多功能大功率電力電子變流器的製作方法

2023-06-08 19:53:36

專利名稱：多功能大功率電力電子變流器的製作方法
技術領域：
[0001]本實用新型涉及電力電子變流器，特別涉及一種採用混合型無功補償結構，具有傳遞有功能量、補償電網無功、消除電網諧波等多功能的電力電子變流器。
背景技術：
隨著電力系統的發展，各種衝擊性負荷如工業電弧爐、電力機車、軋鋼機等使得電網上電壓波動頻繁，大量的半導體整流設備在電網中造成諧波，使得電能質量變差。新的敏感設備的大量出現(如半導體製造廠等)，又對電能質量提出了更高的要求。同時隨著電力電子技術的發展，各種拓撲類型的大功率變流器已經廣泛的使用在國民經濟的各個領域，並發揮著越來越重要的作用。為保障電網電能質量的要求，各類靜止無功補償器(SVC)、靜止無功發生器(SVG)、大功率電力電子變壓器(SST)等裝置應運而生。但當今的大功率變流器、大功率電力電子變壓器、SVC、SVG都存在著各自的缺點和不足I、大功率變流器功能比較單一，在很多情況下變流器的剩餘容量很多，如在交流電機拖動系統中大功率變流器在電機啟動後即被切除，處於閒置狀態，使其額定的功率容量不能得到充分的利用，這造成了變流器在使用過程中的浪費。2、近年來，大功率電力電子變壓器(SST)得到了廣泛的關注，但是電力電子變壓器在傳輸有功能量的同時，並未考慮到大容量的無功補償。使電力電子變壓器功能和容量並未得到充分利用。3、大多數的大功率變流器和大功率的電力電子變壓器即使具備無功補償的功能，由於自身首先要保障有功能量的傳遞，所補償的無功也相當有限，實用價值不高。4、TCR型SVC通過控制晶閘管的導通時刻來控制流過電抗器的電流，從而快速的跟蹤負載無功的功率，並通過分相控制補償三相不對稱，與其匹配的交流濾波裝置來吸收諧波，是一種技術成熟、性價比高、具有較大補償容量的產品。但響應時間較慢，對閃變的改善率低，甚至有時會造成閃變加劇。TSC型SVC採用了電容器組投切方式，可實現無功的大容量分級調節，其優點是補償電路結構簡單，成本低。但這種方式仍存在補償速度慢，又由於電容器的投切是分級進行的，產生的無功補償量也是階躍式的，會使電網出現過補償或欠補償狀態。5、SVG採用全控型器件，響應速度快，抑制閃變效果好，但是並不具備傳遞有功能量的功能。

實用新型內容本實用新型的目的是克服上述缺陷，提供一種可以充分利用變流器的功能和容量，改善系統的功率因數，提高對閃變的抑制效果，具有傳遞有功能量、補償電網無功和消除電網諧波的多功能的電力電子變流器。為達到上述目的，本實用新型提供的一種多功能大功率電力電子變流器，包括三相交流電源、大功率電力電子變流器及其控制器以及SVC，所述控制器設有與其相連的電流、電壓傳感器組和驅動電路，所述SVC的輸入端並聯接入所述三相交流電源出口處的電網上；所述大功率電力電子變流器包括三相電抗器、三相全控型整流級、直流變換電路、三相或單相全控型逆變級和三相或單相的負載或電網，其中，所述三相電抗器的輸入端並聯於所述三相交流電源出口處的電網上，所述三相電抗器的輸出端連接至所述三相全控型整流級的輸入端，所述三相全控型整流級的輸出端通過所述直流變換電路連接至所述三相或單相全控型逆變級的輸入端，所述三相或單相全控型逆變級的輸出端連接至所述三相或單相的負載或電網；所述電流、電壓傳感器組包括第一電流傳感器組、第二電流傳感器組、電壓傳感器、直流電壓傳感器和直流電流傳感器，其中，所述第一電流傳感器組的輸入端連接至所述三相電抗器的輸入端電網上，所述第二電流傳感器組的輸入端連接至所述電網其他負載的輸入端電網上，所述電壓傳感器的輸入端並聯於所述三相交流電源出口處的電網上，所述直流電壓傳感器的輸入端和直流電流傳感器的輸入端連接至所述直流變換電路，所述第一電流傳感器組、第二電流傳感器組、電壓傳感器、直流電壓傳感器和直流電流傳感器的輸出端分別與所述控制器連接；所述驅動電路包括第一驅動電路、第二驅動電路、第三驅動電路和第四驅動電路，其中，所述第一驅動電路、第二驅動電路、第三驅動電路、第四驅動電路各輸入端分別與所述控制器連接，所述第一驅動