CN201113442Y - 具有无功补偿的谐波治理装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及具有无功补偿的谐波治理装置，包括三相独立的谐波治理单相主电路，所述的谐波治理单相主电路包括依次相连的单相逆变全桥直流侧电压支撑电容器组、单相逆变全桥电路、高频滤波电路、无源低通滤波器和谐波治理并网电路。与现有技术相比，本实用新型的优点在于：具有无功补偿的谐波治理装置通过三相独立的谐波治理单相主电路，采用了新型的结构，降低了控制的复杂度，可完全补偿中线电流，电能转换效率大于95％，三单相逆变全桥电路中C、L发生谐振，降低直流侧电压，同时也降低装置的电磁干扰。

Description

具有无功补偿的谐波治理装置

技术领域

本实用新型涉及电力系统设备，尤其涉及一种具有无功补偿的谐波治理装置。

技术背景

目前，对于产生无功电流负荷主要通过在负荷两端并联一定容量的电容器或串联一定的电抗器；针对变化的负荷，目前主要采用电容器、电抗器分组投切的方案，如隶属于静态无功补偿器(SVC)的晶闸管控制电容器(TSC)、晶闸管控制电抗器(TCR)等。

上述方案普遍存在欠补偿和过补偿问题及切换过程的振荡问题，还可能在系统中产生谐振现象。对于非线性负荷引起的谐波污染问题，目前主要采用电感和电容组成的相应频率的无源滤波器来消除谐波的影响。如负荷电流包含多种谐波成分，则针对不同频率的谐波都要设置相应的谐振电路，这将增加系统的复杂性，降低可靠性。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺陷而提供一种具有无功补偿的谐波治理装置，它可运行于三相平衡与不平衡系统，且发生单相故障时，非故障相能继续运行，可补偿中线电流，并使三相控制策略一致，降低了控制的复杂度，可完全补偿中线电流，电能转换效率大于95％。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：具有无功补偿的谐波治理装置，其特征在于，包括三相独立的谐波治理单相主电路，所述的谐波治理单相主电路包括依次相连的单相逆变全桥直流侧电压支撑电容器组、单相逆变全桥电路、高频滤波电路、无源低通滤波器和谐波治理并网电路，其中：

单相逆变全桥直流侧电压支撑电容器组，包括与并联的第一大容量、高电压电解电容Cd1、第二大容量、高电压电解电容Cd2、第三大容量、高电压电解电容Cd3、第四大容量、高电压电解电容Cd4、直流侧电容能量释放电阻R串联的直流侧电容快速熔断器F1；

单相逆变全桥电路，包括直流侧突波吸收电容Cs、第一、第二、第三、第四大功率开关S1、S2、S3、S4，所述的第一、第二大功率开关S1、S2串联后并联在直流侧突波吸收电容Cs的两端，所述的第三、第四大功率开关S3、S4串联后并联在直流侧突波吸收电容Cs的两端，其中，直流侧突波吸收电容Cs的两端为输入端，第一大功率开关S1和第二大功率开关S2的中间结点为第一中间结点N1，第三大功率开关S3和第四大功率开关S4的中间结点为第二中间结点N2，第一中间结点N1和第二中间结点N2为输出端；

高频滤波电路，包括依次连接的低通滤波器、差模滤波电抗器L、脉冲群抑制器，该低通滤波器包括若干电感、电阻和电容；

无源低通滤波器，包括一第三电容C，它串联在脉冲群抑制器的一输出端上；

谐波治理并网电路，包括装置保护快速熔断器F2和单相并网断路器S，装置保护快速熔断器F2的一端与第三电容C的输出端相连，另一端与单相并网断路器S相连。

所述的低通滤波器包括依次串联的第一电感L1、第一电阻R1、第一电容C1、第二电容C2、第二电阻R2和第二电感L2，其中，第一电感L1的一端与第一中间结点N1相连，另一端还与差模滤波电抗器L的一输入端相连，第二电感L2的一端与第二中间结点N2相连，另一端还与差模滤波电抗器L的另一输入端相连。

