具有多目標負荷控制的變流裝置製造方法
2023-08-07 23:24:51
具有多目標負荷控制的變流裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種具有多目標負荷控制的變流裝置，包括兩個三相變流器，其中，一個三相變流器通過耦合變壓器串聯到交流線路上作為電壓補償單元，另一個三相變流器通過電感連接到交流線路上作為電流補償單元，所述兩個三相變流器通過直流電容連接到公共直流母線上。本實用新型提供的具有多目標負荷控制的變流裝置，通過在系統側和負荷側串/並聯三相變流器分別進行電壓和電流補償，從而實現諧波消除、無功補償和電壓穩定的多目標負荷控制功能，有效改善電能質量，降低電網損耗。
【專利說明】具有多目標負荷控制的變流裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種交流電源變流裝置，尤其涉及一種具有多目標負荷控制的變流裝置。
【背景技術】
[0002]電力電子連同運行控制和計算機技術一起成為21世紀最重要的兩大技術。然而，電力電子裝置產生的諧波汙染已成為阻礙電力電子技術發展的重大障礙。為此國外專家提出了「用戶電力技術」的新概念。其目的就是將配電系統改造成無電壓波動、無不對稱以及無諧波的實時控制的柔性化配電網。如何有效實現諧波治理、無功補償和電壓穩定並將其安全可靠應用於電網中，各種電能質量問題的產生原因、規律、特點及其控制手段已成為當前研究與開發的熱點課題。
[0003]近年來電能質量控制技術得到了長足的進步，其中最有代表及影響的有有源電力濾波器(APF)、動態電壓調節器(DVR)、靜止無功補償器(SVG)等。
[0004]在諧波治理方面，國外從20世紀80年代就開始研製有源電力濾波器，於90年代進入實際應用，並已作為改善供電質量的一項關鍵技術，在國外已日趨成熟。僅在日本就有500多臺APF投入運行，其容量已達到60MVA。但是由於APF價格高，因此利用無源濾波器來降低有源濾波器容量的混合式濾波器將成為研究的重點和為未來發展的方向。國內APF研發遠落後於國外，除少數幾臺APF已投入工業試運行外，其它大部分尚處在研製階段。
[0005]在無功補償方面，早期採用的是同步調相機和並聯電容器。它們都能補償固定的無功功率，前者還能對變化的無功功率進行動態補償。但同步調相機的補償手段已顯陳舊，且難以維護；而對於並聯電容器，在電網中有諧波時，有可能發生並聯諧振，使諧波放大，電容器因此而燒毀的事故時有發生。而使用晶閘管的靜止無功補償器(SVC)由於SVC響應速度慢，抑制閃變難以達到50%，且其開關作用還帶來了大量的諧波。與SVC相比，採用PWM控制技術的靜止無功補償器具有動態響應速度快、補償電流不依賴於系統電壓、諧波抑制能力強、抑制電壓效果好(20%以下)以及佔地面積僅為同容量SVC裝置50%的優點，而獲得了越來越廣泛的應用。從1986年至1999年，三菱至少投入了 20臺容量從0.1?60MVar不等的靜止無功補償器應用在鋼鐵公司、電氣化鐵路、水電站、變電站等。但靜止無功補償器只能補償無功功率，功能略顯單一。
[0006]動態電壓調節器是目前保證對敏感負荷供電質量非常有效的串聯補償裝置，該裝置可在毫秒級內將電壓跌落補償至正常值，保證敏感負荷供電電壓不受系統電壓故障的影響。目前動態電壓調節器在消除電壓跌落、提高大型綜合性敏感工業負荷的供電質量方面有顯著的效果。但由於動態電壓調節器只在電壓跌落時才提供負荷滿足正常電壓所需的功率消耗，雖然可以解決電壓凹陷問題，其效率比較高，但其費用比較高，結構比較複雜，所以推廣起來有一定的難度。
