本發(fā)明涉及控制電網(wǎng)無功平衡領(lǐng)域，具體涉及一種基于小電容的單相靜止無功發(fā)生器及控制方法。

背景技術(shù)：

安裝無功補(bǔ)償設(shè)備是控制電網(wǎng)無功平衡的主要方式，它也是保障電網(wǎng)安全、穩(wěn)定和可靠運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備，主要包括：靜態(tài)無功補(bǔ)償器(SVC)和靜止無功發(fā)生器(STATCOM)。目前，SVC一般采用晶閘管控制，具有可控容量大、控制簡單等優(yōu)點(diǎn)，但補(bǔ)償精度低、響應(yīng)速度慢、諧波含量高；STATCOM一般采用絕緣柵雙極晶體管(IGBT)控制，其補(bǔ)償效果好、電流諧波含量低，但補(bǔ)償容量不高、控制較復(fù)雜。顯然，二者的優(yōu)缺點(diǎn)具有典型對稱的特點(diǎn)，其本質(zhì)原因在于采用了不同的半導(dǎo)體開關(guān)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了提高補(bǔ)償器的綜合性能，本發(fā)明提出了一種基于小電容的單相靜止無功發(fā)生器及控制方法，包括電路結(jié)構(gòu)和控制方式，它采用IGBT控制且易擴(kuò)展，能夠補(bǔ)充三相STATCOM在補(bǔ)償容量方面的不足，并能達(dá)到優(yōu)化無功控制效果的目的。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種基于小電容的單相靜止無功發(fā)生器電路拓?fù)洌↖GBT晶體管T1～T4、直流電容XC，IGBT晶體管T1～T4分別反向并聯(lián)有二極管D1～D4。

IGBT晶體管T1與IGBT晶體管T2串聯(lián)，構(gòu)成第一橋臂，串聯(lián)的連接點(diǎn)為a；

IGBT晶體管T3與IGBT晶體管T4串聯(lián)，構(gòu)成第二橋臂，串聯(lián)的連接點(diǎn)為b。

第一橋臂、第二橋臂分別與直流電容XC并聯(lián)；

連接點(diǎn)a、連接點(diǎn)b分別與單向電網(wǎng)的火線L和零線N相連，

連接點(diǎn)a與火線L之間連接有限流電抗器X_L。

一種基于小電容的單相靜止無功發(fā)生器調(diào)制方法，先采樣直流電容XC電壓U_cap，與高頻等幅值三角載波U_car.求積，得到具有正弦包絡(luò)線特點(diǎn)的三角載波V_car.，其次設(shè)置參考電壓V_REF或-V_REF，分別作為第一橋臂、第二橋臂上兩組IGBT晶體管的調(diào)制波，從而得到柵極Ⅰ～Ⅳ的控制信號G_Ⅰ～G_Ⅳ，驅(qū)動四只IGBT晶體管依次導(dǎo)通，最后得到輸出電壓V_out。

一種基于小電容的單相靜止無功發(fā)生器控制方法，過對電網(wǎng)電壓Ugrid和電流Igrid的監(jiān)測，計(jì)算無功功率，在與設(shè)定參考電壓或功率因數(shù)X_REF求差，獲得誤差控制量error；再采用比例積分控制PI，得到調(diào)制信號V_REF；最后采用改進(jìn)的正弦調(diào)制方法，得到四只IGBT晶體管的控制信號G_Ⅰ～G_Ⅳ，驅(qū)動裝置響應(yīng)電網(wǎng)的無功變化，實(shí)現(xiàn)無功穩(wěn)定控制。

一種基于小電容的單相靜止無功發(fā)生器電路拓?fù)?，?yīng)用于電網(wǎng)電壓穩(wěn)定控制或功率因數(shù)校正領(lǐng)域，將電壓或功率因數(shù)誤差量轉(zhuǎn)化為無功調(diào)整量，再控制開關(guān)按特定規(guī)律通斷，從而實(shí)現(xiàn)電壓或功率因數(shù)的動態(tài)調(diào)節(jié)。

本發(fā)明一種基于小電容的單相靜止無功發(fā)生器及控制方法，與傳統(tǒng)STATCOM和SVC相比，其主要優(yōu)點(diǎn)包括以下三個(gè)方面：

(1)：選用較小直流電容，電路結(jié)構(gòu)簡單，易控制，具有較高的功率密度和運(yùn)行可靠性；

(2)：采用全控型半導(dǎo)體開關(guān)IGBT，裝置的可控性強(qiáng)，有利于提高動態(tài)無功控制效果；

(3)：可擴(kuò)展性強(qiáng)，易于多組并聯(lián)或在三相系統(tǒng)中按Y/Δ方式連接，無功補(bǔ)償容量大。

(4)：本發(fā)明是基于對STATCOM和SVC優(yōu)缺點(diǎn)的深入分析，提出的一種綜合解決方案，它既具有前者控制精度高、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，又能夠像后者一樣易于擴(kuò)展，提升補(bǔ)償容量，從而提高裝置的綜合補(bǔ)償能力。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明：