所述的第一、第二、第三和第四大功率开关S1、S2、S3、S4均为绝缘栅双极性晶体管IGBT。

所述的直流侧突波吸收电容Cs为聚乙烯薄膜高频电容。

所述的差模滤波电抗器L为采用高频非晶铁心构成的差模滤波电抗器。

所述的第三电容C和差模滤波电抗器L之间的谐振频率为5至6倍的工频频率。

所述的单相并网断路器S带有电动操作部分和快速脱励部分以达到通过电信号控制谐波治理装置并网或脱网操作。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：具有无功补偿的谐波治理装置通过三相独立的谐波治理单相主电路，采用了新型的结构，降低了控制的复杂度，可完全补偿中线电流，电能转换效率大于95％，三单相逆变全桥电路中C、L发生谐振，降低直流侧电压，同时也降低装置的电磁干扰。

附图说明

图1是本实用新型谐波治理单相主电路的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，本实用新型的具有无功补偿的谐波治理装置，包括三相独立的谐波治理单相主电路，该谐波治理单相主电路包括依次相连的单相逆变全桥直流侧电压支撑电容器组1、单相逆变全桥电路2、高频滤波电路3、无源低通滤波器4和谐波治理并网电路5，其中：

单相逆变全桥直流侧电压支撑电容器组1，包括与并联的第一大容量、高电压电解电容Cd1、第二大容量、高电压电解电容Cd2、第三大容量、高电压电解电容Cd3、第四大容量、高电压电解电容Cd4、直流侧电容能量释放电阻R串联的直流侧电容快速熔断器F1，其中：

第一、第二、第三、第四大容量、高电压电解电容Cd1、Cd2、Cd3、Cd4起到直流侧电压支撑作用，为单相逆变全桥电路2输出电流的形成提供稳定的电压源，这四个大容量、高电压电解电容参数一致，即额定耐压水平为450VDC，额定容量为5600uF，耐高纹波电流，高可靠性，长寿命(运行温度为+85℃时，施加纹波电流可承受20000小时)，尺寸为φ100×250R，在具有无功补偿的谐波治理装置稳定运行时，谐波治理的各个单相逆变全桥电路2直流侧额定电压水平为400VDC；

直流侧电容能量释放电阻R，该电阻的作用是：当具有无功补偿的谐波治理装置停机脱网和故障脱网时，直流侧第、第二、第三、第四大容量、高电压电解电容Cd1、Cd2、Cd3、Cd4通过该直流侧电容能量释放电阻R释放其存储的能量，并逐步降低直流侧第一、第二、第三、第四大容量、高电压电解电容Cd1、Cd2、Cd3、Cd4上残留电压，以保证设备元件和检修人员人身安全，该电阻的取值应能保证直流侧能量损耗小于10W，本实施例中，直流侧电容能量释放电阻R的取值为：15kΩ±10％，20W的水泥电阻；

直流侧电容保护快速熔断器F1，该熔断器的作用是：当具有无功补偿的谐波治理装置的单相逆变全桥电路2发生短路故障时，第一～第四大容量、高电压电解电容Cd1～Cd4将通过导通的大功率开关(本实施例中为绝缘栅双极性晶体管IGBT)迅速释放能量，此时直流侧第一～第四大容量、高电压电解电容Cd1～Cd4的电流将急剧上升，电容将可能因此而发生过热现象，导致其工作寿命降低，严重时会导致直流侧第一～第四大容量、高电压电解电容Cd1～Cd4爆炸，因此当装置发生严重过流时(其它过流保护措施失效时)，并且装置电流达到设计的熔断极限时，该直流侧电容保护快速熔断器F1熔断，切断直流侧第一～第四大容量、高电压电解电容Cd1～Cd4与单相逆变全桥电路2之间的连接，不仅保护直流侧电解电容Cd1～Cd4，而且还可保护单相逆变全桥电路2的功率元件，该直流侧电容保护快速熔断器F1的选取大于装置其它关于IGBT保护的最大限值，本谐波治理装置中直流侧电容保护快速熔断器F1采用：额定电压为500V、熔断电流为350A的功率半导体保护快速熔断器。

