CN101783597A

CN101783597A - 基于直流侧有源结构及调幅控制的动态无功补偿装置

Info

Publication number: CN101783597A
Application number: CN201010136726A
Authority: CN
Inventors: 叶芃生; 凌志斌; 李瑞来; 胡顺全
Original assignee: Shandong Xinfeng Photoelectric Science & Technology Development Co Ltd
Current assignee: Shandong Xinfeng Photoelectric Science & Technology Development Co Ltd
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2010-07-21

Abstract

一种电力***技术领域的基于直流侧有源结构及调幅控制的动态无功补偿装置，包括：隔离变压单元、整流单元、逆变单元、输出电抗器、接触器及隔离开关，其中：隔离变压单元的输入端经隔离开关与电网连接以输入交流电压，隔离变压单元的输出端与整流单元输入端相连并通过整流单元将输入的交流电压整流为直流电压，整流单元输出端与逆变单元的输入端相连接以向逆变单元输入直流电压，逆变单元将输入的直流电压逆变为与电源电压同相位而大小可变的交流电压，其输出端与电抗器的输入端连接，电抗器的输出端依次串联接触器、隔离开关最终与电网相联并输出无功功率。本发明直流侧采用有源结构，用调幅法代替调相法实现了无功功率的连续调节，控制简单无死区，易实现在零电流条件下并网运行。

Description

基于直流侧有源结构及调幅控制的动态无功补偿装置

技术领域

本发明涉及的是一种电力***技术领域的装置，具体是一种基于直流侧有源结构及调幅控制的动态无功补偿装置。

背景技术

随着电力电子技术的发展，一种电网大容量无功功率动态补偿装置-先进静止无功发生器(ASVG-Advanced Static Var Generator)也有人称之为静止调相机(STATCOM-StaticCondenser)于上世纪90年代问世。该方法通过电力电子变换技术将直流电压逆变成不同的交流电压值，最终为***提供所需的无功功率。日本三菱电机于1991年在大山开闭所投入±80Mvar无功发生器，1996年美国田纳西电管局(TVA)在苏立湾投入±100Mvar无功发生器。我国清华大学与河南省电力局合作，研制成功±20Mvar无功发生器并于1999年在洛阳朝阳变电站投入运行；随后2005年上海西郊变电站的±50Mvar新型静止无功发生器也正式并网投运。

经过对现有技术的检索发现，陈建业等在《新型静止无功发生器(ASVG)的研究现状》(清华大学学报(自然科学版)1997年第37卷第7期第7～12页)以及：沈斐、刘文华、王仲鸿在《±20Mvar静止无功生器(ASVG)的研制》(国际电力2000年第二期第31-45页)上记载了类似技术：

a)直流侧均采用无源结构，即仅在启动时采用整流器的他励方式给电容充电，启动后电容将与外电源断开；

b)采用改变逆变器输出电压与电源电压的相角差δ来实现无功的调节，即输出的无功功率可以表示为：

其中：Us为STATCOM接入点的***电压有效值；r为STATCOM的等效电阻。由上式可见，STATCOM输出的无功功率仅依赖于电网电压与逆变器输出电压之间的相角差δ。

但上述控制方法有以下缺点：1.整流器的他励方式增加了控制***的复杂性；2.为达到输出无功的精度，触发脉冲精度必须达到0.05°以上，且逆变器输出电压与电源电压的相角差δ的变化范围很小，这给控制器的设计提出很高的要求；3.输出无功功率q与逆变器输出电压与电源电压的相角差δ存在非线性关系且有很大死区；4.难以实现零电流并网。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于直流侧有源结构及调幅控制的动态无功补偿装置，通过在直流侧采用有源结构，即不仅在启动时采用整流器给电容充电，启动后电容也不与外电源断开。外电源由一定变比变压器先将电网电压变换成数值合适的三相交流电压再经整流滤波后变为直流电压供提，直流电压值按STATCOM装置输出最大容性无功所需逆变器输出电压值选取，变压器容量仅需略大于STATCOM装置有功消耗值。STATCOM中逆变器输出电压始终与电源电压保持同步，而通过逆变器输出电压幅值的调制实现STATCOM装置输出无功大小与性质的控制。

本发明通过以下技术方案实现，本发明的STATCOM包括：隔离变压单元、整流单元、逆变单元、输出电抗器、接触器及隔离开关，其中隔离变压单元的输入端通过隔离开关与电网连接以输入交流电压，隔离变压单元的输出端与整流单元输入端相连并通过整流单元将输入的交流电压整流为直流电压，整流单元输出端与逆变单元的输入端相连接以向逆变单元输入直流电压，逆变单元将输入的直流电压逆变为与电网电压相位保持同步而幅值可调的交流电压，其输出端与电抗器的输入端连接，电抗器的输出端依次串联接触器、隔离开关最终与电网相连并输出无功功率。

