CN101499728A - 一种具有statcom功能的高压变频装置、控制方法及控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有STATCOM功能的高压变频装置、高压变频装置的控制方法及其控制***，用带STATCOM功能的能量回馈型高压变频器在进行交流电机调速与控制的同时，还实现了STATCOM所具备的实时无功补偿功能，能够补偿***非线性负载的冲击无功和稳定电网电压；其节能效果超过了高压变频器和无功补偿节能效果之和，综合节能指标能达45％以上。且由于两种装置集成到一起，整个装置材料总成本节约达25％以上，大大降低了材料成本。

Description

一种具有STATCOM功能的高压变频装置、控制方法及控制装置

技术领域

本发明涉及一种变频技术，并涉及具有STATCOM功能的高压变频装置、控制方法及控制装置。

背景技术

变流技术是建设资源节约型和环境友好型社会的一项关键技术。基于变流技术的高压变频技术和无功补偿技术是目前解决高压电机节能和电能质量提高方面最主要的技术。对于负载来讲，基于变流技术的高压变频技术和无功补偿技术为负载提供了优质的动力源，同时也为了电网电源提供了优质的使用环境，这两项技术作为两类不同的电能质量优化技术在不同的应用条件下各自发挥了重要作用。

由于高压变频及STATCOM技术专业性非常强，目前在工程化实施的过程中只能见到各自独立的高压变频器装置和STATCOM装置(Static Var Compensator——静止同步无功补偿器)，即单独的对电机供电的高压变频装置，和单独接入电网，对电网电能进行功率补偿的STATCOM装置。所以单独的STATCOM只能作为功率补偿设备，或者单独的高压变频器只能作为电能质量优化和电机调速设备，还没有出现能将高压变频技术和STATCOM技术集成在一起，既可进行实时功率补偿又可同时对负载交流电机进行调速供电的变流装置。

现有技术中有如下两种方案：

(1)用类似级联高压变频器的电路结构作为STATCOM的调节部件，不接电机负载，不调速，仍然采用电容储能方式，仅实现STATCOM功能。现有方式只是采用了H桥单元变频调速器，仍然采用大电容储能，该种电路拓扑仅储能电容和级联单元变频调速器，无法实现电机的调速，本质上仍然是一种传统的STATCOM电路。

(2)用级联高压变频器进行高压电机的变频调速，输入采用不可控器件，无法实现能量回馈和原边电压的控制，没有STATCOM的功能，仅能实现电机调速。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明目的旨在提出一种具有STATCOM功能的高压变频装置及其控制方法和控制***，采用移相变压器和交-直-交全控单元变频调速器，负载端接电机调速，原边接电网，进行电网的无功补偿；能将高压变频技术和无功补偿共性技术、设备共用，创造出节能效率更高、整体成本更低等单独装置无法比拟的优势。

为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案的是：

一种具有STATCOM功能的高压变频装置，其包括与电网三相交流电输出端连接的变压器原边，变压器副边的各个绕组分别接入级联变频器的各个单元变频调速器，各个单元变频调速器输出端一并接入交流电机负载，每套装置有若干个这样的单元变频调速器，各单元变频调速器串联后形成高压输出给负载电机。

上述的单个单元变频调速器即指一个采用两级变流器的变频调速器，前级变流器采用IGBT脉冲整流电路，后级变流器为H桥逆变电路，多个单元变频调速器在逆变端串联形成一相，最后形成三相10kV交流输出；其中同一相的所有单元变频调速器共用一组变压器副边绕组，同一组内的各绕组之间移相，形成多脉波整流模式。

本发明提供的高压变频装置中前级变流器兼有整流和STATCOM的功能，后级变流器作为逆变输出装置和能量回馈时的反向整流器，从电机侧提供直流电源给前级，从而代替了现有STATCOM技术方案的储能电容，达到了一套设备两种功能的作用。前级变流器采用全控型功率器件，不仅不需要交流侧提供无功功率，而且还能在一定功率范围内输出连续可调的感性或容性无功功率，动态补偿供电电网母线的无功功率，稳定供电电网母线电压；且由于将负载在制动情况下的有功电能回馈至电网，进一步提高节能效果，具有节能效率高、整体成本低等特点，有利于节能技术的推广。

相应的，本发明还提出了一种基于上述高压变频装置的控制方法，在高压变频装置进行变频调速时，前级变流器作为全控整流器，采用滞环电流法，控制母线直流电压和输入的电压电流，通过电流滞环比较得到IGBT器件的控制脉冲，***逆变部分采用PWM控制，形成幅值、频率可调的输出电压、电流；在进行功率补偿时，通过无功计算，从电机侧将电能回馈，经过一个反的交直交变流器，控制电网原边电压输入值，达到功率补偿的目的。

本发明还基于DSP与CPLD硬件控制平台，提出了一种实现上述控制方法的控制***，包括主控制器、与其双向连接的上位微机和脉冲分配单元，主控制器包括信号处理单元、与信号处理单元连接的信号采集单元和中央控制器，其中主控制器通过其内部的信号采集单元与脉冲分配单元连接，脉冲分配单元通过光电耦合器接入主电路中的门极驱动电路。

