推广即为不利。(2)由于GTO和SCR开通、关断和导通损耗较大，导致STATCOM设备的能量转换效率较低，STATCOM设备的热损耗较大，通常需要水冷却系统，这将大幅增加STATCOM设备的设计成本和设备制造的复杂性。上述两种缺陷都限制了STATCOM装置的推广使用，并且它们都会导致STATCOM装置因谐波、过热等问题而不能稳定运行，甚至导致STATCOM装置发生故障而退出运行

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种单相变压器四重化IGBT型动态无功补偿器，使其完全实现对电力系统的输、配电系统进行动态无功补偿目的，有利于STATCOM装置的稳定运行和推广使用。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：并网结构部分、逆变设备部分和数字控制部分，逆变设备部分与并网结构部分串联，数字控制部分采集ABC三相输出电流和并网结构部分的ABC三相交流电压，完成相关运算后，向逆变设备部分发送各种控制信号，以实现对逆变设备部分各种运行操作的控制和并网结构部分的合闸并网或断闸脱网操作，数字控制部分与并网结构部分、数字控制部分与逆变设备部分均只发生信号上的传输；所述的并网结构部分一方面提供并网运行条件，另一方面实现输出电压高频谐波滤除，同时起到STATCOM装置输出短路限流保护的作用；所述的逆变设备部分实现变压器多重化结构的静止式动态无功补偿器输出电压矢量迭加的形成，并通过并网结构部分与电力系统作用产生所需求的无功功率；所述的数字控制部分实现变压器多重化结构的静止式动态无功补偿器的输出电压、电流和逆变设备部分直流侧电压采集、计算，并根据计算结果，产生逆变设备部分所需要的脉宽调制(PWM)信号，控制逆变设备部分把这些脉宽调制信号功率放大，并相互迭加后与系统电源相互作用，最终形成本发明需求的输出电压波形和系统需求的动态无功电流控制功能。

所述的并网结构部分包括：A相单相中频滤波电抗器、B相单相中频滤波电抗器和C相单相中频滤波电抗器，逆变设备部分A相输出端口经A相单相中频滤波电抗器连接到电力系统A相电源，逆变设备部分B相输出端口经B相单相中频滤波电抗器连接到电力系统B相电源，逆变设备部分C相输出端口经C相单相中频滤波电抗器连接到电力系统C相电源。所述的单相中频滤波电抗器的参数范围为1mH～5mH。

所述的逆变设备部分包括：12个单相中频变压器、12个IGBT(绝缘栅双极晶体管)型单相逆变全桥和直流电压支撑电解电容，12个IGBT型单相逆变全桥的直流侧统一联结在一起，并与直流电压支撑电解电容并联，12个IGBT型单相逆变全桥的交流输出侧分别与12个单相中频变压器的一次侧采用并联方式连接，而该12个单相中频变压器的二次侧输出电压采用串联移相矢量迭加的方式形成多重化的输出电压。所述的直流电压支撑电解电容是容量要求达到2200uF以上，电压要求达到500VDC以上的电解电容。

所述的逆变设备部分的三相输出端与三个单相中频电抗器的滤波相连接，以达到并网运行的目的。

所述的12个IGBT型单相逆变全桥是采用可稳定运行在20kHz开关频率和导通压降小于1V的IGBT构成的12个单相逆变全桥。所述的12个IGBT型单相逆变全桥实现了各单相逆变单元需求的直流电压调制输出交流方波，这些交流方波在相位上存在差异，即如果是属于A相的4单相逆变全桥的直流电压调制输出交流方波在相位上与电网A相电压保持一致，但是该4个交流方波按照排列顺序依次向后滞后15弧度(20弧度也可)；其它两个相位的单相逆变全桥直流电压调制输出交流方波的相位关系的安排方法可参考A相单相逆变全桥直流电压调制输出交流方波的相位关系推得。

所述的12个单相中频变压器一方面实现了电网电源和12个IGBT型单相逆变全桥在电气上得隔离作用，另一方面实现了对应单相逆变全桥直流电压调制输出交流方波在单相中频变压器二次侧变比输出作用，而这12个单相中频变压器二次侧输出电压波形与对应单相逆变全桥直流电压调制输出交流方波在波形和相位上一致，只是在幅值上单相中频变压器一次侧和二次侧的变比有k倍的关系。

所述的直流电压支撑电解电容起到12个IGBT型单相逆变全桥直流侧电压支撑和防止直流侧电压大幅波动的作用，同时该直流电压支撑电解电容容量的大小对于本发明的无功动态响应速度和输出电压质量具有重要影响，具体而言其容量越大，本发明的无功动态响应速度越慢，而输出电压质量越好；反之其容量越小，本发明的无功动态响应速度越快，而输出电压质量越差。

