CN204905876U - 静态同步补偿装置 - Google Patents

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王建邦
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Abstract

本实用新型涉及一种静态同步补偿装置，该装置包括充放电模块和若干个单相电路模块，每一所述单相电路模块包括用于将直流电压逆变为交流电压的逆变模块和用于直流电压升降变换的变换模块，所述逆变模块的一端连接配电网相线，并且各个所述单相电路模块中的逆变模块连接不同的配电网相线，所述逆变模块的另一端连接所述变换模块的一端，所述变换模块的另一端连接所述充放电模块。该静态同步补偿装置以简单的电路结构实现对配电网无功功率和不平衡负荷的同时补偿，对于提高配电网的功率因数、降低配电网的经济成本有积极的意义。

Description

静态同步补偿装置
技术领域
本实用新型涉及电力系统自动控制技术领域，特别是涉及一种静态同步补偿装置。
背景技术
伴随着现代工业及工业设备的不断发展，用电设备对于配电网的电能质量的影响逐渐凸显，当某些非线性、冲击性及不平衡负荷接入电力系统时，如电弧炉、轧钢机等设备接入电力系统时，会引起配电网的电压波动、闪变以及供电不平衡等电能质量问题，然而配电网中某些电压敏感型负荷，如计算机系统、控制系统、精密仪器等对配电网的电能质量却有较高的要求，因此对于配电网中的不平衡负荷进行补偿，进而提高电能质量是十分必要的。与此同时，配电网中各种负荷的存在势必会产生无功功率，导致配电网的功率因数降低，因此对于无功功率进行补偿，也是配电网实用化过程中必须要考虑的重要因素之一。
实用新型内容
基于此，有必要针对配电网无功功率补偿和不平衡负荷补偿问题，提供一种静态同步补偿装置。
一种静态同步补偿装置，包括充放电模块和若干个单相电路模块，每一所述单相电路模块包括用于将直流电压逆变为交流电压的逆变模块和用于直流电压升降变换的变换模块，所述逆变模块的一端连接配电网相线且各个所述单相电路模块中的逆变模块连接不同的配电网相线，所述逆变模块的另一端连接所述变换模块的一端，所述变换模块的另一端连接所述充放电模块。
在上述静态同步补偿装置中，逆变模块能够实现对配电网各相无功功率的独立补偿，从而提高配电网的功率因数，同时该装置通过各个单相电路模块和充电充放电模块的协同作用实现配电网各相的有功功率的交换，最终实现对配电网有功功率的平衡，即对配电网不平衡负荷进行补偿。该静态同步补偿装置以简单的电路结构实现对配电网无功功率和不平衡负荷的同时补偿，对于提高配电网的功率因数、降低配电网的经济成本有积极的意义。
附图说明
图1为本实用新型静态同步补偿装置其中一个实施例的结构示意图；
图2为其中一个实施例单相电路模块的电路示意图；
图3为H桥逆变器的电路示意图；
图4为DC/DC全桥变换器的电路示意图；
图5为本实用新型静态同步补偿装置另一个实施例的电路示意图。
具体实施方式
下面将以三相四线制配电网为例，结合附图及较佳实施例对本实用新型所提出的静态同步补偿装置进行详细描述，应当指出的是，虽然此处所给出的各个实施例均以三相四线制配电网为例，但不应以此作为对本实用新型保护方案的限制，对于本领域的技术人员而言，围绕本实用新型的构思，可以将静态同步补偿装置应用于其他线制的配电网，如三相五线制配电网等。
参阅图1，图1是本实用新型静态同步补偿装置其中一个实施例的结构示意图。
在本实施例中，静态同步补偿装置包括1个充放电模块10和3个单相电路模块20，每一个单相电路模块20包括用于将直流电压逆变为交流电压的逆变模块21和用于直流电压升降变换的变换模块22，逆变模块21的一端连接配电网相线，并且不同单相电路模块中的逆变模块连接不同的配电网相线，逆变模块21的另一端连接变换模块22的一端，变换模块22的另一端连接充放电模块10，其中，充放电模块10用于从各个单相电路模块吸收并存储电能，或者对各个单相电路模块释放电能。由于逆变模块21是用于将直流电压逆变为交流电压的，包括逆变电压所需的容性负荷，而容性负荷能够为配电网中的设备提供建立交变电磁场所需的能量，使能量在容性负荷和设备的感性负荷之间相互交换，即设备的感性负荷所需要的无功功率可以由容性负荷输出的无功功率进行补偿，因而实现对配电网无功功率的补偿，而且由于每一个配电网相线均连接逆变模块，因此能够实现对配电网每一相的无功功率的独立补偿。