[0007]由上可見，現有的設備(APF、DVR、SVG)只能針對電能質量的某項技術指標進行優化，無法實現多目標控制，功能相對單一，而將三者功能簡單的疊加不僅因成本太高而導致推廣受限，還將會因設備之間的相互影響而影響單個設備的正常運行。因此有必要提供具有多目標負荷控制的變流裝置，在保證設備性能的基礎上，實現了多目標控制，具有功能齊全、成本可控、安裝方便、運行維護簡單等特點。
實用新型內容
[0008]本實用新型所要解決的技術問題是提供一種具有多目標負荷控制的變流裝置，具有諧波消除、無功補償和電壓穩定的多目標負荷控制功能，適用於配電網節能技改，能夠有效改善電能質量，降低電網損耗。
[0009]本實用新型為解決上述技術問題而採用的技術方案是提供一種具有多目標負荷控制的變流裝置，包括兩個三相變流器，其中，一個三相變流器通過耦合變壓器串聯到交流線路上作為電壓補償單元，另一個三相變流器通過電感連接到交流線路上作為電流補償單元，所述兩個三相變流器通過直流電容連接到公共直流母線上。
[0010]上述的具有多目標負荷控制的變流裝置，其中，所述三相變流器為三組橋臂六個開關管構成的逆變器，每組橋臂包括兩個串聯在一起的開關管，每組橋臂中間通過電感L和交流線路相連，所述電感L和並聯在橋臂兩端的電容C構成無源濾波器。
[0011]上述的具有多目標負荷控制的變流裝置，其中，所述交流線路的輸出電壓通過三相交流電壓採集電路和DSP控制器相連，所述公共直流母線的輸出電壓通過直流電壓採集電路和DSP控制器相連；所述DSP控制器產生PWM觸發脈衝，經緩衝驅動電路放大後去控制開關管的導通和關斷。
[0012]上述的具有多目標負荷控制的變流裝置，其中，所述DSP控制器檢測到過壓、過流或過載信號後發出封鎖脈衝關斷開關管。
[0013]本實用新型對比現有技術有如下的有益效果:本實用新型提供的具有多目標負荷控制的變流裝置，通過在系統側和負荷側串/並聯三相變流器分別進行電壓和電流補償，從而實現諧波消除、無功補償和電壓穩定的多目標負荷控制功能，有效改善電能質量，降低電網損耗。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為左串右並式變流器安裝連接拓撲圖；
[0015]圖2為左並右串式變流器安裝連接拓撲圖；
[0016]圖3為另一種兩個串聯變流器和無源濾波器安裝連接拓撲圖；
[0017]圖4為本實用新型具有多目標負荷控制的變流裝置的電路方框示意圖；
[0018]圖5為圖4中二相變流器的電路連接不意圖；
[0019]圖6為本實用新型使用的控制具有多目標負荷控制的變流裝置的DSP控制器的電路方框示意圖。
[0020]圖中:
[0021]I耦合變壓器 2三相整流橋帶阻感負載 3三相變流器
[0022]4LC無源濾波器 5公共直流母線及電容
【具體實施方式】[0023]下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步的描述。
[0024]由於APF可以解決負荷的動態電流質量問題，DVR可以解決系統的動態電壓質量問題，如果把APF和DVR組合起來，則可以構成同時補償電壓跌落、陡升、瞬時電壓中斷、三相不平衡補償、電流諧波補償和無功補償等，保證負載端電壓為標準等級和恆定頻率的純正弦波，保證電網側電流為與電網電壓同相位的純正弦波。
[0025]根據電能質量補償單元的安裝位置和安裝方式不同，一般有如下三種拓撲結構:
[0026]拓撲結構一為左串右並方式，如圖1所示。採用該方式通常由一對串/並聯變流器組成，共用一個直流儲能環節。工作時，並聯變流器接於負荷側，主要用於補償諧波和無功電流，同時維持兩個變流器之間的直流電壓恆定；串聯變流器接於系統側，具有維持連接點電壓、補償電壓閃變和不對稱的功能。
[0027]拓撲結構二為左並右串方式，如圖2所示。從結構上看，除了有串/並聯變流器外，在負荷側還並接一個LC無源濾波器，而且並聯變流器接於系統側。從器件的功能上看，運行時串聯變流器不僅對諧波起隔離作用，同時還肩負著阻值LC無源濾波器與系統阻抗之間可能產生的串/並聯諧振。並聯變流器僅用於維持兩個電流器之間直流電源的電壓值，使之在補償過程中甚至在有大量有功流進或流出串聯變流器時，直流電源電壓保持恆定，這種結構所需的並聯變流器容量很小。
