專利名稱：基于直流側(cè)有源結(jié)構(gòu)及調(diào)幅控制的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種電力系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體是一種基于直流側(cè)有源結(jié)構(gòu)
及調(diào)幅控制的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置。
背景技術(shù)：
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，一種電網(wǎng)大容量無功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置-先進(jìn)靜止無功發(fā)生器(ASVG-Advanced Static Var Generator)也有人稱之為靜止調(diào)相機(jī)(STATCOM-StaticCondenser)于上世紀(jì)90年代問世。該方法通過電力電子變換技術(shù)將直流電壓逆變成不同的交流電壓值，最終為系統(tǒng)提供所需的無功功率。日本三菱電機(jī)于1991年在大山開閉所投入士80Mvar無功發(fā)生器，1996年美國田納西電管局(TVA)在蘇立灣投入士100Mvar無功發(fā)生器。我國清華大學(xué)與河南省電力局合作，研制成功士20Mvar無功發(fā)生器并于1999年在洛陽朝陽變電站投入運(yùn)行；隨后2005年上海西郊變電站的士50Mvar新型靜止無功發(fā)生器也正式并網(wǎng)投運(yùn)。 經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，陳建業(yè)等在《新型靜止無功發(fā)生器(ASVG)的研究現(xiàn)狀》(清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)1997年第37巻第7期第7 12頁)以及沈斐、劉文華、王仲鴻在《士20Mvar靜止無功生器(ASVG)的研制》(國際電力2000年第二期第31-45頁)上記載了類似技術(shù) a)直流側(cè)均采用無源結(jié)構(gòu)，即僅在啟動(dòng)時(shí)采用整流器的他勵(lì)方式給電容充電，啟動(dòng)后電容將與外電源斷開； b)采用改變逆變器輸出電壓與電源電壓的相角差S來實(shí)現(xiàn)無功的調(diào)節(jié)，即輸出
的無功功率可以表示為^ 二"^sill2J,其中Us為STATCOM接入點(diǎn)的系統(tǒng)電壓有效值；r
2r
為STATCOM的等效電阻。由上式可見，STATCOM輸出的無功功率僅依賴于電網(wǎng)電壓與逆變器輸出電壓之間的相角差S 。 但上述控制方法有以下缺點(diǎn)1.整流器的他勵(lì)方式增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性；2.為達(dá)到輸出無功的精度，觸發(fā)脈沖精度必須達(dá)到0.05。以上，且逆變器輸出電壓與電源電壓的相角差S的變化范圍很小，這給控制器的設(shè)計(jì)提出很高的要求；3.輸出無功功率q與逆變器輸出電壓與電源電壓的相角差S存在非線性關(guān)系且有很大死區(qū)；4.難以實(shí)現(xiàn)零電流并網(wǎng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種基于直流側(cè)有源結(jié)構(gòu)及調(diào)幅控制的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，通過在直流側(cè)采用有源結(jié)構(gòu)，即不僅在啟動(dòng)時(shí)采用整流器給電容充電，啟動(dòng)后電容也不與外電源斷開。外電源由一定變比變壓器先將電網(wǎng)電壓變換成數(shù)值合適的三相交流電壓再經(jīng)整流濾波后變?yōu)橹绷麟妷汗┨?，直流電壓值按STATCOM裝置輸出最大容性無功所需逆變器輸出電壓值選取，變壓器容量僅需略大于STATCOM裝置有功消耗
3值。STATC0M中逆變器輸出電壓始終與電源電壓保持同步，而通過逆變器輸出電壓幅值的調(diào)制實(shí)現(xiàn)STATCOM裝置輸出無功大小與性質(zhì)的控制。 本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明的STATCOM包括隔離變壓單元、整流單
元、逆變單元、輸出電抗器、接觸器及隔離開關(guān)，其中隔離變壓單元的輸入端通過隔離開關(guān)
與電網(wǎng)連接以輸入交流電壓，隔離變壓單元的輸出端與整流單元輸入端相連并通過整流單