所述的数字控制部分包括：过零信号检测系统、数据采集系统、主控制器系统、显示输入控制系统、脉宽调制信号生成器和IGBT驱动系统，过零信号检测系统在每一个电网过零信号到来时向主控制器系统和脉宽调制信号生成器发送过零中断信号和过零逻辑信号，主控制器系统在接收到过零中断信号后首先读取由脉宽调制信号生成器反馈回来的静止式动态无功补偿装置故障状态字，然后向脉宽调制信号生成器发送相应的控制参数：输出功角δ、单相全桥输出脉冲宽度θ和故障状态控制字，以实现静止式动态无功补偿装置输出控制功能，与此同时主控制器系统读取显示输入控制系统发送过来的控制指令判断此时静止式动态无功补偿装置的运行状态，并向数据采集系统发送数据采集启动信号，以完成数据采集功能，脉宽调制信号生成器在接收到控制参数后，首先读取由IGBT驱动系统反馈回来的关于逆变设备部分故障状态字，并形成逆变设备部分各单相逆变全桥的逻辑驱动信号(导通：+5VDC/关断：OVDC)，同时将这些逻辑驱动信号向IGBT驱动系统发送；IGBT驱动系统在接收到这些逻辑驱动信号后，将生成相应的IGBT驱动信号(导通：+15VDC/关断：-8VDC)，并向逆变设备部分各单相逆变全桥发送IGBT驱动信号，以实现静止式动态无功补偿装置逆变输出的功能。

本发明是通过数字控制部分的数值和逻辑运算实现的，而逆变设备部分和并网结构部分是本发明原理实现的载体。其工作过程和原理如下：首先由过零信号检测系统检测到系统电压相应的过零点信号，同时，过零信号检测系统根据该信号向主控制器系统和脉宽调制信号生成器发出过零中断请求信号和过零逻辑信号，在每一个工频周期(50Hz/20ms)里都有6次平均分布的过零中断请求信号；当主控制器响应每一个过零中断请求后，主控制器进入中断服务程序，在该中断服务程序中主控制器首先读取、判断脉宽调制信号生成器反馈回来的逆变系统的故障状态，如果STATCOM装置有故障则主控制器进入故障停机状态并灯光报警，如果STATCOM装置一切正常，则主控制器向脉宽调制信号生成器发送上一控制周期(T/n)已计算好的控制量——主要是STATCOM装置的输出功角δ，单相全桥输出脉冲宽度θ和故障状态控制字等控制量，然后主控制器读取数据采集系统关于STATCOM装置并网电压U_S、输出电流I的瞬时值和显示输入控制系统提供的人工调节参数——无功功率参考值Q_ref、电网线电压额定参考值U_ref和STATCOM装置的当前工作模式，此后主控制器计算当前工况下STATCOM装置输出无功功率Q的大小，U_S、I的有效值以及在下一个控制周期里需要向脉宽调制信号生成器发送的δ、θ等控制量的值，此后主控制器跳出中断服务程序，进入循环等待程序中，在该循环等待程序中主控制器循环等待下一个过零中断信号的到来，并且此时主控制器始终监视STATCOM装置的故障状态字，一旦检测到故障状态系统进入故障停机状态并灯光报警。当主控制器把控制量δ、θ等发送到脉宽调制信号生成器后，脉宽调制信号生成器立即生成各个单相全桥逆变单元相对应的导通角ω_on和关断角ω_off，此后该脉宽调制信号生成器根据过零信号开始计数，当第j个单相全桥导通角ω_on(j)或关断角ω_off(j)与该计数值相等时该第n个单相全桥就受IGBT驱动系统控制导通或关断；在这一过程中脉宽调制信号生成器始终监测由IGBT驱动系统反馈回来的STATCOM装置的故障状态字，并把该故障状态字反馈给主控制器，若脉宽调制信号生成器根据该故障状态字判断出STATCOM装置处于故障状态，脉宽调制信号生成器将全面封锁发送给IGBT驱动系统的触发信号，此时STATCOM装置将处于停机状态，直到由主控制器发送故障解除信号为止。当IGBT逻辑驱动信号发送到IGBT驱动系统后，该逻辑驱动信号将经IGBT驱动电路的功率放大作用，形成+15VDC/-8VDC的IGBT驱动信号，该驱动信号将直接施加到逆变设备部分各单相逆变全桥的IGBT，此时各单相逆变单相全桥将根据驱动信号逆变形成对应的大功率方波信号(频率：50Hz，幅值：Vdc)，该大功率方波信号经一个单相中频隔离变压器(1∶k)耦合后，在该单相中频隔离变压器的二次侧形成低压大功率方波信号(频率：50Hz，幅值：Vdc/k)。由于本发明的逆变设备部分各单相中频隔离变压器的二次侧可采用多种串、并联方式(根据设备应用需求情况，可以实现多种组合)，所以逆变设备部分的输出电压波形，将由多个不同相位的低压大功率方波波形迭加而成，最终形成接近正弦波形的多电平PWM输出电压波形，为了进一步降低输出电压波形中高频谐波含量，由逆变设备部分各单相中频隔离变压器的二次侧迭加形成的三相输出端口将使用三个单相中频滤波电抗器来实现静止式动态无功补偿器的并网运行。

