CN204046177U - 链式动态电能治理装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种链式动态电能治理装置，包括PF滤波回路、三相H桥级联型多电平逆变器、换流电抗器和控制系统；所述PF滤波回路由电抗器和高通滤波器组成；所述三相H桥级联型多电平逆变器交流侧接换流电抗器，并与所述高通滤波器并联后经所述电抗器并入电网；所述控制系统将采集运算得到的指令信号与所述三相H桥级联型多电平逆变器的反馈信号比较后生成PWM信号，进而控制三相H桥级联型多电平逆变器工作。有益效果是：可直接输出阶梯波，无需多脉冲调制即可实现接近于正弦波的电压输出，因此降低了器件的开关损耗；采用链式结构，无需安装变压器，降低了装置的损耗和造价；易于实现模块化生产，并有利于实现不同容量装置的组合。

Description

链式动态电能治理装置

技术领域

本实用新型涉及电力设备技术领域，尤其是涉及链式动态电能治理装置。

背景技术

随着现代科学技术的发展，电力用户对电能质量要求也在不断的提高。对于钢铁、化工、冶金、铁路及机械制造等现代企业来说，广泛使用的先进技术使得供电系统故障或电能质量恶化可能会带来毁灭性的影响。电压波动、闪变、三相不平衡等日趋严重，这些对电网的不利影响不仅会导致供用电设备本身的安全性降低，而且会严重削弱和干扰电网的经济运行。由于供电系统中增加了大量的非线性负载，会引起电网电流、电压波形发生畸变，造成电网的“污染”。

在电力系统中往往设置有无功补偿装置来保证负载的安全，无功补偿装置从最早的并联电容器发展到今天，经历了电容器、同步调相机、静止无功补偿装置(SVC)到今天最新的技术SVG等几个不同的时期。

并联电容器结构比较简单，安装和维护方便，但它只能补偿感性无功，不能补偿容性无功，并且因为它的阻抗值是一定的，所以不能实现对无功功率动态补偿。另外，电容器负电压效应，如果其电压下降，补偿电流也会下降，系统电压和补偿无功量就会随之迅速下降，在系统存在谐波的情况下，就可能会发生并联谐振，从而放大谐波电流，甚至烧毁电容器。

同步调相机(Synchronous Condenser-SC)是早期动态无功补偿装置的典型代表。它是一种同步电机，在不同的条件下，既可以产生容性无功功率又可以产生感性无功功率，因此，它对固定的和变化的无功功率都能补偿，即可以实现动态补偿。在刚开始的几十年中，它是无功补偿领域的主流产品。但由于旋转电机噪声比较大、损耗高、控制和维护复杂、响应速度慢等缺点，同步调相机已经无法适应无功功率补偿的控制要求。

上世纪70年代以来，静止无功补偿装置(Static Var Compensator-SVC)成为无功补偿领域的新宠，逐渐替代同步调相机。早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器(Saturated Reactor-SR)型的。1967年，世界首批饱和电抗器在英国的GEC公司诞生。跟同步调相机相比，优点是响应速度快，缺点是噪声和损耗比较大。另外，饱和电抗器不能补偿负载的三相不平衡，加上存在非线性电路的一些问题，所以注定不能成为静止无功补偿领域的主流产品。随着电力电子技术的发展，晶闸管开始用于静止无功补偿装置。1977年，第一台晶闸管静止无功补偿装置在美国GE公司运行成功。1978年，西屋电气公司(West-house Electric Corp)在美国国家电力研究院(Electric Power ResearchInstitute)的支持下，投入运行了自己生产的晶闸管静止无功补偿装置。随后，各种类似产品层出不穷。有了近20年的发展，SVC已在静止无功补偿领域占据了主导地位。主要类别有以下几种：晶闸管投切电容器(Thyristor SwitchedCapacitor-TSC)、晶闸管控制电抗器(Thyristor Controlled Reactor-TCR)、TCR+TSC、TCR+FC(Fixed Capacitor-FC)、TCR+MSC(Mechanically SwichedCapacitor-MSC)等。SVC最大的优点是响应速度快、可以实现动态补偿，因此在电力系统无功补偿领域得以迅速的发展。SVC的缺点是谐波含量高，需要大容量的电感和电容等储能元件，其连续可调也有前提条件是在感性工况下。

