CN104538977A - 一种静止同步补偿装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型静止同步补偿装置，它包括LC滤波器、矩阵式整流器、高频变压器、同步整流器、逆变器和L滤波器。该静止同步补偿装置通过矩阵式整流器、同步整流器和逆变器的协同控制，可以向安装点注入任意的无功功率。该装置无需大容量的电解电容或平波电抗器等储能元件，显著减小了装置的体积和重量，延长了装置的工作寿命，十分有利于提高***功率密度和可靠性。

Description

一种静止同步补偿装置
技术领域
本发明涉及电气自动化设备技术领域，特别是一种静止同步补偿装置。
背景技术
静止同步补偿装置(STATCOM)是一种并联型无功补偿的柔***流输电(FACTS)装置，它能够发出或吸收无功功率。一般的，它是一种固态开关变流器，当其输入端接有电源或储能装置时，其输出端可独立发出或吸收可控的有功和无功功率。它可在如下方面改善电力***性能：动态电压控制、功率振荡阻尼、暂态稳定、电压闪变控制等。STATCOM采用新一代的电力电子器件，如门极可关断晶闸管(GTO)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、集成门极换向晶闸管(IGCT)等。与传统的无功补偿装置相比，STATCOM具有调节连续、谐波小、损耗低、运行范围宽、可靠性高、调节速度快等优点，自问世以来，便得到了广泛关注和飞速发展。
如图1和图2所示，已有的STATCOM结构一般有2大类：电压型和电流型。其中，电压型STATCOM占了市场上已有STATCOM的绝大部分。在电压型STATCOM中，三相电压型逆变器的直流母线接电解电容作为储能电容，交流侧通过L滤波电感接到电网。在电流型STATCOM中，三相电流型逆变器的直流母线接平波电抗器，交流侧通过LC滤波器接到电网。在实际情况中，可根据需要在电网和L滤波电感之间安装隔离变压器。
尽管STATCOM不需要提供有功功率，但为了使得直流母线电压或电流尽可能平滑，电压型STATCOM直流母线的电解电容和电流型STATCOM直流母线的平波电抗器一般具有较大容量。特别在电力***领域，STATCOM的额定功率达到10Mvar以上，其中电解电容或平波电抗器占了较大的体积和重量，不利于提高装置的功率密度。此外，电解电容的工作寿命较短，是电压型STATCOM装置中可靠性比较薄弱的环节。
发明内容
要解决的技术问题：针对现有技术的不足，本发明提出一种静止同步补偿装置，用于解决现有的静止同步补偿装置里的电解电容或平波电抗器体积大、重量大，不利于提高装置的功率密度，以及电压型STATCOM装置中还存在电解电容的工作寿命较短的技术问题。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种静止同步补偿装置，连接于电网上，包括LC滤波器、矩阵式整流器、高频变压器、同步整流器、逆变器和L滤波器；
所述电网、LC滤波器、L滤波器均为三相结构；所述矩阵式整流器为三相交流输入、直流输出的结构；所述同步整流器为单相交流输入、直流输出的结构；所述逆变器为直流输入、三相交流输出的结构；
所述电网连接到LC滤波器的输入端，LC滤波器的输出端连接到矩阵式整流器的交流输入端，矩阵式整流器的直流输出端接到高频变压器的原边，高频变压器的副边接到同步整流器的交流输入端，高频变压器的原边的匝数大于高频变压器的副边的匝数，同步整流器的直流输出端接到逆变器的直流输入端，逆变器的交流输出端通过L滤波器连接到电网。
进一步的，在本发明中，所述矩阵式整流器由6个四象限开关组成，每个四象限开关由2个全控型器件共射极串联构成。
进一步的，在本发明中，所述同步整流器为4个全控性器件构成的单相桥式整流电路。
进一步的，在本发明中，所述逆变器与普通的三相电压型逆变器的结构相同。
进一步的，由于LCL滤波器和L滤波器均可用于并网逆变器，故在本发明中，可将所述L滤波器替换为三相结构的LCL滤波器。相比于L滤波器，在达到相同的高频谐波抑制效果时，LCL型滤波器所需的总电感量小得多，更加适用于大功率、低开关频率的并网逆变器设备。
进一步的，在本发明中，高频变压器的原边与副边的匝数比不小于
有益效果：
本发明提供了一种新的STATCOM结构，利用LC滤波器、矩阵式整流器、高频变压器、同步整流器、逆变器和L滤波器，通过矩阵式整流器、同步整流器和逆变器的协同控制，可以向安装点注入任意的无功功率。
该装置无需大容量的电解电容或平波电抗器等储能元件，显著减小了装置的体积和重量，同时由于避免了使用工作寿命较短的电解电容，使得装置整体的工作寿命长，十分有利于提高***功率密度和可靠性。
附图说明
图1传统的电压型STATCOM结构示意图；
图2传统的电流型STATCOM结构示意图；
图3本发明的结构示意图；
图4无功补偿的原理；
图5为电网电压和电网电流波形；
图6为高频变压器原边上的电压波形；
图7为高频变压器副边上的电压波形；