電路的輸出端連接至所述三相全控型整流級，所述第二驅動電路的輸出端連接至所述SVC，所述第三驅動電路的輸出端連接至所述三相或單相全控型逆變級，所述第四驅動電路的輸出端連接至所述直流變換電路；所述三相或單相的負載或電網輸出的負載反饋信號與所述控制器連接；所述控制器採集所述第一電流傳感器組、第二電流傳感器組、電壓傳感器、直流電壓傳感器和直流電流傳感器的檢測信號和負載或電網相關的反饋信號，計算出電網所需要補償的無功量，判斷所述三相全控型整流級是否有剩餘容量，若無剩餘容量，則僅採用SVC補償電網無功功率；若所述三相全控型整流級剩餘容量達到其補償無功的工作餘度，則採用所述三相全控型整流級補償電網無功功率；所述第一驅動電路、第二驅動電路、第三驅動電路和第四驅動電路分別接收所述控制器的驅動信號，分別驅動所述三相全控型整流級、SVC、三相或單相的逆變級和隔離的直流變換電路。本實用新型多功能大功率電力電子變流器，其中所述直流變換電路為隔離或非隔離的直流變換電路。本實用新型多功能大功率電力電子變流器的優點和積極效果在於由於設置了大功率電力電子變流器和SVC及其控制器，控制器設有電流、電壓傳感器組和驅動電路，將大功率變流器或大功率電力電子變壓器電網側可補償小容量無功功率的全控型整流級與大容量的SVC結合起來，採用混合型無功補償結構，因此具有傳遞有功能量、補償電網無功和消除電網諧波等多種功能。下面將結合實施例參照附圖進行詳細說明。

[0019]圖I是本實用新型多功能大功率電力電子變流器的方框圖；圖2是大功率電力電子變流器的電路結構圖；圖3是控制器晶片的電路結構圖；圖4是系統控制器的控制流程圖；圖5為三相全控型整流級與SVC相配合的無功補償控制流程圖；圖6為三相全控型整流級的控制流程圖；圖7為隔離的直流變換電路控制流程圖；圖8為三相或單相全控型逆變器控制流程圖。
具體實施方式
本實用新型多功能大功率電力電子變流器，包括三相交流電源、大功率電力電子變流器及其控制器和SVC。參照圖I，大功率電力電子變流器包括三相電抗器3、三相全控型整流級8、直流變換電路11、三相或單相全控型逆變級14和三相或單相的負載或電網16。三相電抗器3的輸入端並聯於三相交流電源I出口處的電網上，三相電抗器3的輸出端連接至三相全控型整流級8的輸入端，三相全控型整流級8的輸出端通過直流變換電路11連接至三相或單相全控型逆變級14的輸入端，三相或單相全控型逆變級14的輸出端連接至三相或單相的負載或電網16。SVC6的輸入端並連接入三相交流電源I出口處的電網上。控制器設有與其相連的電流、電壓傳感器組和驅動電路。電流、電壓傳感器組包括第一電流傳感器組4、第二電流傳感器組7、電壓傳感器5、直流電壓傳感器12和直流電流傳感器19。第一電流傳感器組4的輸入端連接至三相電抗器3的輸入端電網上，第二電流傳感器組7的輸入端連接至電網其他負載2的輸入端電網上，電壓傳感器5的輸入端並聯於三相交流電源I出口處的電網上，直流電壓傳感器12的輸入端和直流電流傳感器19的輸入端連接至直流變換電路11，第一電流傳感器組4、第二電流傳感器組7、電壓傳感器5、直流電壓傳感器12和直流電流傳感器19的輸出端分別與控制器13連接。驅動電路包括第一驅動電路9、第二驅動電路10、第三驅動電路15和第四驅動電路18。第一驅動電路9、第二驅動電路10、第三驅動電路15、第四驅動電路18各輸入端分別與控制器13連接，第一驅動電路9的輸出端連接至三相全控型整流級8，第二驅動電路10的輸出端連接至SVC6，第三驅動電路15的輸出端連接至三相或單相全控型逆變級14，第四驅動電路18的輸出端連接至直流變換電路11。三相或單相的負載或電網16輸出的負載或電網的反饋信號17與控制器13連接。下面說明本實用新型多功能大功率電力電子變流器的工作過程。三相電抗器3用於變流器整流級8輸出電壓濾波，調節整流級8輸出電壓矢量與電網電壓矢量的相位關係。