随着电力电子技术的进一步发展，八十年代以来，一种更先进的静止型无功补偿装置出现了，这就是采用自换相变流电路的静止无功补偿装置，即静止无功补偿器(Static Compensator-STATCOM)，也称为高级静止无功补偿器(Advanced Static Var Compensator-ASVC)，或者称为静止无功发生器(Static VarGenerator-SVG)。与SVC相比，SVG减小了体积、节省了材料，并具有响应速度快、调节性能好、能综合补偿三相不平衡和谐波的特点，成为无功补偿的重要发展方向。

实用新型内容

本实用新型为解决上述技术问题，在于提供一种链式动态电能治理装置，以改善配电网电能质量问题，包括电压波动、闪变，三相不平衡，谐波和功率因数等问题。

本实用新型所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

链式动态电能治理装置，包括PF滤波回路、三相H桥级联型多电平逆变器、换流电抗器和控制系统；所述PF滤波回路由电抗器和高通滤波器组成；所述三相H桥级联型多电平逆变器交流侧接换流电抗器，并与所述高通滤波器并联后经所述电抗器并入电网；所述控制系统将采集运算得到的指令信号与所述三相H桥级联型多电平逆变器的反馈信号比较后生成PWM信号，进而控制三相H桥级联型多电平逆变器工作。

作为优选的技术方案，所述三相H桥级联型多电平逆变器由3个桥臂连接组成。

作为优选的技术方案，所述桥臂通过Y型或△型连接。

作为优选的技术方案，每个所述桥臂由多个逆变单元直接串联构成。

作为优选的技术方案，每个所述逆变单元由4个具有反并联二极管的IGBT开关器件通过H桥连接后，再与直流电容并联组成。

作为优选的技术方案，所述的PF滤波回路的滤波次数由所述高通滤波器的截止频率所决定，可以设计滤除3次以上谐波。

作为优选的技术方案，所述的控制系统是由检测与运算电路、电流跟踪控制电路、PWM信号发生电路和直流侧电压控制电路组成。

本实用新型具有的有益效果是：(1)可直接输出阶梯波，无需多脉冲调制即可实现接近于正弦波的电压输出，因此降低了器件的开关损耗；

(2)采用链式结构，无需安装变压器，降低了装置的损耗和造价；

(3)易于实现模块化生产，并有利于实现不同容量装置的组合；

(4)可以同时进行无功及谐波补偿，PF滤波回路能够滤除其调谐频次附近的谐波，对于谐振频率附近的谐波电流呈低阻抗，对于基波相当于一个大电容，承担了大部分的基波电压；

(5)三相H桥级联多电平逆变器所承受的基波电压较小，能够适当改善PF滤波器的滤波特性，克服了PF滤波器易受电网特性的影响、易于电网阻抗发生谐波等缺点。

附图说明

图1为本实用新型：链式动态电能治理装置结构图；

图2为本实用新型：链式动态电能治理装置电路图；

图3为本实用新型：链式动态电能治理装置的逆变单元的结构图；

其中：1-PF滤波回路、2-三相H桥级联型多电平逆变器、3-换流电抗器、4-控制系统、11-电抗器、12-高通滤波器、41-检测与运算电路、42-电流跟踪控制电路、43-PWM信号发生电路、44-直流侧电压控制电路、5-电网、21-桥臂、22-逆变单元、23-IGBT开关器件、24-直流电容。

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。

如图1-2所示，链式动态电能治理装置由PF滤波回路1、三相H桥级联型多电平逆变器2、换流电抗器3和控制系统4组成；PF滤波回路1由电抗器11和高通滤波器12组成；控制系统4是由检测与运算电路41、电流跟踪控制电路42、PWM信号发生电路43和直流侧电压控制电路44组成；三相H桥级联型多电平逆变器2交流侧接换流电抗器3，并与高通滤波器12并联后经电抗器11并入电网5。

本实用新型的工作过程可表示为：首先通过电压、电流互感器检测到电网中的瞬时电压、电流信号并送入运算电路计算出系统的无功电流，电流跟踪控制电路将得到的无功电流指令信号与逆变器产生的反馈信号比较后得到电流误差信号，其次将电流误差信号与直流侧电压反馈信号一起作为PWM信号发生电路的输入信号，产生PWM脉冲以控制三相H桥级联型多电平逆变器正常工作，三相H桥级联型多电平逆变器通过换流电抗器发出或吸收相应的无功功率用于补偿负载所需无功，最后与高通滤波器并联后经电抗器并入电网。

三相H桥级联型多电平逆变器通过换流电抗器可以发出感性或吸收容性无功功率，有效补偿系统中的无功含量，提高功率因数；由高通滤波器和电抗器组成PF滤波回路，能够滤出调谐频次附近的谐波，滤波任务主要由无源滤波器承担，三相H桥级联型多电平逆变器起拾遗补缺、改善滤波效果的任务，并可抑制电网与滤波器之间的谐振。