单相逆变全桥电路2，包括直流侧突波吸收电容Cs、第一、第二、第三、第四大功率开关S1、S2、S3、S4，第一～第四大功率开关S1～S4均为绝缘栅双极性晶体管IGBT，该第一、第二大功率开关S1、S2串联后并联在直流侧突波吸收电容Cs的两端，第三、第四大功率开关S3、S4串联后并联在直流侧突波吸收电容Cs的两端，其中，直流侧突波吸收电容Cs的两端为输入端，第一大功率开关S1和第二大功率开关S2的中间结点为第一中间结点N1，第三大功率开关S3和第四大功率开关S4的中间结点为第二中间结点N2，第一中间结点N1和第二中间结点N2为输出端，其中：

第一～第四大功率开关S1～S4的具体参数应根据谐波治理部分的容量来决定，本谐波治理装置中单相逆变全桥电路2的额定容量为75kVA，短时一分钟过负荷容量为100kVA，因此功率元件IGBT的电流应在2倍的单相逆变全桥电路2最大电流，即303A；由于单相逆变全桥电路2的直流侧额定电压为400VDC，因此功率元件IGBT的电压取3倍的直流侧额定电压，即1200VDC；为了保证单相逆变全桥电路2能够有效消除线路中的谐波成分，应具有较高的开关频率，因此选用能够稳定运行在10kHz的功率开关元件IGBT，考虑到各个功率元件的散热问题，采用与散热器接触面积较大的功率开关元件IGBT，具体的第一～第四大功率开关S1～S4的参数为：

IGBT额定电压：1200VDC；

IGTB额定电流：302A；

IGTB开关频率：≥10kHz；

IGTB工作温度：-5℃～+80℃；

IGTB基本外形：具有较大接触面积的平板型；

IGBT损耗特性：具有＜2V的导通压降；

直流侧突波吸收电容Cs，主要目的是防止第一～第四大功率开关S1～S4在开关过程发生过电压现象，而导致功率元件损坏，该电容为聚乙烯薄膜高频电容，其电压等级为1200VDC，容量为3.3uF。

高频滤波电路3，包括依次连接的低通滤波器31、差模滤波电抗器L、脉冲群抑制器32，该低通滤波器包括若干电感、电阻和电容，该低通滤波器31包括依次串联的第一电感L1、第一电阻R1、第一电容C1、第二电容C2、第二电阻R2和第二电感L2，，该低通滤波器31是其中，第一电感L1的一端与第一中间结点N1相连，另一端还与差模滤波电抗器L的一输入端相连，第二电感L2的一端与第二中间结点N2相连，另一端还与差模滤波电抗器L的另一输入端相连，本实施例中，差模滤波电抗器L为采用高频非晶铁心构成的差模滤波电抗器，其中：

第一电感L1、第一电阻R1、第一电容C1、第二电容C2、第二电阻R2和第二电感L2构成了带阻尼衰减的低通滤波器，其截止频率为10kHz，因此L1＝L2＝500uH，电压等级为500V；C1＝C2＝10uF，电压等级为800V；R1＝R2＝0.3Ω，功率为25W；

差模滤波电抗器L是采用高频非晶铁心构成的差模滤波电抗器，L＝250uH，该差模滤波电抗器L同时与第三电容C作用构成无源滤波装置；

脉冲群抑制器32，是为了防止配电网操作过电压或高频、高压脉冲对装置发生冲击，而导致装置功率元器件因电磁干扰EMI导致损坏现象，该脉冲群抑制器32的容量由单相逆变全桥电路2的容量决定，其额定电流为150A，额定电压为220V。

无源低通滤波器4，包括一第三电容C，它串联在脉冲群抑制器的一输出端上，第三电容C和差模滤波电抗器L之间的谐振频率为5至6倍的工频频率，本实施例中，第三电容C的取值为500uF，电压等级为400VAC。