下面举例说明静态同步补偿电路不平衡负荷补偿的基本原理：首先，配电网相线30为配电网，包括A相线、B相线、C相线以及中性线N，中性线和三个相线共同组成用于传输电能的网络线路；其次，在不电路损耗的情况下对不平衡负荷补偿原理进行分析，假定配电网的三相功率分别为PA、PB、PC，则平均功率为Pavg＝(PA+PB+PC)/3，且PA＜PB＜Pavg＜PC，A相所连的单相电路模块从配电网吸收的有功功率为Pavg-PA，并用于给充放电模块10充电；B相所连的单相电路模块从配电网吸收的有功功率为Pavg-PB，并用于给充放电模块10充电；C相所连的单相电路模块则向配电网注入有功功率，注入的有功功率为PC-Pavg，该功率经单相电路模块从充放电模块10获得，即充放电模块10向配电网的C相放电，其放电功率为PC-Pavg。由于(Pavg-PA)+(Pavg-PB)＝PC-Pavg，即静态同步补偿装置从配电网吸收的有功功率与对配电网释放的有功功率相等。经过补偿，配电网各相的有功功率最终均等于平均功率Pavg，达到了平衡，因而通过静态同步补偿电路最终实现对配电网不平衡负荷的补偿。
本实施例中的静态同步补偿装置，利用逆变模块实现对配电网三相无功功率的独立补偿，同时通过充放电模块对配电网的有功功率进行交换，使静态同步补偿装置从配电网有功出力小的相吸收有功功率并对充放电模块进行充电，同时从充放电模块吸收有功功率对配电网有功出力大的相释放有功功率，使得静态同步补偿装置从配电网吸收的有功功率等于对配电网释放的有功功率，最终实现对配电网三相有功功率的平衡，即实现对配电网不平衡负荷的补偿。上述静态同步补偿装置以简单的电路结构实现对配电网无功功率和不平衡负荷的同时补偿，对于提高配电网的功率因数、降低配电网的经济成本具有积极的意义。
作为一种具体的实施方式，充放电模块为公共直流母线电容Cm，用于存储从单相电路模块吸收的电能或者对单相电路模块释放电能。
作为一种具体的实施方式，参见图2所示的单相电路模块20的电路示意图，其中，逆变模块为H桥逆变器，该逆变器包括包括第一H桥(H-Bridge，HBI)HBI1、直流电容Cc和交流滤波电感Lf，其中，第一H桥的直流侧并联连接(即并接)直流电容Cc，第一H桥的交流侧的一端经交流滤波电感Lf连接配电网相线(如图2中的相线A)，第一H桥的交流侧的另一端连接配电网的中性线(即图2中的中性线N)，其中，交流滤波电感Lf用于滤除H桥逆变器输出的无功电流中的高次谐波电流，直流电容Cc则起到稳定H桥直流侧电压的作用。H桥逆变器用于检测配电网的无功电流，通过控制H桥逆变器中的各个开关管的通断，输出与配电网的无功电流大小相等的无功电流，从而实现配电网无功功率的补偿。
作为一种具体的实施方式，变换模块22为DC/DC全桥变换器，用于对充放电模块进行充放电。
优选地，参见图2所示的单相电路模块20的电路示意图，其中，DC/DC全桥变换器包括第二H桥HBI2、高频变压器(HighFrequencyTransformer，HFT)、电感L及第三H桥HBI3，第二H桥HBI2的直流侧并接直流电容Cc，第二H桥HBI2的交流侧连接高频变压器HFT的高压侧，高频变压器HFT的低压侧的一端经电感L连接第三H桥HBI3交流侧的一端，高频变压器HFT的低压侧的另一端连接第三H桥HBI3交流侧的另一端，第三H桥HBI3的直流侧连接充放电模块。
下面将对单相电路模块中的逆变模块和变换模块的具体结构进行详细说明。
