CN203660895U - Igbt变流器及其构成的静止无功发生器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种IGBT变流器，包括：串联的第一电容和第二电容；由四个IGBT和两个二极管组成的第一～第三桥臂电路；第一桥臂电路其一端作为第一电流输出端，其另一端接第一电容和第二电容的均压点；第二桥臂电路其一端作为第二电流输出端，其另一端接所述均压点；第三桥臂电路，其一端作为第三电流输出端另一端接所述均压点。本实用新型还公开了一种具有所述IGBT变流器静止无功发生器。本实用新型的IGBT变流器采用三电平结构，控制方式灵活，输出电流谐波含量低，效率高。本实用新型的静止无功发生器采用全数字控制技术不易产生谐振并且电感量远小于现有静止无功补偿器。

Description

IGBT变流器及其构成的静止无功发生器

技术领域

本实用新型涉及电力设备制造领域，特别是涉及一种PWM（脉冲宽度调试）变流器；本实用新型还涉及一种具有所述IGBT变流器静止无功发生器。

背景技术

伴随交流电力系统容量的扩大，电压等级的提高和输电距离的增加，我国无功补偿技术和配套设备也得到了快速的发展。目前国内外市场上应用最多是并联型无功补偿设备，约占市场份额的90%以上。无功补偿装置主要可分为为传统无功补偿（调相机、机械投切电容器MSC等）、静止无功补偿器（SVC）和静止无功发生器（SVG）。

机械开关投切电容器组（MSC）和调相机等是第一代无功补偿产品，具有结构简单，成本低廉等特点，但由于运行噪音大，响应时间极慢，灵活性太差，目前基本已经淘汰。

静止无功补偿器（SVC）主要分为晶闸管控制电抗器TCR型、磁控电抗器MCR型和晶闸管投切电容器TSC型，具有响应较快速，控制较灵活，价格适中等特点，是目前应用最广泛的无功补偿装置。但SVC也存在不少缺点：当电压水平过于低下，急需无功补偿时，补偿器的输出反而会减少，致使补偿效果产生较大的影响。其次工作时会产生较大的谐波，对电力系统造成污染。另外，由于开关器件的不可控，其调节质量相对减弱，动态性能难以提高。

静止无功发生器（SVG）在其直流侧只需较小容量的电容器维持其电压即可，通过不同控制可使其发出无功功率也可吸收无功功率，在构成原理、响应速度、补偿特性、双向调节以及占地面积上均比SVC优越。

在科技、经济飞速发展的今天，社会各方对供电质量提出了越来越高的要求，除了要求供电可靠连续外，还希望供电电压、频率稳定，波形良好。特别是伴随电信产业的迅猛发展，如电子计算机、通信设备、自动生产线等复杂精密设备对供电质量的要求就更为严格，对电源波动和各种干扰比以往的机电设备也更加敏感，任何供电质量的恶化都可能造成产品的质量下降甚至损毁，严重影响人们正常的生产、生活。

然而，在现代电网中，电动机、工频炉、荧光灯等感性负载占据相当大比重，它们在消耗有功功率的同时，还需要吸收大量的无功功率。此外，近年来电力系统中非线性用电设备，特别是电力电子装置(如：相控整流器、变频调速装置)的迅速增多和应用日益广泛，这一方面使得电能得到更加充分的利用，另一方面又使大量的无功电流注入电网。公用电网中出现的这些无功功率，将导致设备及线路损耗增加，引起电压闪变、频率变化和三相不平衡，致使电网的电能质量严重恶化，影响输电效率和设备寿命，同时也会影响供电企业的经济效益，严重时甚至危及到电力系统的安全运行。因此，为了有效改善电能质量，保证电网的安全、稳定以及经济运行，必须对无功功率进行控制与补偿。这样一来，研究和发展无功补偿技术，如何更好、更有效、更优化的对无功功率进行动态补偿，就成为当今电力系统、电力电子技术和控制研究领域中急需解决的重要课题，正受到国内外多方的关注。而且我国与发达国家相比，无论从电网功率因数还是补偿深度来看，都有较大差距，因此在我国大力推广无功补偿技术尤为迫切，意义也十分重大。