上述主控制器接收上位微机给定或预先设定的频率、电压等给定信号，计算出功率开关器件开通/截止角度(时刻)，脉冲分配单元作为主控制器与主电路的接口，脉冲分配单元接收主控制器控制信号，解码后，经光电耦合器(光纤)输出给门极驱动电路，控制主回路开关元件的开通和截止，获得所需要的电压。其中采用光电耦合器传递触发命令信号实现控制***与功率模块的隔离，提高了***安全以及抗干扰能力。另一方面，脉冲分配单元也接收到门极驱动电路反馈的功率器件故障信息，封锁整个单元的驱动信号，并将故障信息编码后送给主控制器。

主控制器的中央控制器采用DSP2812，门极驱动电路执行主控制器给出的控制信号，控制IGBT的开通和关断，并将状态信号、短路保护信号反馈给主控制器。主控制器通过光电耦合器接收门极驱动单元的反馈信号，通过网络通讯线接收中心计算机的控制命令，完成控制指令的操作。

***进行功率补偿时，主控制器内的中央控制器进行无功计算，完成此时的输出电压控制功能，而后调制单元的前级变流器IGBT器件的控制脉冲，由CPLD进行分配，通过光纤传递，完成开关控制，达到有效调节功率因数的目的。

本发明通过级联高压变频器四象限动态的整流-逆变过程形成动态电源，通过对原边电能进行全控整流-逆变输出可控的电能供给高压电机使用，也可以实现逆过程的电能转换，即原整流部分(前级变流器)成为逆变器，逆变部分(后级变流器)成为整流器，将电能反送回至原边电网，可以通过对前级变流器的控制达到原边无功补偿的目的。对非线性负载(异步电机)进行调速的同时，动态反馈电能，以四象限整流器反馈电能的方式达到无功补偿的目的。

本***将高压变频和无功补偿技术中最先进的技术进行了创新性的、有效的集成。变流器采用全控型功率器件，可以将后级变流器在制动情况下的电能回馈至电网，进一步提高节能效果。

综上所述，本发明在现有基础上，用带STATCOM功能的能量回馈型高压变频器在进行交流电机调速与控制的同时，还实现了STATCOM所具备的实时无功补偿功能，能够补偿***非线性负载的冲击无功和稳定电网电压；其节能效果超过了高压变频器和无功补偿节能效果之和，综合节能指标能达45％以上。且由于两种装置集成到一起，整个装置材料总成本节约达25％以上，大大降低了材料成本。

附图说明

图1是现有的变频器做STATCOM的方案示意图；

图2是本发明所述变频装置的***框图；

图3是图2中单元变频调速器的电路拓扑图；

图4是本发明控制方法中功率补偿时前级变流器控制方法；

图5是图4所述方法中直流电压外环控制方法；

图6是图4所述方法中电流内环控制方法；

图7是本发明所述控制***的结构框图。

具体实施方式

如图2所示，首先，电网输出的三相交流电进入级联高压变频器的输入移相整流变压器原边，通过变压器副边的各个绕组给级联高压变频器的各个单元供电，单元输出可调的电压电流，叠加后给交流电机负载供电。并可通过电机-变频器-变压器回路的能量回馈实现对原边电压与功率的控制，达到动态功补无偿的目的。

如图3所示，Sa1，Sb1，Sc1 Sa1’，Sb1’，Sc1’为前级变流器全控电子开关器件，Su1，Sv1，Su1’，Sv1’为后级变流器。全控电子开关器件，L1为输入电扛器，R1为中间直流电阻，C1为支撑电容，在三相电源输入侧设置了输入LC滤波器。

其中上述每个单元变频调速器采用两级变流器的方案，前级变流器采用IGBT脉冲整流电路，后级变流器为H桥逆变电路。前级变流器兼顾了PWM整流器和静止同步补偿器(STATCOM)的功能，后级变流器为高压变频装置。如图3，前级变流器为一个三相全控整流桥，将电源交流电整流为直流电，而后通过后级变流器达到可控逆变输出的目的，再同时对单元输出进行叠加后输出到异步电机的定子侧，通过对前级变流器的控制同时可以进行原边的功率补偿，这样的***可以达到在实时控制异步电机的同时，也能够进行原边功率补偿的目的。