[0028]拓撲結構三由兩個小容量的串聯變流器和一個無源濾波器構成，如圖3所示，其中一個變流器與無源濾波器串聯後並聯在負荷側，這種結構主要用於以5次和7次諧波為主的系統中。
[0029]本實用新型提供的具有多目標負荷控制的變流裝置優選採用左串右並型拓撲結構，如圖4所示，具體為三相三線制拓撲結構，由兩個三相變流器3連接到公共直流母線及電容5 ;左側串聯部分的三相變流器3為電壓補償單元，是由三個橋臂6個開關管構成的逆變器，通過一個耦合變壓器I串聯到交流線路上，用於改善各種電壓質量問題；右側並聯部分的三相變流器3為電流補償單元，也是由三個橋臂6個開關管構成，通過電感連接到交流線路上，用於改善電流質量問題，此處的電感也可以直接作為LC電路中的電感L ;中間部分為直流母線及電容5，構成連接左右兩電壓型PWM變流器的直流環節，作為能量交換的介質。結構中，兩端的LC電路構成無源濾波器，用於消除兩個變流器輸出的開關頻率諧波。開關管可以選用IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor),絕緣柵雙極型電晶體，IGBT是由BJT (雙極型三極體)和MOS (絕緣柵型場效應管)組成的複合全控型電壓驅動式功率半導體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點，驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用於直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。
[0030]本實用新型提供的具有多目標負荷控制的變流裝置，通過對接入點系統側和負荷側的電壓電流採樣，得到系統的運行狀態，綜合判斷並融合後得到裝置控制目標，實現對負荷的狀態檢測和多目標控制的目的，使得裝置具有更佳的總體補償效果、更快的動態響應速度、更大的擴展容量等優勢。主電路中的串/並聯變流器、濾波電路、串聯側變壓器、並聯側連接電感及直流電容等。其參數選取是否得當，不僅決定了系統能否正常工作，而且影響補償性能和整個裝置的成本。具體參數可優選設定如下:工頻50Hz，相電壓有效值為220V ；負載功率為30kW，負載相電流基波有效值為50A，功率因數為0.866 ;直流側電壓為700V ；開關管頻率為12.8K。
[0031]對於串聯變流器和並聯變流器，其功率變換單元的基本拓撲結構是完全相同的，如圖5所示，所述三相變流器為三組橋臂六個開關管構成的逆變器，每組橋臂包括兩個串聯在一起的開關管，如SI和S4，S3和S6以及S5和S2，每組橋臂中間通過電感L和交流線路相連，所述電感L和並聯在橋臂兩端的電容C構成無源濾波器。
[0032]本實用新型提供的具有多目標負荷控制的變流裝置，所述交流線路的輸出電壓通過三相交流電壓採集電路和DSP控制器相連，所述公共直流母線的輸出電壓通過直流電壓採集電路和DSP控制器相連；所述DSP控制器產生PWM觸發脈衝，經緩衝驅動電路放大後去控制開關管的導通和關斷。所述DSP控制器通過獲取在線檢測與管理模塊及信號採集模塊傳送的啟停、保護、電壓、電流信號等產生並控制變流器器驅動開關器件的脈衝，使設備產生所需的電流及無功。主控晶片採用TI公司推出的TMS320F28335型數位訊號處理器，它是一款TMS320C28X系列浮點DSP控制器，與以往的定點DSP相比，該器件的精度高，成本低，功耗小，性能高，外設集成度高，數據以及程序存儲量大，A/D轉換更精確快速等。
