鏈式動態電能治理裝置製造方法
2023-08-09 20:04:46 2
鏈式動態電能治理裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種鏈式動態電能治理裝置，包括PF濾波迴路、三相H橋級聯型多電平逆變器、換流電抗器和控制系統；所述PF濾波迴路由電抗器和高通濾波器組成；所述三相H橋級聯型多電平逆變器交流側接換流電抗器，並與所述高通濾波器並聯後經所述電抗器併入電網；所述控制系統將採集運算得到的指令信號與所述三相H橋級聯型多電平逆變器的反饋信號比較後生成PWM信號，進而控制三相H橋級聯型多電平逆變器工作。有益效果是：可直接輸出階梯波，無需多脈衝調製即可實現接近於正弦波的電壓輸出，因此降低了器件的開關損耗；採用鏈式結構，無需安裝變壓器，降低了裝置的損耗和造價；易於實現模塊化生產，並有利於實現不同容量裝置的組合。
【專利說明】鏈式動態電能治理裝置
【技術領域】
[0001 ] 本實用新型涉及電力設備【技術領域】，尤其是涉及鏈式動態電能治理裝置。
【背景技術】
[0002]隨著現代科學技術的發展，電力用戶對電能質量要求也在不斷的提高。對於鋼鐵、化工、冶金、鐵路及機械製造等現代企業來說，廣泛使用的先進技術使得供電系統故障或電能質量惡化可能會帶來毀滅性的影響。電壓波動、閃變、三相不平衡等日趨嚴重，這些對電網的不利影響不僅會導致供用電設備本身的安全性降低，而且會嚴重削弱和幹擾電網的經濟運行。由於供電系統中增加了大量的非線性負載，會引起電網電流、電壓波形發生畸變，造成電網的「汙染」。
[0003]在電力系統中往往設置有無功補償裝置來保證負載的安全，無功補償裝置從最早的並聯電容器發展到今天，經歷了電容器、同步調相機、靜止無功補償裝置(SVC)到今天最新的技術SVG等幾個不同的時期。
[0004]並聯電容器結構比較簡單，安裝和維護方便，但它只能補償感性無功，不能補償容性無功，並且因為它的阻抗值是一定的，所以不能實現對無功功率動態補償。另外，電容器負電壓效應，如果其電壓下降，補償電流也會下降，系統電壓和補償無功量就會隨之迅速下降，在系統存在諧波的情況下，就可能會發生並聯諧振，從而放大諧波電流，甚至燒毀電容器。
[0005]同步調相機(Synchronous Condenser-SC)是早期動態無功補償裝置的典型代表。它是一種同步電機，在不同的條件下，既可以產生容性無功功率又可以產生感性無功功率，因此，它對固定的和變化的無功功率都能補償，即可以實現動態補償。在剛開始的幾十年中，它是無功補償領域的主流產品。但由於旋轉電機噪聲比較大、損耗高、控制和維護複雜、響應速度慢等缺點，同步調相機已經無法適應無功功率補償的控制要求。
[0006]上世紀70年代以來，靜止無功補償裝置(Static Var Compensator-SVC)成為無功補償領域的新寵，逐漸替代同步調相機。早期的靜止無功補償裝置是飽和電抗器(Saturated Reactor-SR)型的。1967年，世界首批飽和電抗器在英國的GEC公司誕生。跟同步調相機相比，優點是響應速度快，缺點是噪聲和損耗比較大。另外，飽和電抗器不能補償負載的三相不平衡，加上存在非線性電路的一些問題，所以註定不能成為靜止無功補償領域的主流產品。隨著電力電子技術的發展，晶閘管開始用於靜止無功補償裝置。1977年，第一臺晶閘管靜止無功補償裝置在美國GE公司運行成功。1978年，西屋電氣公司(West-house Electric Corp)在美國國家電力研究院(Electric Power ResearchInstitute)的支持下，投入運行了自己生產的晶閘管靜止無功補償裝置。隨後，各種類似產品層出不窮。有了近20年的發展，SVC已在靜止無功補償領域佔據了主導地位。主要類別有以下幾種:晶閘管投切電容器(Thyristor Switched Capacitor_TSC)、晶閘管控制電抗器(Thyristor Controlled Reactor-TCR)、TCR+TSC、TCR+FC(Fixed Capacitor-FC) >TCR+MSC(Mechanically Swiched Capacitor-MSC)等。SVC最大的優點是響應速度快、可以實現動態補償，因此在電力系統無功補償領域得以迅速的發展。SVC的缺點是諧波含量高，需要大容量的電感和電容等儲能元件，其連續可調也有前提條件是在感性工況下。
[0007]隨著電力電子技術的進一步發展，八十年代以來，一種更先進的靜止型無功補償裝置出現了，這就是採用自換相變流電路的靜止無功補償裝置，即靜止無功補償器(Static Compensator-STATCOM),也稱為高級靜止無功補償器(Advanced Static VarCompensator-ASVC),或者稱為靜止無功發生器(Static Var Generator-SVG) ? 與 SVC 相t匕，SVG減小了體積、節省了材料，並具有響應速度快、調節性能好、能綜合補償三相不平衡和諧波的特點，成為無功補償的重要發展方向。