静止无功发生器（SVG）通过注入与实际无功电流大小相等、方向相反的补偿电流来工作，其原理和控制方法与SVC完全不同。它不采用常规的电容器和电抗器，而是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联到电网上，即将ASVG视为连接在三相传输线路上的一个三相电压源逆变器，通过适当控制三相电压源逆变器输出电压，使其与系统交换满足要求的无功(感性或容性)，以最终实现无功补偿。

静止无功发生器（SVG）在柔性交流输电系统中占有相当重要的地位，是电力系统主要的可控设备之一。它不仅可以调节无功，还可用来改善电力系统稳定性。它可以在电网连接点提供快速的电压和无功控制，保护电网不受谐波、电压闪烁、电压不对称之类的电网污染，以改善电网供电质量；也可提高线路的功率因数，减少线损。

静止无功发生器（SVG）在其直流侧只需较小容量的电容器维持其电压即可，通过不同控制可使其发出无功功率也可吸收无功功率，在构成原理、响应速度、补偿特性、双向调节以及占地面积上均比SVC优越。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种体积减少损耗降低的IGBT变流器。

本实用新型要解决的另一技术问题是提供一种具有所述IGBT变流器，采用全数字控制技术，调节精度更高，响应速度更快，不易产生谐振并且电感量远小于现有SVC的静止无功发生器。

为解决上述技术问题，本实用新型的IGBT变流器，包括：

串联的第一电容C1和第二电容C2；

第一桥臂电路，包括：串联的第一IGBT（绝缘栅双极型晶体管）T1至第四IGBT T4，第一IGBT T1的集电极接第一电容C1的正极，第四IGBT T4的发射极接第二电容C2的负极，第二IGBT T2发射极作为第一电流输出端ica；

串联的第一二极管D1和第一二极管D2，第一二极管D1负极接第一IGBT T1发射极，第一二极管D1正极接第一电容C1和第二电容C2的均压点N；

第二桥臂电路，包括：串联的第五IGBT T5至第八IGBT T8，第五IGBT T5的集电极接第一电容C1的正极，第八IGBT T8的发射极接第二电容C2的负极，第六IGBT T6发射极作为第二电流输出端icb；

串联的第三二极管D3和第四二极管D4，第三二极管D3负极接第五IGBT T5发射极，第三二极管D3正极接所述均压点N；

第三桥臂电路，包括：串联的第九IGBT T9至第十二IGBT T12，第九IGBT T9的集电极接第一电容C1的正极，第十二IGBT T12的发射极接第二电容C2的负极，第十IGBTT10发射极作为第三电流输出端icc；

串联的第五二极管D5和第六二极管D6，第五二极管D5负极接第九IGBT T9发射极，第五二极管D5正极接所述均压点N。

为解决上述技术问题，本实用新型的静止无功发生器，包括：

DSP控制电路，采用浮点微处理器作为主控芯片，控制系统辅以CPLD芯片进行数字信号的逻辑处理，CPLD芯片完成采样信号处理、控制计算、电路保护以及PWM信号输出。

AD信号检测及调理单元，AD信号检测能实现三相电网电压信号检测，三相负载电流信号检测，三相静止无功发生器输出电流检测，两路直流侧电容电压检测；

经互感器检测，运放电路调理后，由外部AD采样芯片采样转换，输出数字信号至DSP控制电路进行处理；

保护电路，保护静止无功发生器无故障运行，当静止无功发生器直流电容电压过高，或上下电容电压差过大，电网电压异常，功率器件温度过高时，保护电路变产生保护信号，切断PWM输出信号，关闭静止无功发生器；

PWM驱动单元，DSP控制电路经运算处理后，产生PWM信号，由外部放大电路放大信号，再经过隔离驱动电路形成具有驱动能力的PWM驱动信号来驱动主功率电路的IGBT；

IGBT变流器，接收PWM驱动信号，输出无功电流至电网，IGBT发出温度信号输送至IGBT温度检测单元；所述IGBT模块即所述桥臂电路，能发出温度信号；

IGBT温度检测单元，由一个单独的AD芯片完成，通过两线式串行总线通讯接口输出至DSP控制电路；

通讯单元，具有串行通信接口和串行外围设备接口。

本实用新型的IGBT变流器采用三电平结构，控制方式灵活，输出电流谐波含量低，效率高。

本实用新型的静止无功发生器采用直流侧电容器用来稳定直流电压，因此容量要求不高，这样可以省去常规补偿装置中的大电感和大容量及庞大的切换机构，使SVG装置的体积减少、损耗降低，且较小的电容量在系统中普遍使用也不易产生谐振。