参见图3，为逆变模块21中H桥逆变器的电路示意图，H桥逆变器包括第一H桥HBI1、直流电容Cc和交流滤波电感Lf，第一H桥HBI1包括4个开关晶体管和4个二极管，4个开关晶体管分别为第一开关晶体管T1、第二开关晶体管T2、第三开关晶体管T3和第四开关晶体管T4，4个二极管分别为第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4，在每一个开关晶体管的集电极和发射极之间都并接一个二极管，该二极管的阳极和与其并接的开关晶体管的发射极连接，该二极管的阴极和与其并接的开关晶体管的集电极连接，例如当第一开关晶体管T1与第一二极管D1并接时，第一二极管D1的阳极连接第一开关晶体管T1的发射极连接，第一二极管D1的阴极则连接第一开关晶体管T1的集电极；在第一H桥HBI1中，第一开关晶体管T1的发射极分别连接第二开关晶体管T2的集电极和交流滤波电感Lf的一端，交流滤波电感Lf的另一端连接配电网相线，第一开关晶体管T1的集电极分别连接第三开关晶体管T3的集电极和直流电容Cc的一端；第二开关晶体管T2的发射极分别连接第四开关晶体管T4的发射极和直流电容Cc的另一端；第三开关晶体管T3的发射极分别连接第四开关晶体管T4的集电极和配电网中性线。H桥逆变器的主要作用是用于检测配电网的无功电流，通过控制H桥逆变器中桥臂的通断，使H桥逆变器输出与配电网的无功电流大小相等的无功电流，经交流滤波电感Lf滤除H桥逆变器输出的无功电流中的高次谐波电流后，向配电网输入无功电流，从而补偿配电网的无功功率。
参见图4，为变换模块22中DC/DC全桥变换器的电路示意图，DC/DC全桥变换器包括第二H桥HBI2、高频变压器HFT、电感L及第三H桥HBI3，其中，第二H桥HBI2包括4个开关晶体管和4个二极管，4个开关晶体管分别为第五开关晶体管T5、第六开关晶体管T6、第七开关晶体管T7和第八开关晶体管T8，4个二极管分别为第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7和第八二极管D8，在每一个开关晶体管的集电极和发射极之间都并接一个二极管，该二极管的阳极和与其并接的开关晶体管的发射极连接，该二极管的阴极和与其并接的开关晶体管的集电极连接，例如当第五开关晶体管T5与第五二极管D5并接时，第五二极管D5的阳极连接第五开关晶体管T5的发射极连接，第五二极管D5的阴极则连接第五开关晶体管T5的集电极；第五开关晶体管T5的发射极分别连接第六开关晶体管T6的集电极和高频变压器HFT高压侧的一端，第五开关晶体管T5的集电极分别连接第七开关晶体管T7的集电极和第一开关晶体管T1的集电极；第六开关晶体管T6的发射极分别连接第八开关晶体管T8的发射极和第二开关晶体管T2的发射极；第七开关晶体管T7的发射极分别连接第八开关晶体管T8的集电极和高频变压器高压侧的另一端HFT。
类似地，第三H桥HBI3包括4个开关晶体管和4个二极管，4个所述开关晶体管分别为第九开关晶体管T9、第十开关晶体管T10、第十一开关晶体管T11和第十二开关晶体管T12，4个二极管分别为第九二极管D9、第十二极管D10、第十一二极管D11和第十二二极管D12，在每一个开关晶体管的集电极和发射极之间都并接一个二极管，该二极管的阳极和与其并接的开关晶体管的发射极连接，该二极管的阴极和与其并接的开关晶体管的集电极连接，例如当第九开关晶体管T9与第九二极管D9并接时，第九二极管D9的阳极连接第九开关晶体管T9的发射极连接，第九二极管D9的阴极则连接第九开关晶体管T9的集电极；第九开关晶体管T9的发射极分别连接第十开关晶体管T10的集电极和电感L的一端，电感L的另一端连接高频变压器HFT低压侧的一端，第九开关晶体管T9的集电极分别连接第十一开关晶体管T11的集电极和充放电模块的一端；第十开关晶体管T10的发射极分别连接第十二开关晶体管T12的发射极和充放电模块的另一端；第十一开关晶体管T11的发射极分别连接第十二开关晶体管T12的集电极和高频变压器低压侧HFT的另一端。
在如图4所示的DC/DC全桥变换器中，在高频变压器HFT的两端各有一个电压反馈式的全桥式变换单元，可以通过改变变换单元之间的驱动控制相角差来控制配电网与公共直流母线电容之间的能量流动，由于采用该控制类型的变换器中一般没有大的迟滞延时无源元件，因此变换器的动态响应较快，同时由于变换器为升降压操作单元，其滤波元件少，因此DC/DC全桥变换器同时也属于一种简单的一阶稳定系统。DC/DC全桥变换器对直流电压进行电压升降变换后对充放电模块进行充放电，与充放电模块一起对配电网的不平衡负荷进行补偿的同时，提高了静态同步补偿装置的稳定性。