實用新型內容
[0008]本實用新型為解決上述技術問題，在於提供一種鏈式動態電能治理裝置，以改善配電網電能質量問題，包括電壓波動、閃變，三相不平衡，諧波和功率因數等問題。
[0009]本實用新型所解決的技術問題採用以下技術方案來實現:
[0010]鏈式動態電能治理裝置，包括PF濾波迴路、三相H橋級聯型多電平逆變器、換流電抗器和控制系統；所述PF濾波迴路由電抗器和高通濾波器組成；所述三相H橋級聯型多電平逆變器交流側接換流電抗器，並與所述高通濾波器並聯後經所述電抗器併入電網；所述控制系統將採集運算得到的指令信號與所述三相H橋級聯型多電平逆變器的反饋信號比較後生成PWM信號，進而控制三相H橋級聯型多電平逆變器工作。
[0011]作為優選的技術方案，所述三相H橋級聯型多電平逆變器由3個橋臂連接組成。
[0012]作為優選的技術方案，所述橋臂通過Y型或Λ型連接。
[0013]作為優選的技術方案，每個所述橋臂由多個逆變單元直接串聯構成。
[0014]作為優選的技術方案，每個所述逆變單元由4個具有反並聯二極體的IGBT開關器件通過H橋連接後，再與直流電容並聯組成。
[0015]作為優選的技術方案，所述的PF濾波迴路的濾波次數由所述高通濾波器的截止頻率所決定，可以設計濾除3次以上諧波。
[0016]作為優選的技術方案，所述的控制系統是由檢測與運算電路、電流跟蹤控制電路、PWM信號發生電路和直流側電壓控制電路組成。
[0017]本實用新型具有的有益效果是:(I)可直接輸出階梯波，無需多脈衝調製即可實現接近於正弦波的電壓輸出，因此降低了器件的開關損耗；
[0018](2)採用鏈式結構，無需安裝變壓器，降低了裝置的損耗和造價；
[0019](3)易於實現模塊化生產，並有利於實現不同容量裝置的組合；
[0020](4)可以同時進行無功及諧波補償，PF濾波迴路能夠濾除其調諧頻次附近的諧波，對於諧振頻率附近的諧波電流呈低阻抗，對於基波相當於一個大電容，承擔了大部分的基波電壓；
[0021](5)三相H橋級聯多電平逆變器所承受的基波電壓較小，能夠適當改善PF濾波器的濾波特性，克服了 PF濾波器易受電網特性的影響、易於電網阻抗發生諧波等缺點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1為本實用新型:鏈式動態電能治理裝置結構圖；
[0023]圖2為本實用新型:鏈式動態電能治理裝置電路圖；
[0024]圖3為本實用新型:鏈式動態電能治理裝置的逆變單元的結構圖；
[0025]其中:1-PF濾波迴路、2-三相H橋級聯型多電平逆變器、3-換流電抗器、4-控制系統、11-電抗器、12-高通濾波器、41-檢測與運算電路、42-電流跟蹤控制電路、43-PWM信號發生電路、44-直流側電壓控制電路、5-電網、21-橋臂、22-逆變單元、23-1GBT開關器件、24-直流電容。
【具體實施方式】
[0026]為了使本實用新型實現的技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白了解，下面結合具體圖示，進一步闡述本實用新型。
[0027]如圖1-2所示，鏈式動態電能治理裝置由PF濾波迴路1、三相H橋級聯型多電平逆變器2、換流電抗器3和控制系統4組成；PF濾波迴路I由電抗器11和高通濾波器12組成；控制系統4是由檢測與運算電路41、電流跟蹤控制電路42、PWM信號發生電路43和直流側電壓控制電路44組成；三相H橋級聯型多電平逆變器2交流側接換流電抗器3，並與高通濾波器12並聯後經電抗器11併入電網5。
[0028]本實用新型的工作過程可表示為:首先通過電壓、電流互感器檢測到電網中的瞬時電壓、電流信號並送入運算電路計算出系統的無功電流，電流跟蹤控制電路將得到的無功電流指令信號與逆變器產生的反饋信號比較後得到電流誤差信號，其次將電流誤差信號與直流側電壓反饋信號一起作為PWM信號發生電路的輸入信號，產生PWM脈衝以控制三相H橋級聯型多電平逆變器正常工作，三相H橋級聯型多電平逆變器通過換流電抗器發出或吸收相應的無功功率用於補償負載所需無功，最後與高通濾波器並聯後經電抗器併入電網。
[0029]三相H橋級聯型多電平逆變器通過換流電抗器可以發出感性或吸收容性無功功率，有效補償系統中的無功含量，提高功率因數；由高通濾波器和電抗器組成PF濾波迴路，能夠濾出調諧頻次附近的諧波，濾波任務主要由無源濾波器承擔，三相H橋級聯型多電平逆變器起拾遺補缺、改善濾波效果的任務，並可抑制電網與濾波器之間的諧振。