元將輸入的交流電壓整流為直流電壓，整流單元輸出端與逆變單元的輸入端相連接以向逆
變單元輸入直流電壓，逆變單元將輸入的直流電壓逆變?yōu)榕c電網(wǎng)電壓相位保持同步而幅值
可調(diào)的交流電壓，其輸出端與電抗器的輸入端連接，電抗器的輸出端依次串聯(lián)接觸器、隔離
開關(guān)最終與電網(wǎng)相連并輸出無功功率。 本發(fā)明的STATCOM工作步驟如下 用《和《分別表示電網(wǎng)輸出電壓和所述靜止調(diào)相機(jī)的輸出電壓的相量，X和R分別表示線路與連接電感L的總電抗和總等效電阻。設(shè)仏.=A仏.，k為幅度調(diào)制比，它可通
過傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制(P麗)技術(shù)用改變調(diào)制波幅值與載波幅值比的方法加以調(diào)節(jié)。 步驟1 :裝置啟動(dòng)時(shí)，使逆變單元輸出電壓《與電源電壓《大小相等、相位同步，
即讓幅度調(diào)制比k = l，再閉合電網(wǎng)和連接電抗器之間的接觸器，此時(shí)逆變單元與電網(wǎng)之間
無電流流過，從而實(shí)現(xiàn)所述靜止調(diào)相機(jī)的零電流無沖擊并網(wǎng)。 步驟2 :外電路根據(jù)無功理論實(shí)時(shí)檢測電網(wǎng)無功大小和性質(zhì)并根據(jù)補(bǔ)償目標(biāo)向STATCOM輸入需要補(bǔ)償?shù)臒o功大小和性質(zhì)的指令。
步驟3 :所述靜止調(diào)相機(jī)的輸出無功功率q與幅度調(diào)制比的關(guān)系為 當(dāng)由步驟2確定的需要補(bǔ)償?shù)臒o功功率為感性時(shí)，調(diào)節(jié)k使得k < 1，此時(shí)q > 0，無功補(bǔ)償裝置產(chǎn)生感性無功，k越小產(chǎn)生的感性無功越大；當(dāng)由步驟2確定的需要補(bǔ)償?shù)臒o功功率為容性時(shí)，調(diào)節(jié)k使得k〉 1，此時(shí)q〈0，無功補(bǔ)償裝置產(chǎn)生容性無功，k越大產(chǎn)生的容性無功越大。 步驟4:當(dāng)裝置需要正常停機(jī)時(shí)，使逆變單元輸出電壓《與電源電壓《大小相等、相位同步，即再讓幅度調(diào)制比k = l，此時(shí)逆變單元與電網(wǎng)之間無電流流過，再斷開電網(wǎng)和連接電抗器之間的接觸器，從而實(shí)現(xiàn)本裝置的零電流無沖擊脫網(wǎng)。 本發(fā)明所述動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置輸出無功大小與幅度調(diào)制比k成線性關(guān)系，無控制死區(qū)。裝置零電流無沖擊并網(wǎng)后，根據(jù)外電路給出的需要補(bǔ)償?shù)臒o功大小和性質(zhì)，通過調(diào)節(jié)幅度調(diào)制比k，即可改變STATCOM裝置輸出無功功率的大小和性質(zhì)。 本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)在STATCOM逆變器的直流側(cè)采用有源結(jié)構(gòu)，簡化了傳統(tǒng)方法中啟動(dòng)時(shí)用整流器的他勵(lì)方式給電容充電，啟動(dòng)后須將電容與外電源斷開的繁瑣的控制方案；用調(diào)幅法代替調(diào)相法實(shí)現(xiàn)了無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)，極大地簡化了控制器的設(shè)計(jì)，提高了輸出的精度，使控制無死區(qū)；能以簡單方法實(shí)現(xiàn)在零電流條件下并網(wǎng)運(yùn)行。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為實(shí)施例整流單元與逆變單元示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。 如圖l和圖2所示，本實(shí)施例包括隔離變壓單元、三相整流單元Z、逆變單元X、隔離開關(guān)GK、輸出電抗器L和接觸器KM1，所述隔離變壓單元包括原邊三相主繞組T和副邊三類不同的三相子繞組Tl、 T2和T3，其中三相主繞組T的輸入端依次經(jīng)隔離開關(guān)GK和電網(wǎng)連接以接收交流電壓，每組三相子繞組T1、T2和T3的輸出端分別與三相整流單元Z的輸入端相連接向三相整流單元輸入交流電壓，三相整流單元Z的輸出端與逆變單元X的輸入端相連，逆變單元X的輸出端與電抗器L的一端連接，電抗器L的另一端依次經(jīng)接觸器KM1及隔離開關(guān)GK與電網(wǎng)相連接。 如圖2所示，所述的三相子繞組Tl、 T2和T3各有N個(gè)，三相整流單元Z和逆變單