对于为了降低输出电压、电流中较高的谐波成分，而采用高级数的多重化结构STATCOM，并导致STATCOM设备设计成本和制造复杂性大幅增加的缺陷，本发明中采用了可稳定运行在20kHz开关频率的IGBT作为逆变单元的开关换流元件，因而STATCOM装置逆变设备部分的单相逆变全桥的开关频率较高，一般可以达到20KHz，从而使得STATCOM的输出电压可以采用SPWM(正弦脉宽调制)或SHE-PWM(选择性谐波消除的脉宽调制)等PWM控制方式，所以每一单相逆变全桥的输出电压波形畸变率较低(＜5％)。为了进一步提高STATCOM装置的输出电压等级和进一步降低STATCOM装置输出电压、电流的畸变率，本发明采用了单相曲折变压器低级数多重化(一般少于6重)的拓扑结构。这样的拓扑结构使得STATCOM装置保持较低的设计成本和体积的同时，大大降低了装置输出电压和电流的畸变率——本发明的输出电压和电流的总畸变率＜5％(THD)。

对于由于GTO和SCR开关和导通热损耗较大，致使STATCOM设备的自身发热量较大，因此STATCOM的冷却方式必须采用水冷却系统，这将导致STATCOM设备的设计成本和制造复杂性大幅增加等缺陷，本发明采用低导通压降(一般导通压降小于2V)和软穿透的开关换流元件IGBT和IGBT无源吸收回路，以确保IGBT在开通、关断和正常导通期间功率损耗较小，从而大大提高STATCOM的电能转换效率——本发明装置可达到97％以上。因此本装置主要采用强迫风冷的方式，作为装置的冷却方式，这样大大减小了STATCOM装置的设计成本和设备制造的复杂性。

本发明实现恒无功功率输出工作模式和恒电压工作模式，自动跟踪电力系统电压幅值变化，平滑或阶跃调节其输出无功功率的大小，对电力系统电压的稳定和动态电压稳定具有明显的调节作用。本发明的基本组成部分配合紧凑，该STATCOM装置可以作为静止式动态无功补偿装置使用，同时对该装置的控制程序进行适当的修改，本装置亦可作为其它配电系统电能质量和供电可靠性技术(D-FACTS)设备使用，例如动态电压恢复器(DVR)、电力有源滤波器(APF)等，因此本发明具有广阔的发展空间和应用前景。

附图说明

图1是本发明四重化技术拓扑结构系统原理图。

图2是本发明12个IGBT型单相逆变全桥的拓扑结构原理图。

图3是本发明输出电压多重化的波形迭加原理图。

图4是本发明输出电压的畸变率分析结果图。

图5是本发明恒无功功率、恒电压控制模式结构示意图。

具体实施方式

结合本发明的内容提供以下实施例：

图1中A0°、A15°、A30°、A45°分别为A相各个单相全桥。

BO°、B15°、B30°、B45°分别为B相各个单相全桥。

C0°、C15°、C30°、C45°分别为A相各个单相全桥。

V_A0、V_A15、V_A30、V_A45分别为A相各个逆变全桥相对应的输出电压，它们分别滞后15°，其它相依次类推。

V_AB、V_BC、V_CA分别为STATCOM装置的输出线电压，它们分别由六个中频变压器二次侧输出交流方波的矢量迭加而成，具体表达式如下：

${\stackrel{\·}{V}}_{\mathrm{AB}}={\stackrel{\·}{V}}_{A0}+{\stackrel{\·}{V}}_{A15}+{\stackrel{\·}{V}}_{A30}+{\stackrel{\·}{V}}_{A45}-{\stackrel{\·}{V}}_{B30}-{\stackrel{\·}{V}}_{B45}$

${\stackrel{\·}{V}}_{\mathrm{BC}}={\stackrel{\·}{V}}_{B0}+{\stackrel{\·}{V}}_{B15}+{\stackrel{\·}{V}}_{B30}+{\stackrel{\·}{V}}_{B45}-{\stackrel{\·}{V}}_{C30}-{\stackrel{\·}{V}}_{C45}$

${\stackrel{\·}{V}}_{\mathrm{CA}}={\stackrel{\·}{V}}_{C0}+{\stackrel{\·}{V}}_{C15}+{\stackrel{\·}{V}}_{C30}+{\stackrel{\·}{V}}_{C45}-{\stackrel{\·}{V}}_{A30}-{\stackrel{\·}{V}}_{A45}$