其中单元电路的变流器部分“反向”，即从电机侧将电能回馈，经过一个反的交直交变流器，控制电网原边电压输入值，达到功率补偿的目的。

控制框图如图4：其中vs、is为电源端电压和电流；ic为补偿器输出电流，α是负载电压与电流的相角差；

是直流母线参考电压，V_dc为直流母线实际电压，

是直流母线参考电压；

无功电流；Vc为补偿输出电压。

在***进行功率补偿的时候，通过无功计算：Q＝V_sI_s sin α。

如图5控制策略所示，在***输出和直流端装有电压传感器、电流传感器，将采集的电压、电流信号送控制***，通过控制***处理与控制，达到稳压、恒流的目的。

***进行变频调速时，前级变流器作为全控整流器，采用滞环电流法控制，该控制方法采用电压外环和电流内环的双环控制。电压外环是控制三相VSC直流侧电压；而电流内环的作用是按照电压外环输出的电流参考值进行变流器输入电流控制。

对于三相交流对称***，假定只考虑交流基波分量，则稳态dqo模型中的dq分量均为直流变量。通过选取同步旋转坐标系的d轴初始参考轴方向与电网电动势矢量重合，即变流器的交流***A相相电压初始相位角为0度，则d轴电流表示电流的有功分量，q轴电流表示电流的无功分量，分别控制i_d和i_q就可以达到控制稳态有功和无功功率的目的。在***作为融冰直流电源应用时，***运行在单位功率因数状态，或者说交流侧输出无功功率为0，因此只需设计有功功率控制，由于采用恒流斩波输出，变流器单元采用直流电压控制器。

直流电压外环控制方法如图5所示，图中u_dc、

Δu_dc

分别为直流电压实际值、直流电压给定值、直流电压误差值和直流电流给定值。直流电压u_dc与直流电压参考值

的偏差量Δu_dc经过PI环节转换为交流电流有功分量i_d的修正量i_d1，通过功率前馈环节提供i_d的预估量i_d0，两者之和构成了变流器有功输入电流的有功分量的给定参考值

，从而去控制变流器的直流电压。若变流器的控制量

仅为稳态预估值i_d0，则变流器电压开环运行，此时直流电压不再维持恒定而是随着有功负荷无功负荷的变化而波动。

电流内环控制方法如图6所示，将电流i_d、i_q分别与给定值

$i_q^{*}(=0)$ 进行比较并进行PI控制之后，利用前馈解耦算法，得到变流器调制电压的dq分量。通过u_dq以及锁相环所得到的相位信号，就可以进行三相SPWM调制或SVPWM调制，得到变流器的IGBT元件的触发脉冲信号。

如图6所示，控制母线直流电压和输入的电压电流，通过电流滞环比较得到IGBT器件的控制脉冲，***逆变部分采用PWM控制，可以形成幅值、频率可调的输出电压、电流。

如图7所示，主控制器接收上位微机给定或预先设定的频率、电压等给定信号，通过信号采集单元和处理单元得到处理后的数据，计算出功率开关器件开通/截止角度(时刻)，例如可运用成熟的SVPWM(空间矢量调制)方法，通过对矢量角和幅值的控制来达到控制输出脉冲的目的。

脉冲分配单元由数字化逻辑电路组成，通过对硬件的编程完成开关信号的编码，传输，解码，完成主控制器与各功率单元间的通讯。作为主控制器与主电路的接口，脉冲分配单元接收主控制器控制信号，经光电耦合器(光纤)输出给门极驱动电路，控制主回路开关元件的开通和截止，获得所需要的电压。另一方面，脉冲分配单元也接收到来门极驱动电路反馈的功率器件故障信息，封锁整个单元的驱动信号，并将故障信息编码后送给主控制器。

主控制器内部的中央控制器采用DSP2812与CPLD的数字硬件平台，门极驱动单元执行主控制器给出的控制信号，控制IGBT的开通和关断，并将状态信号、短路保护信号反馈给主控制器。主控制器通过光纤接收门极驱动单元的反馈信号，通过网络通讯线接收中心计算机的控制命令，完成控制指令的操作。

***在运行时，可针对***在变频调速和功率补偿的需要容量，进行了优先级设计，在不影响***输出的情况下，通过上微机协调控制。

Claims (4)

1、一种具有STATCOM功能的高压变频装置，其特征是包括与电网三相交流电输出端连接的变压器原边，变压器副边的各个绕组分别接入级联变频器的各个单元变频调速器，各个单元变频调速器输出端一并接入交流电机负载；其中所述单元变频调速器为一个采用两级变流器的变频调速器，前级变流器采用IGBT脉冲整流电路，后级变流器为H桥逆变电路，多个单元变频调速器在逆变端串联形成一相，最后形成三相10kV交流输出；其中同一相的所有单元变频调速器共用一组变压器副边绕组，同一组内的各绕组之间移相，形成多脉波整流模式。

2、一种基于权利要求1所述高压变频装置的控制方法，其特征是，在高压变频装置进行变频调速时，前级变流器作为全控整流器，采用滞环电流法，控制母线直流电压和输入的电压电流，通过电流滞环比较得到IGBT器件的控制脉冲，***逆变部分采用PWM控制，形成幅值、频率可调的输出电压、电流；在进行功率补偿时，通过无功计算，从电机侧将电能回馈，经过一个反的交直交变流器，控制电网原边电压输入值，达到功率补偿的目的。

3、一种实现权利要求2所述控制方法的控制***，其特征是包括主控制器、与其双向连接的上位微机和脉冲分配单元，主控制器包括信号处理单元、与信号处理单元连接的信号采集单元和中央控制器，其中主控制器通过其内部的信号采集单元与脉冲分配单元连接，脉冲分配单元通过光电耦合器接入主电路中的门极驱动电路。

4、根据权利要求3所述实现高压变频装置的控制方法的控制***，其特征是，所述主控制器的中央控制器采用DSP2812。

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