第一組電流傳感器4檢測變流器的輸入電流，電壓傳感器組5檢測三相電網電壓，第二組電流傳感器7檢測三相電網中的電流，直流電壓傳感器組12檢測變流器整流級直流側的電壓，對於隔離的直流變換電路11直流電流傳感器19檢測變壓器副邊直流側輸出的電流，將第一電流傳感器組4、第二電流傳感器組7、電壓傳感器5、直流電壓傳感器12和直流電流傳感器19的檢測信號和檢測負載或電網相關的反饋信號17送入控制器13。控制器13由第二電流傳感器組7和電壓傳感器5的檢測信號計算出電網所需要補償的無功量，判斷三相全控型整流級8是否有剩餘容量，若無剩餘容量，則僅採用SVC補償電網無功功率，變流器僅工作在傳遞有功能量工作模式；若三相全控型整流級8剩餘容量達到其補償無功的工作餘度，則採用三相全控型整流級8補償電網無功功率。三相全控型整流級8工作在既傳遞有功能量，又補償電網無功功率的工作模式。首先動作SVC補償電網中大部分的無功量，留出三相全控型整流級8補償無功的空間，計算出三相全控型整流級8所需補償無功量後，作為三相全控型整流級8的無功給定，實現對電網的無功補償。將直流電壓傳感器12的檢測信號，作為三相全控型整流級8的有功給定，保障三相全控型整流級8的直流側電壓恆定，實現三相全控型整流級8的有功能量傳遞。根據負載的需要選用隔離或非隔離的直流變換電路11，實現負載與電網之間的直流隔離與解耦。負載或電網的反饋信號17，將不同負載的控制信號如電壓、電流、轉速等信號傳送給控制器13，以實現對不同負載的控制。第一驅動電路9、第二驅動電路10、第三驅動電路15和第四驅動電路18分別接收控制器13的驅動信號，分別驅動三相全控型整流級8、SVC、三相或單相的逆變級14和隔離的直流變換電路11。三相或單相全控型逆變級14可採用不同的拓撲結構和控制策略以滿足不同負載的需要。在本實用新型多功能大功率電力電子變流器中，控制器可採用美國TI公司的DSP-TMS320F2812晶片。其中包括模擬/數字轉化採樣單元和PWM脈衝輸出單元(在DSP-TMS320F2812 片內的 AD 單元和 DSP-TMS320F2812 的 PWM 脈衝輸出)。參照圖3，在第一組電流傳感器組4、第二組電流傳感器組7、電壓傳感器組5、直流電壓傳感器組12和直流電流傳感器19中，電流傳感器採用南京中霍公司的TBC-SY/SYS雙環系列閉環霍爾電流傳感器，電壓傳感器採用南京中霍公司的VSM025A型霍爾電壓傳感器。驅動電路採用三菱公司的M57962晶片。第一組電流傳感器組4、第二組電流傳感器組7、電壓傳感器組5、直流電壓傳感器組12和直流電流傳感器19所檢測出的信號傳送給控制器13進行運算，輸出PWM的佔空比，並控制脈寬調製PWM生成單元輸出PWM控制信號至第一驅動電路9、第二驅動電路10、第三驅動電路15和第四驅動電路18。在本實用新型多功能大功率電力電子變流器的不同實施例中，直流變換電路11可以是隔離或非隔離的直流變換電路。參照圖4，控制器13執行的邏輯控制步驟包括第一步初始化系統；第二步啟動第一組電流傳感器組4、電壓傳感器組5、第二組電流傳感器組7、直、流電壓傳感器組12、直流電流傳感器組19、以及負載或電網的反饋信號17 ；第三步註冊三相全控型整流級8與SVC6的控制任務、註冊隔離的直流變換電路11控制任務、註冊三相或單相全控型逆變器14控制任務；第四步結合參照圖5，進入三相全控型整流級8與SVC6相配合的無功補償控制第I步通過第二組電流傳感器組7、電壓傳感器組5進行瞬時無功檢測，獲取電網系統中的無功量；第2步通過電流傳感器組14檢測三相全控整流級8交流側的輸入電流，並判斷三相全控整流級8的剩餘容量是否滿足補償無功的工作值，即三相全控整流級8用於剩餘容量補償無功所設定最小剩餘容量，如果否，僅由SVC6補償電網無功，三相全控型整流級8僅對後級隔離或非隔離的直流變換電路11傳遞有功能量，採用單位功率因數運行，不對電網提供任何無功，執行第五步； 如果是，執行下一步；第3步判斷三相全控型整流級8的剩餘容量是否可以完全補償電網系統中的無功量，如果是，則完全由三相全控型整流級8補償電網無功，SVC6不工作，執行第五步；如果否，則由三相全控型整流級8與SVC6的配合補償電網的無功量，即由SVC6補償電網系統中的大部分無功，剩餘無功量部分由三相全控型整流級8提供補償，三相全控型整流級8在非單位功率因數下工作，其在滿足後級隔離或非隔離的直流變換電路11有功能量要求的同時，提供給電網一定的無功；第4步輸出三相全控型整流級8與SVC6相配合的無功補償控制給定，並按照上述三相全控型整流級8與SVC6相配合的無功補償控制給定執行對變流器中三相全控型整流級8、隔離的直流變換電路11和三相或單相全控型逆變級14的控制第五步系統是否停機，如果是，執行下一步；如果否，返回第四步；第六步結束。