在另一个实施例中，第一H桥、第二H桥及第三H桥中的每一个开关晶体管均为绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT)，IGBT是由绝缘栅型场效应管和双极型晶体管组成的一种复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼具有金属氧化物半导体场效应晶体管的通/断速度快、输入阻抗高、驱动功率小、驱动电路简单和双极型晶体管的电流容量大、阻断电压高、通态压降低等诸多优点。图5所示为静态同步补偿装置的电路示意图，在本实施例中，主要包括：H桥逆变器，其包括第一H桥HBI1、直流电容Cc和交流滤波电感Lf，第一H桥HBI1的直流侧并接直流电容Cc，第一H桥HBI1的交流侧的一端经交流滤波电感Lf连接配电网相线，第一H桥HBI1的交流侧的另一端连接配电网中性线N；DC/DC全桥变换器，其包括第二H桥HBI2、高频变压器HFT、电感L及第三H桥HBI3，第二H桥HBI2的直流侧并接直流电容Cc，第二H桥HBI2的交流侧连接高频变压器HFT的高压侧，高频变压器HFT的低压侧的一端经电感L连接第三H桥HBI3交流侧的一个端口，高频变压器HFT的低压侧的另一端连接第三H桥HBI3交流侧的另一个端口，公共直流母线电容Cm并接于每一个单相电路模块中的第三H桥HBI3的直流侧。在每一个H桥中，均包括4个IGBT和4个二极管，它们的连接方式如图5所示，其中IGBT的驱动电路可以根据其容量选择相对应的栅极驱动控制专用集成电路。
作为一种可选的实施方式，利用晶体三极管替换每一个IGBT，构成基于晶体三极管的静态同步补偿装置，该装置与基于IGBT的静态同步补偿装置结构相同，并且晶体三极管在各个H桥中同样能够实现IGBT的开关作用，因此能够实现无功功率补偿和不平衡负荷补偿。此外，除晶体三极管外，对于本实用新型所提出的静态同步补偿装置而言，功率场效应晶体管(MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor，MOSFET)、门极可关断晶闸管(Gate-Turn-OffThyristor，GTO)、集成门极换流晶闸管(IntegratedGatedCommutatedThyristor，IGCT)和电子注入增强栅晶体管(InjectionEnhancedGateTransistor，IEGT)等电力电子器件也同样适用，与IGBT类似地，上述各个电力电子器件均能够通过控制信号实现导通，也能够通过控制信号实现关断，从而实现静态同步补偿装置的无功功率补偿和不平衡负荷补偿。实际上，除上述的电力电子器件外，其他全控型电力电子器件均能够应用于本实用新型所提出的静态同步补偿装置，通过全控型电力电子器件的开关作用实现静态同步补偿装置的相应功能。
下面将结合图5所示的静态同步补偿装置的电路示意图，对该装置同时实现无功功率补偿和不平衡负荷补偿进行详细说明。
对于配电网无功功率的补偿，主要通过H桥逆变器实现。无功功率是电气设备能够作功的必备条件，无功功率产生的无功电流在电网中传输会导致线路损耗，降低线路输送容量，因此有必要对无功功率在负荷端进行补偿。在静态同步补偿装置对无功功率进行补偿的过程中，H桥逆变器的主要作用是用于检测配电网的无功电流，通过控制H桥逆变器中的各个开关晶体管的通断，使H桥逆变器输出与配电网的无功电流大小相等的无功电流，经交流滤波电感Lf滤除H桥逆变器输出的无功电流中的高次谐波电流后，向配电网输入无功电流，从而实现配电网无功功率的补偿。
对于不平衡负荷补偿的原理，可以作如下解释：
分别与配电网的A相线、B相线、C相线相连的3个单相电路模块，通过充放电模块10实现配电网有功功率的交换，具体的，单相电路模块(例如，单相电路模块20和单相电路模块40)从配电网相线有功出力小的相吸收有功功率，对充放电模块10进行充电，同时充放电模块10通过单相电路模块(例如，单相电路模块50)向有功出力大的相释放有功功率，使静态同步补偿装置从配电网吸收的有功功率等于其对配电网释放的有功功率，实现对配电网三相有功功率的平衡，即实现对配电网不平衡负荷的补偿。
综上，静态同步补偿装置以简单的电路结构实现对配电网无功功率和不平衡负荷的同时补偿，对于提高配电网的功率因数、降低配电网的经济成本具有积极的意义。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种静态同步补偿装置，其特征在于，包括充放电模块和若干个单相电路模块，每一所述单相电路模块包括用于将直流电压逆变为交流电压的逆变模块和用于直流电压升降变换的变换模块；