本发明的STATCOM工作步骤如下：

用

和

分别表示电网输出电压和所述静止调相机的输出电压的相量，X和R分别表示线路与连接电感L的总电抗和总等效电阻。设

k为幅度调制比，它可通过传统的脉宽调制(PWM)技术用改变调制波幅值与载波幅值比的方法加以调节。

步骤1：装置启动时，使逆变单元输出电压

与电源电压

大小相等、相位同步，即让幅度调制比k＝1，再闭合电网和连接电抗器之间的接触器，此时逆变单元与电网之间无电流流过，从而实现所述静止调相机的零电流无冲击并网。

步骤2：外电路根据无功理论实时检测电网无功大小和性质并根据补偿目标向STATCOM输入需要补偿的无功大小和性质的指令。

步骤3：所述静止调相机的输出无功功率q与幅度调制比的关系为：

q = \frac{(1 - k) \cdot X \cdot U_{s}^{2}}{R^{2} + X^{2}};

当由步骤2确定的需要补偿的无功功率为感性时，调节k使得k＜1，此时q＞0，无功补偿装置产生感性无功，k越小产生的感性无功越大；当由步骤2确定的需要补偿的无功功率为容性时，调节k使得k＞1，此时q＜0，无功补偿装置产生容性无功，k越大产生的容性无功越大。

步骤4：当装置需要正常停机时，使逆变单元输出电压

与电源电压

大小相等、相位同步，即再让幅度调制比k＝1，此时逆变单元与电网之间无电流流过，再断开电网和连接电抗器之间的接触器，从而实现本装置的零电流无冲击脱网。

本发明所述动态无功补偿装置输出无功大小与幅度调制比k成线性关系，无控制死区。装置零电流无冲击并网后，根据外电路给出的需要补偿的无功大小和性质，通过调节幅度调制比k，即可改变STATCOM装置输出无功功率的大小和性质。

本发明相比现有技术具有以下优点：在STATCOM逆变器的直流侧采用有源结构，简化了传统方法中启动时用整流器的他励方式给电容充电，启动后须将电容与外电源断开的繁琐的控制方案；用调幅法代替调相法实现了无功功率的连续调节，极大地简化了控制器的设计，提高了输出的精度，使控制无死区；能以简单方法实现在零电流条件下并网运行。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为实施例结构示意图。

图3为实施例整流单元与逆变单元示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1和图2所示，本实施例包括：隔离变压单元、三相整流单元Z、逆变单元X、隔离开关GK、输出电抗器L和接触器KM1，所述隔离变压单元包括：原边三相主绕组T和副边三类不同的三相子绕组T1、T2和T3，其中三相主绕组T的输入端依次经隔离开关GK和电网连接以接收交流电压，每组三相子绕组T1、T2和T3的输出端分别与三相整流单元Z的输入端相连接向三相整流单元输入交流电压，三相整流单元Z的输出端与逆变单元X的输入端相连，逆变单元X的输出端与电抗器L的一端连接，电抗器L的另一端依次经接触器KM1及隔离开关GK与电网相连接。

如图2所示，所述的三相子绕组T1、T2和T3各有N个，三相整流单元Z和逆变单元X均有3N个，N可按电网电压等级及逆变单元功率器件耐压等级选取。，

所述的三相子绕组T1、T2和T3分别为以下三种结构：

所述的第一类三相子绕组T1为副边电压与原边电压同相位绕组；

所述的第二类三相子绕组T2为副边电压超前原边电压20°绕组；

所述的第三类三相子绕组T3为副边电压滞后原边电压20°绕组。

如图3所示，所述的三相整流单元Z包括：熔断器FS、三相整流桥D、滤波电容C1、C2和C3、均压放电电阻R1和R2，其中：熔断器FS的输入端与三相子绕组T1、T2或T3的输出端相连，熔断器FS的输出端与三相整流桥D相连，三相整流桥D的直流正极分别与第一滤波电容C1的正极、第一均压放电电阻R1的一端、第三滤波电容C3的一端以及逆变单元X的正极输入端相连接，三相整流桥D的直流负极分别与第二滤波电容C2的负极、第二均压放电电阻R2的一端、第三滤波电容C3的一端以及逆变单元X的负极输入端相连接。该三相整流单元Z将输入的三相交流电压变为直流电压并输出至逆变单元X。