參照圖6，在控制器13執行的上述邏輯控制步驟第4步中，對三相全控型整流級8的控制包括第4-1步獲取第一組電流傳感器組4所採集到的三相電抗器3中的輸入電流值、電壓傳感器組5所採集到的三相電網的電壓值、第二組電流傳感器組7所採樣到的三相電網中的電流值、直流電壓傳感器組12所採集到的變壓器原邊各級聯H橋直流側的電壓值；第4-2步計算有功電流和無功電流的給定；第4-3步矢量控制第一組電流傳感器組4的採集值和電壓傳感器組5的採集值經過解耦，將系統的有功量和無功量分離出來，直流電壓傳感器組12的採集值用以反饋各級聯H橋直流側的電容電壓，與給定的直流側電容電壓比較後，控制輸出整流級的有功電流，通過穩定各級聯H橋直流側的電壓，實現有功能量的傳遞；第4-4步輸出控制脈衝至三相全控型整流級8 ；第4-5步結束。 參照圖7，在控制器13執行的上述邏輯控制步驟第4步中，對隔離的直流變換電路11的控制包括第4-1步獲取直流電壓傳感器組12所採集到的變壓器副邊H橋直流側輸出的電壓值，獲取直流電流傳感器組19所採集得到的變壓器副邊H橋直流側輸出的電流值；第4-2步計算直流側電壓的誤差值；計算各橋的輸出功率與平均功率的誤差；第4-3步採用電壓、功率雙閉環控制，計算隔離的直流變換電路11的移相角，以實現對隔離的直流變換電路11的控制，反饋直流電壓傳感器組12所採集到的變壓器副邊H橋直流側輸出的電壓值，以實現隔離的直流變換電路11變壓器副邊H橋直流側電容電壓的穩定。計算隔離的直流變換電路11的移相角；第4-4步採用直流電壓傳感器組12所採集到的變壓器副邊H橋直流側輸出的電壓值與直流電流傳感器組19所採集到的變壓器副邊H橋直流側輸出的電流值的乘積作為功率反饋，輸出控制脈衝至隔離的直流變換電路(11，實現各模塊之間功率的均衡控制；第4-5步結束。 參照圖8，在控制器13執行的上述邏輯控制步驟第4步中，對三相或單相全控型逆變級14的控制包括第4-1步獲取負載或電網的反饋信號17 ；第4-2步矢量控制或直接轉矩控制用於交流傳動，矢量控制或直接功率控制用於併網電流控制；第4-3步輸出控制脈衝至三相全控型逆變器14 ；第4-4步結束。本實用新型多功能大功率電力電子變流器的技術效果在於I、運用SVC來補償電網所需的大部分無功功率，而變流器在保證三相或單相負載有功功率需求的前提下，利用變流器整流級剩餘容量去產生無功補償電流，補償SVC補償後消除級差和改善電壓閃變的抑制效果的不足，改善電網的電能質量。同時，具有為負載供電和補償電網無功的功能，提高了變流器的利用率。2、如果採用對稱結構，三相或單相的負載(可為三相或單相電網。變流器可以同時補償兩側電網的無功電流，或傳遞有功能量。3、在電網無功補償方面，兼顧了變流器的全控整流級快速連續無功補償及SVC低成本大容量無功補償的優勢，實現了變流器的全控型整流級的剩餘容量的充分利用。4、適用於不同類型的負載，對變流器的直流變換電路可採用隔離或非隔離的結構，以滿足不同負載的需要。由於採用了背靠背結構的變流器，整流級、隔離或非隔離的直流變換電路、逆變級可根據需要實現能量的雙向流動。5、具有設計合理、通用性強、實用等特點，具有很好的推廣使用價值。上面所述的實施例僅僅是對本實用新型的優選實施方式進行描述，並非對本實用新型的構思和範圍進行限定，在不脫離本實用新型設計方案前提下，本領域中普通工程技術人員對本實用新型的技術方案做出的各種變型和改進，均應落入本實用新型的保護範圍，本實用新型請求保護的技術內容，已經全部記載在權利要求書中。