所述逆变模块的一端连接配电网相线，并且各个所述单相电路模块中的逆变模块连接不同的配电网相线；
所述逆变模块的另一端连接所述变换模块的一端；
所述变换模块的另一端连接所述充放电模块。
2.根据权利要求1所述的静态同步补偿装置，其特征在于，
所述充放电模块为公共直流母线电容。
3.根据权利要求1或2所述的静态同步补偿装置，其特征在于，所述逆变模块为H桥逆变器，所述H桥逆变器包括第一H桥、直流电容和交流滤波电感；
所述第一H桥的直流侧并接所述直流电容；
所述第一H桥的交流侧的一端经所述交流滤波电感连接配电网相线；
所述第一H桥的交流侧的另一端连接配电网中性线。
4.根据权利要求3所述的静态同步补偿装置，其特征在于，所述变换模块为DC/DC全桥变换器。
5.根据权利要求4所述的静态同步补偿装置，其特征在于，所述DC/DC全桥变换器包括第二H桥、高频变压器、电感及第三H桥；
所述第二H桥的直流侧并接所述直流电容；
所述第二H桥的交流侧连接所述高频变压器的高压侧；
所述高频变压器的低压侧的一端经所述电感连接所述第三H桥交流侧的一端，所述高频变压器的低压侧的另一端连接所述第三H桥交流侧的另一端；
所述第三H桥的直流侧连接所述充放电模块。
6.根据权利要求5所述的静态同步补偿装置，其特征在于，所述第一H桥包括4个开关晶体管和4个二极管，4个所述开关晶体管分别为第一开关晶体管、第二开关晶体管、第三开关晶体管和第四开关晶体管；
每一所述开关晶体管的集电极和发射极之间并接一个二极管，且开关晶体管的发射极与二极管的阳极连接；
所述第一开关晶体管的发射极分别连接所述第二开关晶体管的集电极和交流滤波电感的一端，所述交流滤波电感的另一端连接配电网相线，所述第一开关晶体管的集电极分别连接所述第三开关晶体管的集电极和所述直流电容的一端；
所述第二开关晶体管的发射极分别连接所述第四开关晶体管的发射极和所述直流电容的另一端；
所述第三开关晶体管的发射极分别连接所述第四开关晶体管的集电极和配电网中性线。
7.根据权利要求6所述的静态同步补偿装置，其特征在于，所述第二H桥包括4个开关晶体管和4个二极管，4个所述开关晶体管分别为第五开关晶体管、第六开关晶体管、第七开关晶体管和第八开关晶体管；
每一所述开关晶体管的集电极和发射极之间并接一个二极管，且开关晶体管的发射极与二极管的阳极连接；
所述第五开关晶体管的发射极分别连接所述第六开关晶体管的集电极和所述高频变压器高压侧的一端，所述第五开关晶体管的集电极分别连接所述第七开关晶体管的集电极和所述第一开关晶体管的集电极；
所述第六开关晶体管的发射极分别连接所述第八开关晶体管的发射极和第二开关晶体管的发射极；
所述第七开关晶体管的发射极分别连接所述第八开关晶体管的集电极和所述高频变压器高压侧的另一端。
8.根据权利要求7所述的静态同步补偿装置，其特征在于，所述第三H桥包括4个开关晶体管和4个二极管，4个所述开关晶体管分别为第九开关晶体管、第十开关晶体管、第十一开关晶体管和第十二开关晶体管；
每一所述开关晶体管的集电极和发射极之间并接一个二极管，且开关晶体管的发射极与二极管的阳极连接；
所述第九开关晶体管的发射极分别连接所述第十开关晶体管的集电极和电感的一端，所述电感的另一端连接所述高频变压器低压侧的一端，所述第九开关晶体管的集电极分别连接所述第十一开关晶体管的集电极和所述充放电模块的一端；
所述第十开关晶体管的发射极分别连接所述第十二开关晶体管的发射极和所述充放电模块的另一端；
所述第十一开关晶体管的发射极分别连接所述第十二开关晶体管的集电极和所述高频变压器低压侧的另一端。
9.根据权利要求6至8任一项所述的静态同步补偿装置，其特征在于，
所述开关晶体管为绝缘栅双极型晶体管。
10.根据权利要求6至8任一项所述的静态同步补偿装置，其特征在于，
所述开关晶体管为晶体三极管、功率场效应晶体管、门极可关断晶闸管、集成门极换流晶闸管和电子注入增强栅晶体管中的任意一个。
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