元X均有3N個(gè)，N可按電網(wǎng)電壓等級(jí)及逆變單元功率器件耐壓等級(jí)選取。， 所述的三相子繞組Tl、 T2和T3分別為以下三種結(jié)構(gòu) 所述的第一類三相子繞組Tl為副邊電壓與原邊電壓同相位繞組； 所述的第二類三相子繞組T2為副邊電壓超前原邊電壓20°繞組； 所述的第三類三相子繞組T3為副邊電壓滯后原邊電壓20°繞組。 如圖3所示，所述的三相整流單元Z包括熔斷器FS、三相整流橋D、濾波電容C1、
C2和C3、均壓放電電阻Rl和R2，其中熔斷器FS的輸入端與三相子繞組T1、T2或T3的輸
出端相連，熔斷器FS的輸出端與三相整流橋D相連，三相整流橋D的直流正極分別與第一
濾波電容C1的正極、第一均壓放電電阻R1的一端、第三濾波電容C3的一端以及逆變單元X
的正極輸入端相連接，三相整流橋D的直流負(fù)極分別與第二濾波電容C2的負(fù)極、第二均壓
放電電阻R2的一端、第三濾波電容C3的一端以及逆變單元X的負(fù)極輸入端相連接。該三
相整流單元Z將輸入的三相交流電壓變?yōu)橹绷麟妷翰⑤敵鲋聊孀儐卧猉。 如圖3所示所述的逆變單元X由四個(gè)絕緣門極雙極型晶體管模塊A+、 A-、 B+、
B-構(gòu)成，該逆變單元X將三相整流單元輸入的直流電壓逆變?yōu)榕c電網(wǎng)對應(yīng)相電壓保持同步
而幅值可調(diào)的交流電壓從UV端輸出。 如圖2所示，進(jìn)而將N個(gè)逆變單元輸出串聯(lián)構(gòu)成A相可變電壓Uu ;N個(gè)逆變單元輸出串聯(lián)構(gòu)成B相可變電壓Uv ;N個(gè)逆變單元輸出串聯(lián)構(gòu)成C相可變電壓Uw。因每個(gè)逆變功率單元能輸出+1，0， -l三種電平，每相多個(gè)單元疊加可產(chǎn)生共(2N+1)種電平，多電平波形的疊加可使每相輸出波形十分接近正弦波，dv/dt小，諧波成分含量小，且可省去體積大成本高的輸出變壓器。當(dāng)STATC0M采用級(jí)聯(lián)H-橋多電平逆變器拓?fù)渲忻肯嘤蒒個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成時(shí)，每個(gè)功率單元雖承受全部的輸出電流，但只承受1/N的相電壓、1/3N的輸出功率。功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣，使每個(gè)功率單元的主回路相對獨(dú)立，類似常規(guī)低壓H橋逆變器，可采用低壓開關(guān)器件，因此能大幅度降低成本。 逆變單元串聯(lián)后的三相輸出電壓Uu、 Uv及Uw分別通過連接電抗器Ll、 L2、 L3及
接觸器KM1經(jīng)隔離開關(guān)GK與電網(wǎng)相連接。 級(jí)聯(lián)H-橋多電平逆變器輸出電壓幅度調(diào)制比k可采用成熟的載波移相P麗(CPS-P麗)控制技術(shù)。 用《《《和^ 《《,分別表示電網(wǎng)三相電壓和STATC0M裝置逆變單元串聯(lián)后的
輸出三相電壓的相量，X和R分別表示線路和連接電感的總電抗和總等效電阻。 隔離開關(guān)GK合閘后先使逆變器輸出電壓幅度調(diào)制比k = 1，即[> =t^、
《v 二&。后閉合接觸器KM1實(shí)現(xiàn)無功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置在零電流條件下并網(wǎng)運(yùn)行。 裝置零電流無沖擊并網(wǎng)后，根據(jù)外電路提供的需要補(bǔ)償無功大小和性質(zhì)的指令，
通過調(diào)節(jié)幅度調(diào)制比k，即可控制STATCOM裝置輸出無功功率的大小和性質(zhì)。在以下實(shí)施例
中如《= j。，《=A《,《,=H>e , STATCOM裝置輸出無功功率q為 上式Ua、 Ub、 Uc為每相相電壓的有效值。 當(dāng)K < 1時(shí)q > 0，產(chǎn)生感性無功，k越小產(chǎn)生的感性無功越大； 當(dāng)K > 1時(shí)q < O，產(chǎn)生容性無功，k越大產(chǎn)生的容性無功越大。
權(quán)利要求