權利要求1.一種多功能大功率電力電子變流器，包括三相交流電源(I)、大功率電力電子變流器及其控制器，所述控制器(13)設有與其相連的電流、電壓傳感器組和驅動電路，其特徵在於還包括SVC(6)，所述SVC(6)的輸入端並聯接入所述三相交流電源(I)出口處的電網上； 所述大功率電力電子變流器包括三相電抗器(3)、三相全控型整流級(8)、直流變換電路(11)、三相或單相全控型逆變級(14)和三相或單相的負載或電網(16)，其中，所述三相電抗器(3)的輸入端並聯於所述三相交流電源(I)出口處的電網上，所述三相電抗器(3)的輸出端連接至所述三相全控型整流級(8)的輸入端，所述三相全控型整流級(8)的輸出端通過所述直流變換電路(11)連接至所述三相或單相全控型逆變級(14)的輸入端，所述三相或單相全控型逆變級(14)的輸出端連接至所述三相或單相的負載或電網(16)； 所述電流、電壓傳感器組包括第一電流傳感器組(4)、第二電流傳感器組(7)、電壓傳感器(5)、直流電壓傳感器(12)和直流電流傳感器(19)，其中，所述第一電流傳感器組(4)的輸入端連接至所述三相電抗器(3)的輸入端電網上，所述第二電流傳感器組(7)的輸入端連接至所述電網其他負載(2)的輸入端電網上，所述電壓傳感器(5)的輸入端並聯於所述三相交流電源(I)出口處的電網上，所述直流電壓傳感器(12)的輸入端和直流電流傳感器(19)的輸入端連接至所述直流變換電路(11)，所述第一電流傳感器組(4)、第二電流傳感器組(7)、電壓傳感器(5)、直流電壓傳感器(12)和直流電流傳感器(19)的輸出端分別與所述控制器(13)連接； 所述驅動電路包括第一驅動電路(9)、第二驅動電路(10)、第三驅動電路(15)和第四驅動電路(18)，其中，所述第一驅動電路(9)、第二驅動電路(10)、第三驅動電路(15)、第四驅動電路(18)各輸入端分別與所述控制器(13)連接，所述第一驅動電路(9)的輸出端連接至所述三相全控型整流級(8)，所述第二驅動電路(10)的輸出端連接至所述SVC(6)，所述第三驅動電路(15)的輸出端連接至所述三相或單相全控型逆變級(14)，所述第四驅動電路(18)的輸出端連接至所述直流變換電路(11)； 所述三相或單相的負載或電網(16)輸出的負載或電網的反饋信號(17)與所述控制器(13)連接； 所述控制器(13)採集所述第一電流傳感器組(4)、第二電流傳感器組(7)、電壓傳感器(5)、直流電壓傳感器(12)和直流電流傳感器(19)的檢測信號和負載或電網相關的反饋信號(17)，計算出電網所需要補償的無功量，判斷所述三相全控型整流級(8)是否有剩餘容量，若無剩餘容量，則僅採用SVC補償電網無功功率；若所述三相全控型整流級(8)剩餘容量達到其補償無功的工作餘度，則採用所述三相全控型整流級(8)補償電網無功功率；所述第一驅動電路(9)、第二驅動電路(10)、第三驅動電路(15)和第四驅動電路(18)分別接收所述控制器(13)的驅動信號，分別驅動所述三相全控型整流級(8)、SVC、三相或單相的逆變級(14)和隔離的直流變換電路(11)。
2.根據權利要求I所述的多功能大功率電力電子變流器，其特徵在於其中所述直流變換電路(11)為隔離或非隔離的直流變換電路。
專利摘要本實用新型提供的多功能大功率電力電子變流器，包括三相交流電源、大功率電力電子變流器及其控制器和SVC。大功率電力電子變流器包括三相電抗器、三相全控型整流級、直流變換電路、三相或單相全控型逆變級和三相或單相的負載或電網。控制器連接有電流、電壓傳感器組和驅動電路。本實用新型還提供了控制器的邏輯控制方法。其優點是將大功率變流器或大功率電力電子變壓器電網側可補償小容量無功功率的全控型整流級與大容量的SVC結合起來，採用混合型無功補償結構，因此具有傳遞有功能量、補償電網無功和消除電網諧波等多種功能。
文檔編號H02J3/18GK202364132SQ20112052671
公開日2012年8月1日 申請日期2011年12月15日 優先權日2011年12月15日
發明者盧其威, 張國澎, 王碩, 王聰, 王萌, 程紅, 蔣偉, 鄒甲 申請人:中國礦業大學(北京)