U_S为电力系统相电压，即A相系统电压U_a，B相系统电压U_b，C相系统电压U_a。

U₁为STATCOM装置的输出相电压。

i₁为STATCOM装置的输出电流，即A相输出电流i_a，B相输出电流i_b，C相输出电流i_c。

L为STATCOM装置的并网、滤波电抗—一般取装置短路电抗的15％左右，其电感值为1mH-5mH。

图2中C_dc为单相逆变全桥直流侧电容—一般取1000uF～10000uF/500V电解电容。

S1、S2、S3、S4为单相逆变全桥的开关换流元件——导通压降≤2V，开关频率为20KHz的IGBT。

R1、R2、R3、R4为IGBT无源吸收回路的无感电阻。

C1，C2，C3，C4为IGBT无源吸收回路的突波吸收电容。

T为一次侧与单相逆变全桥输出端连接的中频隔离变压器，本中频变压器的一次侧和二次侧变比是1∶k。

S(δ，wt，θ，α)为逆变器的输出电压的开关函数。

V_dc为直流侧电容电压，一般额定电压为350VDC，最高电压约为450。

图3中U_Sa为电力系统A相电压的过零信号。

θ为单相逆变全桥的输出脉冲宽度——一般为120°。

α为每一相的单相全桥相互间的滞后角——一般取15°和20°。

其它参照上述说明。

图4中η为STATCOM装置输出电压的畸变率。

图5中U_dc ref为STATCOM装置各单相全桥逆变单元直流侧电压参考值。

U_dc为STATCOM装置各单相全桥逆变单元直流侧电压瞬时值。

U_ref为STATCOM装置并网点线电压的电压参考值。

U_a、b、c、I_a、b、c分别为STATCOM装置并网点A、B、C相电压和电流的瞬时值。

U_S为STATCOM装置并网点线电压瞬时有效值，计算公式是：

$U_S=\sqrt{u_a^2+u_b^2+u_c^2}.$

Q_ref为STATCOM装置进行恒无功功率工作模式时，无功功率参考值。Q为STATCOM装置输出无功功率的瞬时值，计算公式是：

$Q=\frac{1}{\sqrt{3}}[(u_b-u_c)i_a+(u_c-u_a)i_b+(u_a-u_b)i_c]$

δ为STATCOM装置的输出电压功角。

PU、PQ、STOP分别为STATCOM装置的三个工作模式，PU为恒电压控制模式；PQ为恒无功功率控制模式；STOP为人为停机模式或故障停机模式。

根据一般结构的静止动态无功补偿器(STATCOM或ASVG)的工作原理可知，其输出无功功率Q为：

$Q=\frac{U_S}{2R}\sin 2\mathrm{\δ}---\left(1\right)$

其中：R为STATCOM装置的等效电阻，该阻值大小表征STATCOM装置能量转换效率大小，一般取值较小(＜O.01Ω)；Us为STATCOM设备接入配电网点的线电压；δ为STATCOM装置相对于配电网的功角；Q为STATCOM装置输出无功功率。由于本实用新型STATCOM装置输出无功功率Q对功角δ变化特别敏感，功角δ的变化范围一般为[-10°，+10°]，显然对STATCOM装置的功角调节要求较高的精度。

本发明包括：并网结构部分、逆变设备部分和数字控制部分，逆变设备部分与并网结构部分串联，数字控制部分采集ABC三相输出电流和并网结构部分的ABC三相交流电压，完成相关运算后，向逆变设备部分发送各种控制信号，以实现对逆变设备部分各种运行操作的控制和并网结构部分的合闸并网或断闸脱网操作，数字控制部分与并网结构部分、逆变设备部分均只发生信号上的传输；所述的并网结构部分一方面提供并网运行条件，另一方面实现输出电压高频谐波滤除，同时起到STATCOM装置输出短路限流保护的作用；所述的逆变设备部分实现变压器多重化结构的静止式动态无功补偿器输出电压矢量迭加的形成，并通过并网结构部分与电力系统作用产生所需求的无功功率；所述的数字控制部分实现变压器多重化结构的静止式动态无功补偿器的输出电压、电流和逆变设备部分直流侧电压采集、计算，并根据计算结果，产生逆变设备部分所需要的脉宽调制(PWM)信号，控制逆变设备部分把这些脉宽调制信号功率放大，并相互迭加后与系统电源相互作用，最终形成本发明需求的输出电压波形和系统需求的动态无功电流控制功能。

所述的并网结构部分包括：A相单相中频滤波电抗器、B相单相中频滤波电抗器和C相单相中频滤波电抗器，逆变设备部分A相输出端口经A相单相中频滤波电抗器连接到电力系统A相电源，逆变设备部分B相输出端口经B相单相中频滤波电抗器连接到电力系统B相电源，逆变设备部分C相输出端口经C相单相中频滤波电抗器连接到电力系统C相电源。所述的单相中频滤波电抗器的参数范围为1mH～5mH。