参照图3所示，三相H桥级联型多电平逆变器2由3个桥臂21通过Y型或△型连接组成，每个桥臂21由多个逆变单元22直接串联构成，每个逆变单元22由4个具有反并联二极管的IGBT开关器件23通过H桥连接后，再与直流电容24并联组成。每个逆变单元22具有独立的电容，考虑到串联功率单元电容器的均压问题，设计中采用功率电阻和开关串联的方式进行放电，不但可以实现均压，而且在输入开关断开后，可以给直流电容放电，避免人身伤害事故的发生。

本实用新型中三相H桥级联型多电平逆变器的连接方式和链节单元数目可以根据如下方式确定：

(1)根据承受电压的计算

以接入10kV电网等级的链式动态电能治理装置为例，如果选用1700V的IGBT，则链节的额定直流电压可以工作在1000V(考虑到安全裕量)。按照最大调制比为1计算，每个链节可以输出的交流电压有效值为

$U_{\mathrm{Cell}}=\frac{1000}{\sqrt{2}}707V---\left(1\right)$

当选用Y型连接时，所需的最小级联数目为：

$N_Y=\frac{1.3\×10000/\sqrt{3}}{707}\≈11---\left(2\right)$

其中系数1.3为考虑到连接电抗上的电压降落及过载能力时所乘系数。

当选用△型连接时，所需的最小级联数目为：

$N_{\mathrm{\Δ}}=\frac{1.3\×10000}{707}\≈19---\left(3\right)$

(2)根据承受电流的计算

显然对于同一电压等级和容量，采用Y型结构时换流链的额定电流需要按照△结构额定电流的1.732倍设计。

根据以上的分析，对于额定电压相对较高、额定电流较小的场合，选择用Y型连接方式更具有经济性，因为这时需要较少的级联数目和承受电流等级。

对于无变压器的链式SVG设计，实际上还存在一个最小经济容量，这是由可以获得的开关器件(IGBT)的系列产品里最小的额定关断电流决定的。例如如果选用英飞凌的1700V单管IGBT，可以获得的最小额定电流是200A。如果选用此管时，按100A(考虑安全裕量)换流链额定参数设计，当直接连接到10kV系统上时，采用Y型结构时的最小经济容量为：

$S_Y=\sqrt{3}\×10000\×100=1.73\mathrm{Mvar}$

采用△型结构时的最小经济容量为：

S_Δ＝3×10000×100＝3Mvar    (6)

当所需装置的额定容量小于最小经济容量时，也没有更小的开关器件可选，实际上开关器件成本并不能再进一步降低。显然采用Y型结构时的最小经济容量小于△型结构，在所需装置容量较小时Y型结构更具经济性。

当装置容量较大时，由于额定电流变大，甚至使单个IGBT器件的电流关断能力不能满足要求。此时降低换流链的额定电流更有利于降低装置成本，此时△型结构的链式SVG更具经济性。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.链式动态电能治理装置，其特征在于，包括PF滤波回路、三相H桥级联型多电平逆变器、换流电抗器和控制系统；所述PF滤波回路由电抗器和高通滤波器组成；所述三相H桥级联型多电平逆变器交流侧接换流电抗器，并与所述高通滤波器并联后经所述电抗器并入电网；所述控制系统将采集运算得到的指令信号与所述三相H桥级联型多电平逆变器的反馈信号比较后生成PWM信号，进而控制三相H桥级联型多电平逆变器工作。

2.根据权利要求1所述的链式动态电能治理装置，其特征在于，所述三相H桥级联型多电平逆变器由3个桥臂连接组成。

3.根据权利要求2所述的链式动态电能治理装置，其特征在于，所述桥臂通过Y型或△型连接。

4.根据权利要求2或3所述的链式动态电能治理装置，其特征在于，每个所述桥臂由多个逆变单元直接串联构成。

5.根据权利要求4所述的链式动态电能治理装置，其特征在于，每个所述逆变单元由4个具有反并联二极管的IGBT开关器件通过H桥连接后，再与直流电容并联组成。

6.根据权利要求1所述的链式动态电能治理装置，其特征在于，所述的PF滤波回路的滤波次数由所述高通滤波器的截止频率所决定，可以滤除3次以上谐波。

7.根据权利要求1所述的链式动态电能治理装置，其特征在于，所述的控制系统是由检测与运算电路、电流跟踪控制电路、PWM信号发生电路和直流侧电压控制电路组成。