如图3所示：所述的逆变单元X由四个绝缘门极双极型晶体管模块A+、A-、B+、B-构成，该逆变单元X将三相整流单元输入的直流电压逆变为与电网对应相电压保持同步而幅值可调的交流电压从UV端输出。

如图2所示，进而将N个逆变单元输出串联构成A相可变电压Uu；N个逆变单元输出串联构成B相可变电压Uv；N个逆变单元输出串联构成C相可变电压Uw。因每个逆变功率单元能输出+1，0，-1三种电平，每相多个单元叠加可产生共(2N+1)种电平，多电平波形的叠加可使每相输出波形十分接近正弦波，dv/dt小，谐波成分含量小，且可省去体积大成本高的输出变压器。当STATCOM采用级联H-桥多电平逆变器拓扑中每相由N个功率单元串联构成时，每个功率单元虽承受全部的输出电流，但只承受1/N的相电压、1/3N的输出功率。功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘，使每个功率单元的主回路相对独立，类似常规低压H桥逆变器，可采用低压开关器件，因此能大幅度降低成本。

逆变单元串联后的三相输出电压Uu、Uv及Uw分别通过连接电抗器L1、L2、L3及接触器KM1经隔离开关GK与电网相连接。

级联H-桥多电平逆变器输出电压幅度调制比k可采用成熟的载波移相PWM(CPS-PWM)控制技术。

用

和

分别表示电网三相电压和STATCOM装置逆变单元串联后的输出三相电压的相量，X和R分别表示线路和连接电感的总电抗和总等效电阻。

隔离开关GK合闸后先使逆变器输出电压幅度调制比k＝1，即

后闭合接触器KM1实现无功功率动态补偿装置在零电流条件下并网运行。

装置零电流无冲击并网后，根据外电路提供的需要补偿无功大小和性质的指令，通过调节幅度调制比k，即可控制STATCOM装置输出无功功率的大小和性质。在以下实施例中如

STATCOM装置输出无功功率q为：

q = \frac{(1 - k) \cdot X \cdot (U_{a}^{2} + U_{b}^{2} + U_{c}^{2})}{R^{2} + X^{2}};

上式U_a、U_b、U_c为每相相电压的有效值。

当K＜1时q＞0，产生感性无功，k越小产生的感性无功越大；

当K＞1时q＜0，产生容性无功，k越大产生的容性无功越大。

Claims

1.一种基于直流侧有源结构及调幅控制的动态无功补偿装置，其特征在于，包括：隔离变压单元、整流单元、逆变单元、输出电抗器、接触器及隔离开关：隔离变压单元的输入端通过隔离开关与电网连接以输入交流电压，隔离变压单元的输出端与整流单元输入端相连并通过整流单元将输入的交流电压整流为直流电压，整流单元输出端与逆变单元的输入端相连接以向逆变单元输入直流电压，逆变单元将输入的直流电压逆变为与电源电压同相位而大小可变交流电压，其输出端与电抗器的输入端连接，电抗器的输出端依次串联接触器、隔离开关最终与电网相联并输出无功功率。

2.根据权利要求1所述的基于直流侧有源结构及调幅控制的动态无功补偿装置，其特征是，所述的逆变单元的直流侧采用有源结构，即不仅在启动前隔离变压单元的输入端与电网连接以输入交流电压，逆变单元的输入端与整流单元相连接以输入直流电压；启动后隔离变压单元的输入端仍与电网连接以输入交流电压，逆变单元的输入端也仍与整流单元相连接以输入直流电压，使逆变器的直流侧始终处于有源状态。直流电压值按STATCOM装置输出最大容性无功时所需逆变器输出电压值选取。

3.根据权利要求1所述的基于直流侧有源结构及调幅控制的动态无功补偿装置，其特征是，所述的逆变单元其输出电压始终与电源电压保持同步，其幅值将根据STATCOM装置要输出无功大小与性质而改变，以K表示逆变单元输出电压与电源电压幅值比，它通过传统的脉宽调制(PWM)技术用改变调制波幅值与载波幅值比的方法加以调节，当K＜1时输出无功q＞0，***产生感性无功，K值越小，***产生感性无功越大；当K＞1时输出无功q＜0，***产生容性无功，K值越大，***产生容性无功越大。

4.根据权利要求1所述的基于直流侧有源结构及调幅控制的动态无功补偿装置，其特征是，所述的电抗器输出端依次串联接触器、隔离开关后与电网相连并输出无功功率，在并网时先让隔离开关闭合，再让逆变单元输出电压与电源电压大小相等、相位相同，即让幅度调制比k＝1，随后让接触器闭合，使STATCOM装置实现在零电流条件下并网运行。