所述的逆变设备部分包括：12个单相中频变压器、12个IGBT(绝缘栅双极晶体管)型单相逆变全桥和直流电压支撑电解电容，12个IGBT型单相逆变全桥的直流侧统一联结在一起，并与直流电压支撑电解电容并联，12个IGBT型单相逆变全桥的交流输出侧分别与12个单相中频变压器的一次侧采用并联方式连接，而该12个单相中频变压器的二次侧输出电压采用串联移相矢量迭加的方式形成多重化的输出电压。所述的直流电压支撑电解电容是容量要求达到2200uF以上，电压要求达到500VDC以上的电解电容。

所述的逆变设备部分的三相输出端与三个单相中频电抗器的滤波相连接，以达到并网运行的目的。

所述的12个IGBT型单相逆变全桥是采用可稳定运行在20kHz开关频率和导通压降小于1V的IGBT构成的12个单相逆变全桥。所述的12个IGBT型单相逆变全桥实现了各单相逆变单元需求的直流电压调制输出交流方波，这些交流方波在相位上存在差异，即如果是属于A相的4单相逆变全桥的直流电压调制输出交流方波在相位上与电网A相电压保持一致，但是该4个交流方波按照排列顺序依次向后滞后15弧度(20弧度也可)；其它两个相位的单相逆变全桥直流电压调制输出交流方波的相位关系的安排方法可参考A相单相逆变全桥直流电压调制输出交流方波的相位关系推得。

所述的12个单相中频变压器一方面实现了电网电源和12个IGBT型单相逆变全桥在电气上得隔离作用，另一方面实现了对应单相逆变全桥直流电压调制输出交流方波在单相中频变压器二次侧变比输出作用，而这12个单相中频变压器二次侧输出电压波形与对应单相逆变全桥直流电压调制输出交流方波在波形和相位上一致，只是在幅值上单相中频变压器一次侧和二次侧的变比有k倍的关系。

所述的直流电压支撑电解电容起到12个IGBT型单相逆变全桥直流侧电压支撑和防止直流侧电压大幅波动的作用，同时该直流电压支撑电解电容容量的大小对于本发明的无功动态响应速度和输出电压质量具有重要影响，具体而言其容量越大，本发明的无功动态响应速度越慢，而输出电压质量越好；反之其容量越小，本发明的无功动态响应速度越快，而输出电压质量越差。

所述的数字控制部分包括：过零信号检测系统、数据采集系统、主控制器系统、显示输入控制系统、脉宽调制信号生成器和IGBT驱动系统，过零信号检测系统在每一个电网过零信号到来时向主控制器系统和脉宽调制信号生成器发送过零中断信号和过零逻辑信号，主控制器系统在接收到过零中断信号后首先读取由脉宽调制信号生成器反馈回来的静止式动态无功补偿装置故障状态字，然后向脉宽调制信号生成器发送相应的控制参数：输出功角δ、单相全桥输出脉冲宽度θ和故障状态控制字，以实现静止式动态无功补偿装置输出控制功能，与此同时主控制器系统读取显示输入控制系统发送过来的控制指令判断此时静止式动态无功补偿装置的运行状态，并向数据采集系统发送数据采集启动信号，以完成数据采集功能，脉宽调制信号生成器在接收到控制参数后，首先读取由IGBT驱动系统反馈回来的关于逆变设备部分故障状态字，并形成逆变设备部分各单相逆变全桥的逻辑驱动信号(导通：+5VDC/关断：OVDC)，同时将这些逻辑驱动信号向IGBT驱动系统发送；IGBT驱动系统在接收到这些逻辑驱动信号后，将生成相应的IGBT驱动信号(导通：+15VDC/关断：-8VDC)，并向逆变设备部分各单相逆变全桥发送IGBT驱动信号，以实现静止式动态无功补偿装置逆变输出的功能。

在本发明中要求逆变设备部分的控制时序逻辑合理紧凑，尤其是每个单相逆变全桥的触发脉冲精度一般要求达到0.01°，因此本发明中主控制器系统采用流水线处理方式的处理器DSP--TI公司的5000系列的TMS320C5402信号处理器；脉宽调制信号生成器采用可进行并行处理方式的逻辑处理器FPGA--ALTERA公司的ACEX1K系列的EP1K100Q204-10逻辑处理器，以保证触发脉冲的精度。

如图1、3所示，以单相曲折变压器四重化结构的IGBT型STATCOM为例说明本发明的工作原理，本发明单相曲折变压器四重化结构的IGBT型STATCOM的输出电压采用了六电平结构的PWM波形，以AB相之间的线电压Uab为例，结合图1所示单相曲折变压器四重化结构的IGBT型STATCOM可得该线电压Uab的表达式：

${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{AB}}={\stackrel{\·}{U}}_{A0}+{\stackrel{\·}{U}}_{A15}+{\stackrel{\·}{U}}_{A30}+{\stackrel{\·}{U}}_{A45}-{\stackrel{\·}{U}}_{B30}-{\stackrel{\·}{U}}_{B45}---\left(2\right)$