本实用新型的静止无功发生器既能响应网络中的稳态也能响应暂态变化，因此在提高系统的暂态稳定性、阻尼系统振荡等方面大大优于传统的无功补偿设备。

本实用新型的静止无功发生器采用全数字控制技术，系统可靠性高。

本实用新型的静止无功发生器控制灵活、响应速度快，调节范围广，在感性和容性运行工况下均可连续快速调节，从而提高供电电压质量。运行噪音小，安全稳定。由于没有传统无功补偿设备如调相机那样的大型转动设备，无磨损，无机械噪声，这将大大提高装置寿命，改善对环境的影响。本实用新型的静止无功发生器连接电抗小，系统体积小。SVG接入电网的连接电抗用于滤除电流中的较高次谐波，另外起到将逆变器和电网这两个交流电压源连接起来的作用，因此所需的电感量并不大，该值也远小于同容量SVC所需的电感量。

本实用新型的静止无功发生器采用高频率可关断器件，再与桥式交流电路的多重化技术、多电平技术或PWM(本文为正弦脉冲宽度调试SPWM)技术相结合，可得到较理想的正弦电压、电流波形，使输出波形谐波含量得以减少。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明：

图1是本实用新型静止无功发生器工作原理示意图。

图2是本实用新型IGBT变流器一实施例的结构示意图。

图3是本实用新型静止无功发生器一实施例的结构示意图。

附图标记说明

C1是第一电容

C2是第二电容

D1～D6是第一～第六二极管

T1～T12是第一～第十二IGBT

ica是第一电流输出端

icb第二电流输出端

icc是第三电流输出端

N是第一电容C1和第二电容C2的均压点

Usa、Usb、Usc是三相电网电压

isa、isb、isc是三相电网电流

ila、ilb、ilc是三相负载电流

Ua、Ub、Uc是电网电压

ADC是AD信号检测及调理单元

DSP+CPLD是DSP控制电路

具体实施方式

如图2所示，本实用新型IGBT变流器一实施例，包括：串联的第一电容C1和第二电容C2；

第一桥臂电路，包括：串联的第一IGBT T1至第四IGBT T4，第一IGBT T1的集电极接第一电容C1的正极，第四IGBT T4的发射极接第二电容C2的负极，第二IGBT T2发射极作为第一电流输出端ica；

串联的第一二极管D1和第一二极管D2，第一二极管D1负极接第一IGBT T1发射极，第一二极管D1正极接第一电容C1和第二电容C2的均压点N；

第二桥臂电路，包括：串联的第五IGBT T5至第八IGBT T8，第五IGBT T5的集电极接第一电容C1的正极，第八IGBT T8的发射极接第二电容C2的负极，第六IGBT T6发射极作为第二电流输出端icb；

串联的第三二极管D3和第四二极管D4，第三二极管D3负极接第五IGBT T5发射极，第三二极管D3正极接所述均压点N；

第三桥臂电路，包括：串联的第九IGBT T9至第十二IGBT T12，第九IGBT T9的集电极接第一电容C1的正极，第十二IGBT T12的发射极接第二电容C2的负极，第十IGBTT10发射极作为第三电流输出端icc；

串联的第五二极管D5和第六二极管D6，第五二极管D5负极接第九IGBT T9发射极，第五二极管D5正极接所述均压点N。

如图3所示，本实用新型静止无功发生器一实施例，包括:

DSP控制电路，采用浮点微处理器作为主控芯片，控制系统辅以CPLD芯片进行数字信号的逻辑处理，CPLD芯片完成采样信号处理、控制计算、电路保护以及PWM信号输出。

本实施例中，整个控制电路以TI公司的32位浮点微处理器TMS320C28346为主控芯片，TMS320C28346隶属于Delfino MCU系列产品成员，运行频率可高达300MHZ，是针对要求严格控制应用的高度集成、高性能解决方案。控制系统辅以Altera公司的EPM570T100CPLD芯片。