[0033]TMS320F28335具有150MHz的高速處理能力，具備32位浮點處理單元，6個DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，有多達18路的PWM輸出，其中有6路為TI特有的更高精度的PWM輸出(HRPWM)，12位16通道ADC。得益於其浮點運算單元，用戶可快速編寫控制算法而無需在處理小數操作上耗費過多的時間和精力，從而簡化軟體開發，縮短開發周期，降低開發成本。
[0034]所述DSP控制器的電壓電流採樣及監控如下:
[0035]I)產生驅動IGBT脈衝:按計算結果和控制方式產生PWM出發脈衝，經緩衝驅動電路放大後去控制IGBT的導通和關斷，使設備完成諧波治理及補償無功功率的功能。
[0036]2)獲得準確且穩定的電網同步信號:從電網的其中一相電壓信號獲取電網電信號，並經整形電路、鎖相環電路得到同步的脈衝信號，使設備能過獲得準確的O角度位置。
[0037]3)實時通信功能:通過CAN接口、232接口與外部設備連接，能夠接收電流及無功的給定，並產生出給定的電流及無功功率，並傳輸工作狀態。包括電流跟蹤提供規定的超前或滯後無功電流、控制直流側電容電壓穩定在額定電壓值。
[0038]4)保護功能:當設備運行在過壓、過流、過載或其他不正常狀態下，控制器應發出封鎖脈衝封鎖IGBT，使設備停止工作。
[0039]信號調理電路部分主要包括三相交流電壓信號採集電路和直流電壓信號採集電路。三相交流電壓信號採集電路採用LEM公司的LV25-P傳感器進行採樣，根據其IOmA: 25mA的變比情況，考慮電壓最大波動範圍為±30%，取原邊電阻為2個20ΚΩ/2Ι電阻串聯，副邊採樣電阻為200 Ω /0.5W。採樣信號經方向發大和加法電路調製到O?4V範圍內，經濾波後送至A/D晶片。
[0040]直流電壓信號採集電路採用LEM公司的LV25-P傳感器進行採樣，根據其IOmA: 25mA的變比情況，取原邊電阻為4個20ΚΩ/2Ι電阻串聯，副邊採樣電阻為200 Ω/0.5W。採樣信號經方向發大和加法電路調製到O?4V範圍內，經濾波後送至A/D晶片。
[0041]雖然本實用新型已以較佳實施例揭示如上，然其並非用以限定本實用新型，任何本領域技術人員，在不脫離本實用新型的精神和範圍內，當可作些許的修改和完善，因此本實用新型的保護範圍當以權利要求書所界定的為準。
【權利要求】
1.一種具有多目標負荷控制的變流裝置，其特徵在於，包括兩個三相變流器，其中，一個三相變流器通過耦合變壓器串聯到交流線路上作為電壓補償單元，另一個三相變流器通過電感連接到交流線路上作為電流補償單元，所述兩個三相變流器通過直流電容連接到公共直流母線上。
2.如權利要求1所述的具有多目標負荷控制的變流裝置，其特徵在於，所述三相變流器為三組橋臂六個開關管構成的逆變器，每組橋臂包括兩個串聯在一起的開關管，每組橋臂中間通過電感L和交流線路相連，所述電感L和並聯在橋臂兩端的電容C構成無源濾波器。
3.如權利要求2所述的具有多目標負荷控制的變流裝置，其特徵在於，所述交流線路的輸出電壓通過三相交流電壓採集電路和DSP控制器相連，所述公共直流母線的輸出電壓通過直流電壓採集電路和DSP控制器相連；所述DSP控制器產生PWM觸發脈衝，經緩衝驅動電路放大後去控制開關管的導通和關斷。
4.如權利要求3所述的具有多目標負荷控制的變流裝置，其特徵在於，所述DSP控制器檢測到過壓、過流或過載信號後發出封鎖脈衝關斷開關管。
【文檔編號】H02J3/18GK203466566SQ201320122694
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年3月15日 優先權日:2013年3月15日
【發明者】王文斌, 陳家良, 鄧孟華, 錢軍, 嚴震平, 餘濤, 劉議華 申請人:國家電網公司, 國網上海市電力公司, 上海儲新電力科技有限公司