而线电压Uab中的任一迭加分量为如图2所示的单相逆变全桥输出电压kS(δ，wt，θ，α)V_dc，而其幅值由逆变全桥的导通角θ和中频变压器变比k决定；其相位由ABC相相位、STATCOM设备输出功角δ和滞后角度α共同决定。

因此，根据图2可说明本STATCOM装置逆变部分任一单相逆变全桥的输出电压形成的具体操作方式，由图2可知单相逆变全桥的输出电压的表达式为：u_o(δ，wt，θ，α)＝kS(δ，wt，θ，α)u_dc    (3)

其中：

$S(\mathrm{\δ},\mathrm{wt},\mathrm{\θ},\mathrm{\α})=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{4}{2\mathrm{\π}}\sin \frac{\mathrm{n\θ}}{2}\sin \frac{2\mathrm{\π}}{2}\sin (\mathrm{nwt}-\mathrm{\δ}-n_1\·\frac{2\mathrm{\π}}{3}-n_2\·\mathrm{\α});$

n＝1，3，5，…；

当该单相逆变全桥为A相时n₁＝0，B相时n₁＝1，C相时n₁＝2；当该单相逆变全桥为0°时n₂＝0，15 °时n₂=1，30 °时n₂＝2，45°时n₂＝3；δ为STATCOM装置相对于电力系统的输出功角；α为各单相逆变单元的滞后角本发明中采用15°；

通过对式(3)的分析，当单相逆变全桥的导通角θ＝120°时，该输出电压不存在三次谐波，该措施可以有效地避免三次谐波对STATCOM装置的不利影响。

根据图1、图3说明本STATCOM装置的输出线电压形成的具体操作方法，根据图1和式(2)、(3)可知STATCOM装置输出线电压为：

$U_1=k{U}_{\mathrm{dc}}\left\{\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\right[{(-1)}^{n-1}\frac{16\sqrt{3}}{\mathrm{n\π}}\cos \frac{\mathrm{\α}}{2}\sin \frac{\mathrm{n\θ}}{2}\sin (\mathrm{nwt}-\frac{\mathrm{\α}}{2}-\mathrm{\δ})\left]\right\}---\left(4\right)$

根据式(4)可知，STATCOM装置输出线电压的总畸变率η(THD：TotalHarmonic Distortion)为：

$\mathrm{\η}=\sqrt{\underset{n=3}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\sin }^2\frac{\mathrm{n\θ}}{2}}{n^2\sin \frac{\mathrm{\θ}}{2}}},n=\mathrm{3,5,7,9}\·\·\·---\left(5\right)$

所以，结合公式(5)和图4关于输出电压的畸变率η与单相逆变全桥的输出脉冲宽度θ之间的函数关系，可知当θ∈[110°，130°]时，STATCOM装置输出线电压的总畸变率最小，一般小于0.3％，如果兼顾到需要消除STATCOM装置输出电压中三次谐波的目的，一般取θ＝120°。因为本发明采用高速开关IGBT作为开关换流元件，因此如果此时采用SPWM或SHE-PWM控制方式，STATCOM装置即使采用低级数(小于6重)的多重化结构，本发明的输出电压谐波含量都将进一步降低。

根据图5说明本STATCOM装置工作模式的具体操作案例。本发明主要存在以下三种工作模式——恒无功功率工作模式、恒电压工作模式、故障、停机模式，这三种工作模式是互锁的，即在任意时刻STATCOM装置只能进行上述工作模式中的一种。以下就该三种工作模式进行具体操作分析。

恒无功功率工作模式：当操作人员通过显示输入控制系统输入恒无功功率工作模式后，主控制器开始执行恒无功功率工作模式程序，该控制策略的主要流程如下：

主控制器首先处于循环等待状态，当过零中断信号到来时主控制器响应该中断信号，进入中断服务程序。在中断服务程序中，主控制器首先向脉宽调制信号发生器发送控制量δ和θ，然后读取STATCOM装置并网点电压U_a、b、c，输出电流I_a、b、c和直流侧电容电压U_dc，并从显示输入控制系统读取无功功率参考值Q_ref，然后计算并网点线电压有效值U_S及装置输出无功功率的瞬时值Q。根据图5的恒无功功率控制模式(PQ模式)可知，在基于逆控制的PI控制器中，输入量分别为Q_ref和ΔQ＝Q_ref-Q，输出控制量分别为δ_ref和Δδ，其中δ_ref由图5所示恒无功功率控制模式中逆控制系统所决定，即 ${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ref}}\≈\frac{Q_{\mathrm{ref}}\·R}{U_S^2};$ Δδ则由PI控制系统所决定，即Δδ＝f(K_p，K_i，ΔQ)。所以，在恒无功功率工作模式下，STATCOM装置最终输出功角δ＝δ_ref+Δδ。

各单相逆变全桥的输出脉冲宽度θ，可以采用多种结构的控制方式(例如PAM，SPWM，SHE-PWM)，本发明中采用PAM调制方式，即恒脉宽控制方式，输出脉冲宽度θ恒为120°。