一種基于直流側(cè)有源結(jié)構(gòu)及調(diào)幅控制的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，其特征在于，包括隔離變壓單元、整流單元、逆變單元、輸出電抗器、接觸器及隔離開關(guān)隔離變壓單元的輸入端通過隔離開關(guān)與電網(wǎng)連接以輸入交流電壓，隔離變壓單元的輸出端與整流單元輸入端相連并通過整流單元將輸入的交流電壓整流為直流電壓，整流單元輸出端與逆變單元的輸入端相連接以向逆變單元輸入直流電壓，逆變單元將輸入的直流電壓逆變?yōu)榕c電源電壓同相位而大小可變交流電壓，其輸出端與電抗器的輸入端連接，電抗器的輸出端依次串聯(lián)接觸器、隔離開關(guān)最終與電網(wǎng)相聯(lián)并輸出無功功率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于直流側(cè)有源結(jié)構(gòu)及調(diào)幅控制的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，其特征是，所述的逆變單元的直流側(cè)采用有源結(jié)構(gòu)，即不僅在啟動(dòng)前隔離變壓單元的輸入端與電網(wǎng)連接以輸入交流電壓，逆變單元的輸入端與整流單元相連接以輸入直流電壓；啟動(dòng)后隔離變壓單元的輸入端仍與電網(wǎng)連接以輸入交流電壓，逆變單元的輸入端也仍與整流單元相連接以輸入直流電壓，使逆變器的直流側(cè)始終處于有源狀態(tài)。直流電壓值按STATC0M裝置輸出最大容性無功時(shí)所需逆變器輸出電壓值選取。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于直流側(cè)有源結(jié)構(gòu)及調(diào)幅控制的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，其特征是，所述的逆變單元其輸出電壓始終與電源電壓保持同步，其幅值將根據(jù)STATC0M裝置要輸出無功大小與性質(zhì)而改變，以K表示逆變單元輸出電壓與電源電壓幅值比，它通過傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制(P麗)技術(shù)用改變調(diào)制波幅值與載波幅值比的方法加以調(diào)節(jié)，當(dāng)K〈 1時(shí)輸出無功q > O，系統(tǒng)產(chǎn)生感性無功，K值越小，系統(tǒng)產(chǎn)生感性無功越大；當(dāng)K > 1時(shí)輸出無功q < O，系統(tǒng)產(chǎn)生容性無功，K值越大，系統(tǒng)產(chǎn)生容性無功越大。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于直流側(cè)有源結(jié)構(gòu)及調(diào)幅控制的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，其特征是，所述的電抗器輸出端依次串聯(lián)接觸器、隔離開關(guān)后與電網(wǎng)相連并輸出無功功率，在并網(wǎng)時(shí)先讓隔離開關(guān)閉合，再讓逆變單元輸出電壓與電源電壓大小相等、相位相同，即讓幅度調(diào)制比k二 l，隨后讓接觸器閉合，使STATCOM裝置實(shí)現(xiàn)在零電流條件下并網(wǎng)運(yùn)行。
全文摘要
一種電力系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的基于直流側(cè)有源結(jié)構(gòu)及調(diào)幅控制的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，包括隔離變壓單元、整流單元、逆變單元、輸出電抗器、接觸器及隔離開關(guān)，其中隔離變壓單元的輸入端經(jīng)隔離開關(guān)與電網(wǎng)連接以輸入交流電壓，隔離變壓單元的輸出端與整流單元輸入端相連并通過整流單元將輸入的交流電壓整流為直流電壓，整流單元輸出端與逆變單元的輸入端相連接以向逆變單元輸入直流電壓，逆變單元將輸入的直流電壓逆變?yōu)榕c電源電壓同相位而大小可變的交流電壓，其輸出端與電抗器的輸入端連接，電抗器的輸出端依次串聯(lián)接觸器、隔離開關(guān)最終與電網(wǎng)相聯(lián)并輸出無功功率。本發(fā)明直流側(cè)采用有源結(jié)構(gòu)，用調(diào)幅法代替調(diào)相法實(shí)現(xiàn)了無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)，控制簡單無死區(qū)，易實(shí)現(xiàn)在零電流條件下并網(wǎng)運(yùn)行。
文檔編號(hào)H02J3/38GK101783597SQ20101013672
公開日2010年7月21日 申請日期2010年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月31日
發(fā)明者凌志斌, 葉芃生, 李瑞來, 胡順全 申請人:山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司