[0030]參照圖3所示，三相H橋級聯型多電平逆變器2由3個橋臂21通過Y型或Λ型連接組成，每個橋臂21由多個逆變單元22直接串聯構成，每個逆變單元22由4個具有反並聯二極體的IGBT開關器件23通過H橋連接後，再與直流電容24並聯組成。每個逆變單元22具有獨立的電容，考慮到串聯功率單元電容器的均壓問題，設計中採用功率電阻和開關串聯的方式進行放電，不但可以實現均壓，而且在輸入開關斷開後，可以給直流電容放電，避免人身傷害事故的發生。
[0031]本實用新型中三相H橋級聯型多電平逆變器的連接方式和鏈節單元數目可以根據如下方式確定:
[0032](I)根據承受電壓的計算
[0033]以接入1kV電網等級的鏈式動態電能治理裝置為例，如果選用1700V的IGBT，則鏈節的額定直流電壓可以工作在1000V(考慮到安全裕量)。按照最大調製比為I計算，每個鏈節可以輸出的交流電壓有效值為
[0034]Uce, = 1lV(I)
[0035]當選用Y型連接時，所需的最小級聯數目為:
[0036]Ny = 13x1000q^ a Ii(2)
707
[0037]其中係數1.3為考慮到連接電抗上的電壓降落及過載能力時所乘係數。
[0038]當選用Λ型連接時，所需的最小級聯數目為:
r Iλγ 1.3 X10000⑴
[0039]Na=~~。丨9(3)
[0040](2)根據承受電流的計算
[0041]顯然對於同一電壓等級和容量，採用Y型結構時換流鏈的額定電流需要按照Λ結構額定電流的1.732倍設計。
[0042]根據以上的分析，對於額定電壓相對較高、額定電流較小的場合，選擇用Y型連接方式更具有經濟性，因為這時需要較少的級聯數目和承受電流等級。
[0043]對於無變壓器的鏈式SVG設計，實際上還存在一個最小經濟容量，這是由可以獲得的開關器件(IGBT)的系列產品裡最小的額定關斷電流決定的。例如如果選用英飛凌的1700V單管IGBT，可以獲得的最小額定電流是200Α。如果選用此管時，按100Α (考慮安全裕量)換流鏈額定參數設計，當直接連接到1kV系統上時，採用Y型結構時的最小經濟容量為:
[0044]5, ->/3x10000 X 100 = 1.73 M var(4)
[0045]採用Λ型結構時的最小經濟容量為:
[0046]ΞΔ = 3X10000X100 = 3Mvar (6)
[0047]當所需裝置的額定容量小於最小經濟容量時，也沒有更小的開關器件可選，實際上開關器件成本並不能再進一步降低。顯然採用Y型結構時的最小經濟容量小於Λ型結構，在所需裝置容量較小時Y型結構更具經濟性。
[0048]當裝置容量較大時，由於額定電流變大，甚至使單個IGBT器件的電流關斷能力不能滿足要求。此時降低換流鏈的額定電流更有利於降低裝置成本，此時Λ型結構的鏈式SVG更具經濟性。
[0049]以上顯示和描述了本實用新型的基本原理和主要特徵和本實用新型的優點。本行業的技術人員應該了解，本實用新型不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本實用新型的原理，在不脫離本實用新型精神和範圍的前提下，本實用新型還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本實用新型範圍內。本實用新型要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
【權利要求】
1.鏈式動態電能治理裝置，其特徵在於，包括PF濾波迴路、三相H橋級聯型多電平逆變器、換流電抗器和控制系統；所述PF濾波迴路由電抗器和高通濾波器組成；所述三相H橋級聯型多電平逆變器交流側接換流電抗器，並與所述高通濾波器並聯後經所述電抗器併入電網；所述控制系統將採集運算得到的指令信號與所述三相H橋級聯型多電平逆變器的反饋信號比較後生成PWM信號，進而控制三相H橋級聯型多電平逆變器工作。
2.根據權利要求1所述的鏈式動態電能治理裝置，其特徵在於，所述三相H橋級聯型多電平逆變器由3個橋臂連接組成。
3.根據權利要求2所述的鏈式動態電能治理裝置，其特徵在於，所述橋臂通過Y型或Λ型連接。
4.根據權利要求2或3所述的鏈式動態電能治理裝置，其特徵在於，每個所述橋臂由多個逆變單元直接串聯構成。
5.根據權利要求4所述的鏈式動態電能治理裝置，其特徵在於，每個所述逆變單元由4個具有反並聯二極體的IGBT開關器件通過H橋連接後，再與直流電容並聯組成。
6.根據權利要求1所述的鏈式動態電能治理裝置，其特徵在於，所述的PF濾波迴路的濾波次數由所述高通濾波器的截止頻率所決定，可以濾除3次以上諧波。
7.根據權利要求1所述的鏈式動態電能治理裝置，其特徵在於，所述的控制系統是由檢測與運算電路、電流跟蹤控制電路、PWM信號發生電路和直流側電壓控制電路組成。
【文檔編號】H02J3/01GK204046177SQ201420363284
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年7月2日 優先權日:2014年7月2日
【發明者】陳國成, 陳國福 申請人:上海雷諾爾電力自動化有限公司