谐波治理并网电路5，包括装置保护快速熔断器F2和单相并网断路器S，装置保护快速熔断器F2的一端与第三电容C的输出端相连，另一端与单相并网断路器S相连，单相并网断路器S带有电动操作部分和快速脱励部分以达到通过电信号控制谐波治理装置并网或脱网操作，其中：

保护快速熔断器F2，为装置极端过电流(其它过电流保护措施失效时)保护措施，其熔断电流为350A，电压等级为500V；

单相并网断路器S，其额定电流为150A，额定电压为220V，该单相并网断路器S带有电动操作部分和快速脱励部分，达到通过电信号控制装置并网或脱网操作，以及装置发生故障时，装置快速脱网操作。

Claims (7)

1.具有无功补偿的谐波治理装置，其特征在于，包括三相独立的谐波治理单相主电路，所述的谐波治理单相主电路包括依次相连的单相逆变全桥直流侧电压支撑电容器组、单相逆变全桥电路、高频滤波电路、无源低通滤波器和谐波治理并网电路，其中：

单相逆变全桥直流侧电压支撑电容器组，包括与并联的第一大容量、高电压电解电容Cd1、第二大容量、高电压电解电容Cd2、第三大容量、高电压电解电容Cd3、第四大容量、高电压电解电容Cd4、直流侧电容能量释放电阻R串联的直流侧电容快速熔断器F1；

单相逆变全桥电路，包括直流侧突波吸收电容Cs、第一、第二、第三、第四大功率开关S1、S2、S3、S4，所述的第一、第二大功率开关S1、S2串联后并联在直流侧突波吸收电容Cs的两端，所述的第三、第四大功率开关S3、S4串联后并联在直流侧突波吸收电容Cs的两端，其中，直流侧突波吸收电容Cs的两端为输入端，第一大功率开关S1和第二大功率开关S2的中间结点为第一中间结点N1，第三大功率开关S3和第四大功率开关S4的中间结点为第二中间结点N2，第一中间结点N1和第二中间结点N2为输出端；

高频滤波电路，包括依次连接的低通滤波器、差模滤波电抗器L、脉冲群抑制器，该低通滤波器包括若干电感、电阻和电容；

无源低通滤波器，包括一第三电容C，它串联在脉冲群抑制器的一输出端上；

谐波治理并网电路，包括装置保护快速熔断器F2和单相并网断路器S，装置保护快速熔断器F2的一端与第三电容C的输出端相连，另一端与单相并网断路器S相连。

2.根据权利要求1所述的具有无功补偿的谐波治理装置，其特征在于，所述的低通滤波器包括依次串联的第一电感L1、第一电阻R1、第一电容C1、第二电容C2、第二电阻R2和第二电感L2，其中，第一电感L1的一端与第一中间结点N1相连，另一端还与差模滤波电抗器L的一输入端相连，第二电感L2的一端与第二中间结点N2相连，另一端还与差模滤波电抗器L的另一输入端相连。

3.根据权利要求1所述的具有无功补偿的谐波治理装置，其特征在于，所述的第一、第二、第三和第四大功率开关S1、S2、S3、S4均为绝缘栅双极性晶体管IGBT。

4.根据权利要求1或3所述的具有无功补偿的谐波治理装置，其特征在于，所述的直流侧突波吸收电容Cs为聚乙烯薄膜高频电容。

5.根据权利要求1所述的具有无功补偿的谐波治理装置，其特征在于，所述的差模滤波电抗器L为采用高频非晶铁心构成的差模滤波电抗器。

6.根据权利要求1所述的具有无功补偿的谐波治理装置，其特征在于，所述的第三电容C和差模滤波电抗器L之间的谐振频率为5至6倍的工频频率。

7.根据权利要求1所述的具有无功补偿的谐波治理装置，其特征在于，所述的单相并网断路器S带有电动操作部分和快速脱励部分以达到通过电信号控制谐波治理装置并网或脱网操作。