AD信号检测及调理单元，AD信号检测能实现三相电网电压信号检测，三相负载电流信号检测，三相静止无功发生器输出电流检测，两路直流侧电容电压检测；

经互感器检测，运放电路调理后，由外部AD采样芯片采样转换，输出数字信号至DSP控制电路进行处理；本实施例中，外部AD采样芯片为AD7657；

保护电路，保护静止无功发生器无故障运行，当静止无功发生器直流电容电压过高，或上下电容电压差过大，电网电压异常，功率器件温度过高时，保护电路变产生保护信号，切断PWM输出信号，关闭静止无功发生器；

PWM驱动单元，DSP控制电路经运算处理后，产生PWM信号，由外部放大电路放大信号，再经过隔离驱动电路形成具有驱动能力的PWM驱动信号来驱动主功率电路的IGBT；

IGBT变流器，接收PWM驱动信号，输出无功电流至电网，IGBT模块发出温度信号输送至IGBT温度检测单元；所述IGBT模块即所述桥臂电路，能发出温度信号；

IGBT温度检测单元，由一个单独的AD芯片完成，通过两线式串行总线通讯接口输出至DSP控制电路；本实施例，IGBT温度检测由一个单独的AD芯片AD7995完成，通过两线式串行总线I2C通讯接口输出至DSP。

通讯单元，具有串行通信接口和串行外围设备接口。

以上通过具体实施方式和实施例对本实用新型进行了详细的说明，但这些并非构成对本实用新型的限制。在不脱离本实用新型原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (2)

1.一种IGBT变流器，其特征是，包括： 

串联的第一电容（C1）和第二电容（C2）； 

第一桥臂电路，包括：串联的第一IGBT（T1）至第四IGBT（T4），第一IGBT（T1）的集电极接第一电容（C1）的正极，第四IGBT（T4）的发射极接第二电容（C2）的负极，第二IGBT（T2）发射极作为第一电流输出端（ica）； 

串联的第一二极管（D1）和第一二极管（D2），第一二极管（D1）负极接第一IGBT（T1）发射极，第一二极管（D1）正极接第一电容（C1）和第二电容（C2）的均压点（N）； 

第二桥臂电路，包括：串联的第五IGBT（T5）至第八IGBT（T8），第五IGBT（T5）的集电极接第一电容（C1）的正极，第八IGBT（T8）的发射极接第二电容（C2）的负极，第六IGBT（T6）发射极作为第二电流输出端（icb）； 

串联的第三二极管（D3）和第四二极管（D4），第三二极管（D3）负极接第五IGBT（T5）发射极，第三二极管（D3）正极接所述均压点（N）； 

第三桥臂电路，包括：串联的第九IGBT（T9）至第十二IGBT（T12），第九IGBT（T9）的集电极接第一电容（C1）的正极，第十二IGBT（T12）的发射极接第二电容（C2）的负极，第十IGBT（T10）发射极作为第三电流输出端（icc）； 

串联的第五二极管（D5）和第六二极管（D6），第五二极管（D5）负极接第九IGBT（T9）发射极，第五二极管（D5）正极接所述均压点（N）。 

2.一种静止无功发生器，其特征是，包括： 

DSP控制电路，采用浮点微处理器作为主控芯片，控制系统辅以CPLD芯片进行数字信号的逻辑处理，CPLD芯片完成采样信号处理、控制计算、电路保护以及PWM信号输出功能； 

AD信号检测及调理单元，AD信号检测能实现三相电网电压信号检测，三相负载电流信号检测，三相静止无功发生器输出电流检测，两路直流侧电容电压检测； 

经互感器检测，运放电路调理后，由外部AD采样芯片采样转换，输出数字信号至DSP控制电路进行处理； 

保护电路，保护静止无功发生器无故障运行，当静止无功发生器直流电容电压过高，或上下电容电压差过大，电网电压异常，功率器件温度过高时，保护电路变产生保护信号，切断PWM输出信号，关闭静止无功发生器； 

PWM驱动单元，DSP控制电路经运算处理后，产生PWM信号，由外部放大电路放大信号，再经过隔离驱动电路形成具有驱动能力的PWM驱动信号来驱动主功率电路的IGBT； 

IGBT变流器，接收PWM驱动信号，输出无功电流至电网，IGBT模块发出温度信号输送至IGBT温度检测单元； 

IGBT温度检测单元，由一个单独的AD芯片完成，通过两线式串行总线通讯接口输出至DSP控制电路； 

通讯单元，具有串行通信接口和串行外围设备接口。 

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