当主控制器完成上述两个控制量δ、θ的计算后，把这两个控制量锁存到各自对应的寄存器中，以便主控制器在下一个中断服务程序到来时，向PWM生成器发送该控制量。在完成控制量锁存任务后，主控制器就跳出中断服务程序，进入循环等待状态，直到下一个中断请求信号到来为止。

恒电压工作模式：当操作人员通过显示输入控制系统输入恒电压工作模式后，主控制器开始执行恒电压工作模式程序，该控制策略的主要流程如下：

主控制器首先处于循环等待状态，当过零中断信号到来时主控制器响应该中断信号，进入中断服务程序。在中断服务程序中，主控制器首先向脉宽调制信号发生器发送控制量δ和θ，然后从数据采集系统读取STATCOM装置并网点电压U_a、b、c，输出电流I_a、b、c和直流侧电容电压U_dc等参数的值，并从显示输入控制系统读取当前并网电的电压参考值U_ref，然后计算并网点线电压有效值U_S。根据图5的恒电压控制模式(PU模式)可知，基于逆控制的PI控制器中，输入量为ΔU＝U_ref-U_S，输出控制量分别为δ_ref和Δδ，其中δ_ref由图5所示恒电压控制模式中逆控制系统所决定所确定。利用电力系统潮流计算理论，在忽略输电线路电阻时，输电线上电压大小的降落主要与无功功率有关，即

$U_{\mathrm{rwf}}-U_S\≈\frac{Q_L-Q}{U_S}{X}_L---\left(6\right)$

根据式(6)分析可得，STATCOM发出的无功功率Q＝0时，STATCOM装置并网点电压相对于电压参考值U_ref，其电压降落为 $\mathrm{\Δ}{U}_S\≈\frac{Q_L}{U_S}{X}_L;$ 而当STATCOM发出的无功功率Q＝Q_L时，STATCOM装置并网点电压相对于电压参考值U_ref，其电压降落为ΔU_S＝0，即意味着当STATCOM发出的无功功率Q＝Q_L时，STATCOM装置并网点电压U_S＝U_ref，此时电力系统对负荷提供零无功功率，STATCOM设备提供负荷所需的全部无功功率为 $Q_L\≈\frac{U_{\mathrm{ref}}\·\mathrm{\Δ}{U}_S}{X_L}.$ 结合式(1)可以得到在恒电压控制模式下，逆控制器的输出量 ${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ref}}\≈\frac{Q_L\·R}{U_{\mathrm{ref}}^2};$ Δδ则由PI控制系统所决定，即Δδ＝f(K_p，K_i，ΔQ_L)。所以，在恒电压工作模式下，STATCOM装置最终输出功角δ＝δ_ref+Δδ。

各单相逆变全桥的输出脉冲宽度θ，可以采用多种结构的控制方式(例如PAM，SPWM，SHE-PWM)，本发明中采用PAM调制方式，即恒脉宽控制方式，输出脉冲宽度θ恒为120°。

当主控制器完成上述两个控制量δ、θ的计算后，把这两个控制量锁存到各自对应的寄存器中，以便主控制器在下一个中断服务程序到来时，向PWM生成器发送该控制量。在完成控制量锁存任务后，主控制器就跳出中断服务程序，进入循环等待状态，直到下一个中断请求信号到来为止。

故障、停机模式：当操作人员通过显示输入控制系统输入故障、停机模式工作模式后，主控制器开始执行故障、停机模式工作模式程序，该控制策略的主要流程如下：

当主控制器检测到STATCOM装置有故障或人工停机时，主控制器将封锁所有逆变单元的触发信号，并记录故障信号字，同时通过声光报警。当STATCOM装置的故障解除后，并且装置要求重新启动时，必须通过显示输入控制器输入故障复位信号，STATCOM装置才能重新启动。

Claims (10)

1.一种单相变压器四重化IGBT型动态无功补偿器，包括：并网结构部分、逆变设备部分和数字控制部分，其特征在于，逆变设备部分与并网结构部分串联，数字控制部分采集ABC三相输出电流和并网结构部分的ABC三相交流电压，完成相关运算后，向逆变设备部分发送各种控制信号，以实现对逆变设备部分各种运行操作的控制和并网结构部分的合闸并网或断闸脱网操作，数字控制部分与并网结构部分、数字控制部分与逆变设备部分均只发生信号上的传输；所述的并网结构部分一方面提供并网运行条件，另一方面实现输出电压高频谐波滤除，同时起到STATCOM装置输出短路限流保护的作用；所述的逆变设备部分实现变压器多重化结构的静止式动态无功补偿器输出电压矢量迭加的形成，并通过并网结构部分与电力系统作用产生所需求的无功功率；所述的数字控制部分实现变压器多重化结构的静止式动态无功补偿器的输出电压、电流和逆变设备部分直流侧电压采集、计算，并根据计算结果，产生逆变设备部分所需要的脉宽调制信号，控制逆变设备部分把这些脉宽调制信号功率放大，并相互迭加后与系统电源相互作用，最终形成本发明需求的输出电压波形和系统需求的动态无功电流控制功能。