圖1為本發(fā)明的電路拓?fù)渑c控制方法圖。

圖2為本發(fā)明開關(guān)調(diào)制方法與輸出電壓關(guān)系圖。

圖3為本發(fā)明的控制框圖。

具體實(shí)施方式

一種基于小電容的單相靜止無功發(fā)生器及控制方法，如圖1所示，包括電路拓?fù)?、調(diào)制方式和控制策略三個(gè)部分，具體闡述如下：

(1)、電路結(jié)構(gòu)部分包括IGBT晶體管T1～T4(含反并聯(lián)二極管D₁～D₄)和直流電容X_C，半導(dǎo)體開關(guān)均為絕緣柵雙極晶體管(簡稱IGBT)。IGBT晶體管T_x與二極管D_x(x＝1～4)按常規(guī)的方法反并聯(lián)，前兩組與后兩組分別串聯(lián)構(gòu)成兩只橋臂，各橋臂和直流電容X_C互為并聯(lián)關(guān)系，其中點(diǎn)a和b分別與單相電網(wǎng)的火線L和零線N相連，且a與L間連接一只限流電抗器X_L。

(2)、調(diào)制方法部分包括：首先采樣直流電容電壓U_cap.(波形一般為二倍工頻的正弦半波)，與高頻等幅值三角載波U_car.求積，得到具有正弦包絡(luò)線特點(diǎn)的三角載波V_car.，其次設(shè)置參考電壓V_REF或-V_REF，分別作為兩只橋臂上兩組半導(dǎo)體開關(guān)的調(diào)制波，從而得到柵極Ⅰ～Ⅳ的控制信號G_Ⅰ～G_Ⅳ，驅(qū)動四只IGBT晶體管依次導(dǎo)通，最后得到輸出電壓V_out。

(3)控制策略部分包括：以電壓的大小或功率因數(shù)為控制目標(biāo)，通過采樣電網(wǎng)電壓或電流并與設(shè)定參考值求差，作為比例積分控制器(PI)的誤差輸入信號，獲得V_REF，再通過(2)所述的調(diào)制方式產(chǎn)生開關(guān)控制信號。

工作原理：

本發(fā)明單相靜止無功發(fā)生器電路拓?fù)?，主要?yīng)用于電網(wǎng)電壓穩(wěn)定控制或功率因數(shù)校正領(lǐng)域，將電壓或功率因數(shù)誤差量轉(zhuǎn)化為無功調(diào)整量，再控制開關(guān)按特定規(guī)律通斷，從而實(shí)現(xiàn)電壓或功率因數(shù)的動態(tài)調(diào)節(jié)。具體工作原理闡述如下：

如圖1所示，為電路的結(jié)構(gòu)和開關(guān)調(diào)制方式。容抗為X_C的直流電容與全可控橋式開關(guān)模塊并聯(lián)，它由四只IGBT晶體管及反并聯(lián)二極管組成，兩橋臂上的開關(guān)分別為：T₁-D₁和T₂-D₂、T₃-D₃和T₄-D₄，其中橋臂中點(diǎn)a和b分別與單相電網(wǎng)的火線L和零線N相連，且a與L間連接一只阻抗為X_L的限流電抗器。

直流電容X_C為較小直流電容，當(dāng)輸出無功功率在5kVar～10kVar內(nèi)變化時(shí)，電容量C只有400uF，而現(xiàn)有技術(shù)一般要2000uF以上，因此，電容可減小至少4倍。

圖1中還顯示了四只IGBT晶體管的開關(guān)的調(diào)制方式，開關(guān)狀態(tài)與輸出電壓值的關(guān)系。具體如圖2所示。假設(shè)交流電網(wǎng)工頻為f₀，直流電容電壓U_cap.波形為正弦半波，且頻率為2f₀；初始載波U_car.為恒定幅值的三角波，其頻率為f_car.，幅值為1；將U_cap.與U_car.相乘得到改進(jìn)的載波V_car.，其幅值按正弦半波規(guī)律變化；根據(jù)輸出目標(biāo)無功大小確定調(diào)制波V_REF，當(dāng)V_car.>V_REF時(shí)，控制T₁導(dǎo)通，且T₂關(guān)斷；當(dāng)V_car.<V_REF時(shí)，控制T₂導(dǎo)通，且T₁關(guān)斷；另外，當(dāng)V_car.>-V_REF時(shí)，控制T₃導(dǎo)通，且T₄關(guān)斷；當(dāng)V_car.<-V_REF時(shí)，控制T₄導(dǎo)通，且T₃關(guān)斷；即得到G_Ⅰ～G_Ⅳ的脈寬波形。當(dāng)T₁和T₃同時(shí)導(dǎo)通或T₂和T₄同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，輸出電壓V_out均為0；當(dāng)T₁和T₄同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，輸出電壓V_out＝U_cap.；當(dāng)T₂和T₃同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，輸出電壓V_out＝-U_cap.。

令N＝f_car./f₀，當(dāng)N＝20(或等于20整數(shù)倍)時(shí)，如圖2所示，在一個(gè)載波周期[T_k,T_k+1]內(nèi)，可近似認(rèn)為電容電壓大小保持不變。因此，U_cap與V_out的平均電壓之比恒等于導(dǎo)通脈寬之比，即V_REF與U_cap.的幅值之比等于(τ₁+τ₂)/T_car.。

如圖3所示，為本發(fā)明的控制框圖。首先通過對電網(wǎng)電壓Ugrid和電流Igrid的實(shí)時(shí)檢測，并將其用于計(jì)算無功功率、電壓幅值或功率因數(shù)，設(shè)輸出量為X；將X與參考量X_REF(具體為電壓幅值或單位功率因數(shù))求差，輸出誤差量error；再采用比例積分控制(PI)，得到調(diào)制信號V_REF；最后，采用圖2所示的調(diào)制方法，輸出四只IGBT的控制信號G_Ⅰ～G_Ⅳ，驅(qū)動STATCOM，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)無功控制。