2.根据权利要求1所述的单相变压器四重化IGBT型动态无功补偿器，其特征是，所述的并网结构部分包括：A相单相中频滤波电抗器、B相单相中频滤波电抗器和C相单相中频滤波电抗器，逆变设备部分A相输出端口经A相单相中频滤波电抗器连接到电力系统A相电源，逆变设备部分B相输出端口经B相单相中频滤波电抗器连接到电力系统B相电源，逆变设备部分C相输出端口经C相单相中频滤波电抗器连接到电力系统C相电源。

3.根据权利要求2所述的单相变压器四重化IGBT型动态无功补偿器，其特征是，所述的单相中频滤波电抗器的参数范围为1mH～5mH。

4.根据权利要求1所述的单相变压器四重化IGBT型动态无功补偿器，其特征是，所述的逆变设备部分包括：12个单相中频变压器、12个IGBT型单相逆变全桥和直流电压支撑电解电容，12个IGBT型单相逆变全桥的直流侧统一联结在一起，并与直流电压支撑电解电容并联，12个IGBT型单相逆变全桥的交流输出侧分别与12个单相中频变压器的一次侧采用并联方式连接，而该12个单相中频变压器的二次侧输出电压采用串联移相矢量迭加的方式形成多重化的输出电压。

5.根据权利要求4所述的单相变压器四重化IGBT型动态无功补偿器，其特征是，所述的直流电压支撑电解电容是容量要求达到2200uF以上，电压要求达到500VDC以上的电解电容。

6.根据权利要求1或者4所述的单相变压器四重化IGBT型动态无功补偿器，其特征是，所述的逆变设备部分，其三相输出端与三个单相中频电抗器的滤波相连接。

7.根据权利要求4所述的单相变压器四重化IGBT型动态无功补偿器，其特征是，所述的12个IGBT型单相逆变全桥是采用可稳定运行在20kHz开关频率和导通压降小于1V的IGBT构成的12个单相逆变全桥，12个IGBT型单相逆变全桥实现各单相逆变单元需求的直流电压调制输出交流方波，这些交流方波在相位上存在差异。

8.根据权利要求4所述的单相变压器四重化IGBT型动态无功补偿器，其特征是，所述的12个单相中频变压器一方面实现电网电源和12个IGBT型单相逆变全桥在电气上得隔离作用，另一方面实现对应单相逆变全桥直流电压调制输出交流方波在单相中频变压器二次侧变比输出作用，而这12个单相中频变压器二次侧输出电压波形与对应单相逆变全桥直流电压调制输出交流方波在波形和相位上一致，只是在幅值上单相中频变压器一次侧和二次侧的变比有k倍的关系。

9.根据权利要求4所述的单相变压器四重化IGBT型动态无功补偿器，其特征是，所述的直流电压支撑电解电容起到12个IGBT型单相逆变全桥直流侧电压支撑和防止直流侧电压大幅波动的作用，同时该直流电压支撑电解电容容量的大小对于无功动态响应速度和输出电压质量具有重要影响，具体而言，其容量越大，无功动态响应速度越慢，而输出电压质量越好，反之其容量越小，无功动态响应速度越快，而输出电压质量越差。

10.根据权利要求1所述的单相变压器四重化IGBT型动态无功补偿器，其特征是，所述的数字控制部分包括：过零信号检测系统、数据采集系统、主控制器系统、显示输入控制系统、脉宽调制信号生成器和IGBT驱动系统，过零信号检测系统在每一个电网过零信号到来时向主控制器系统和脉宽调制信号生成器发送过零中断信号和过零逻辑信号，主控制器系统在接收到过零中断信号后首先读取由脉宽调制信号生成器反馈回来的静止式动态无功补偿装置故障状态字，然后向脉宽调制信号生成器发送相应的控制参数，以实现静止式动态无功补偿装置输出控制功能，与此同时主控制器系统读取显示输入控制系统发送过来的控制指令判断此时静止式动态无功补偿装置的运行状态，并向数据采集系统发送数据采集启动信号，以完成数据采集功能，脉宽调制信号生成器在接收到控制参数后，首先读取由IGBT驱动系统反馈回来的关于逆变设备部分故障状态字，并形成逆变设备部分各单相逆变全桥的逻辑驱动信号，同时将这些逻辑驱动信号向IGBT驱动系统发送，IGBT驱动系统在接收到这些逻辑驱动信号后，将生成相应的IGBT驱动信号，并向逆变设备部分各单相逆变全桥发送IGBT驱动信号，以实现静止式动态无功补偿装置逆变输出的功能。

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