图8为PN之间的直流母线之间的电压波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明提出的静止同步补偿装置如图3所示。三相电网1的相电压分别为ugA、ugB、ugC，三相电网1通过三相结构的LC滤波器2接到矩阵式整流器3的交流输入侧，矩阵式整流器3的交流输入侧的交流相电压分别为uiA、uiB、uiC，LC滤波器2的每一相由滤波电感Lf和滤波电容Cf并联而成，其中滤波电感Lf靠近电网1一侧，滤波电容Cf靠近矩阵式整流器3一侧，Cf不是储能用的电解电容，而是用于滤除高频电流的交流电容，因此体积和重量非常小；矩阵式整流器3由6个四象限开关组成，每个四象限开关由2个全控型器件共射极串联构成，矩阵整流器3的直流输出端为第一直流母线，该第一直流母线接到高频变压器4的原边，高频变压器4的副边接到同步整流器的交流输入端，同步整流器5的输出端为第二直流母线，相应的逆变器6的输入端为第三直流母线，并且同步整流器5和逆变器6均由全控型器件组成，将图3上同步整流器5的输出端与逆变器6的输入端通过PN两点相连，逆变器6的交流输出端的相电压分别为uoA、uoB、uoC，逆变器6的交流输出端通过滤波电感为Lg的L滤波器7接回电网。
下面进一步说明图3所示装置的工作原理。对矩阵式整流器3进行PWM控制，在相邻两个开关周期内，矩阵式整流器3在T1和T2之间产生极性相反、但平均值的绝对值相等的电压。因此高频变压器4的工作频率为开关频率，相对于传统的工频变压器，极大地减小了变压器的体积和重量。高频变压器4的主要作用为升压作用，T3和T4之间的电压为高频变压器4的输出电压，该输出电压在相邻两个开关周期内也是极性相反、但平均值的绝对值相等的电压。T3与T4之间的电压包含了负压，因此它不能直接作为逆变器6的输入，需要同步整流器5的整流作用，在P和N之间产生正的直流母线电压，再作为逆变器6的输入。
为保证电网电流不畸变，矩阵式整流器3应工作于线性调制区，此时矩阵式整流器3产生的直流输出电压小于电网电压的1.5倍。同样的，逆变器6工作于线性调制区时，输出线电压的幅值应不大于逆变器6上的第三直流母线上的电压，即输出相电压的幅值应不大于逆变器6上的第三直流母线上的电压的根据上述关系可知，高频变压器4原边和副边的匝比应至少为否则逆变器6将不能工作于线性调制区，电网电流将发生畸变。
通过逆变器6的成熟控制方法，可以使得逆变器6只产生无功功率，不产生有功功率。由于整个装置不包含储能元件，矩阵式整流器3、高频变压器4、同步整流器5也 不传输有功功率，因此矩阵式整流器3交流输入端一侧的滤波电感Lf上的电流很小，可以忽略。此时，电网电流主要由逆变器6输出电流(即图3中的ioA、ioB、ioC)决定。因此，只要控制逆变器6的输出电流为无功电流即可向电网1中注入期望的无功功率。逆变器6输出电流控制即无功补偿的原理如图4所示。图4中，为逆变器6输出相电压相量，为逆变器6输出相电流相量，为电网1相电压相量。由于滤波电感Lg呈纯感性阻抗，相对于超前90°。因此，只要逆变器输出的与同相位，即可使得输出电流为纯无功电流。如附图4左侧所示，当的模小于的模时，超前于90°，输出电流为纯容性电流，电网吸收容性无功。附图4右侧所示，当的模大于的模时，滞后于90°，输出电流为感性电流，电网吸收感性无功。
下面介绍本发明的一个仿真实例，以进一步说明本发明的工作原理，同时也验证本发明的有效性和可行性。
在Matlab/Simulink软件中建立了图3所示装置的仿真模型，电网电压为220V/50Hz，滤波电感Lf＝1mH，滤波电容Cf＝10μF，高频变压器4原边和副边的匝数比为2:1，滤波电感Lg＝4mH。仿真结果如图5至图8所示。
图5为电网电压和电网电流波形，电网电压的波形对应图中纵坐标每格为200V，电网电流的波形对应图中纵坐标每格为10A，由图可知电网电流为正弦电流，且超前于电网电压90°，说明附图3所示装置能够向电网中注入纯无功功率。
图6为高频变压器4原边上的电压波形，电压波形对应图中纵坐标每格为200V，由图可知高频变压器4原边的电压为高频交流电压，因此高频变压器4的工作频率很高。
图7为高频变压器4副边上的电压波形，电压波形对应图中纵坐标每格为500V，它与高频变压器4的原边电压波形相似，也为高频交流电压，仅幅值被放大。
图8为PN之间的直流母线之间的电压波形，电压波形对应图中纵坐标每格为500V，高频变压器4的副边的高频交流电压经过同步整流器5的整流作用，变成了直流电压。
结合上述图6到图8这3幅图，说明了高频变压器4和同步整流器5能够正常工作。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种静止同步补偿装置，连接于电网(1)上，其特征在于：包括LC滤波器(2)、矩阵式整流器(3)、高频变压器(4)、同步整流器(5)、逆变器(6)和L滤波器(7)；
所述电网(1)、LC滤波器(2)、L滤波器(7)均为三相结构；所述矩阵式整流器(3)为三相交流输入、直流输出的结构；所述同步整流器(5)为单相交流输入、直流输出的结构；所述逆变器(6)为直流输入、三相交流输出的结构；
所述电网(1)连接到LC滤波器(2)的输入端，LC滤波器(2)的输出端连接到矩阵式整流器(3)的交流输入端，矩阵式整流器(3)的直流输出端接到高频变压器(4)的原边，高频变压器(4)的副边接到同步整流器(5)的交流输入端，高频变压器(4)的原边的匝数大于高频变压器(4)的副边的匝数，同步整流器(5)的直流输出端接到逆变器(6)的直流输入端，逆变器(6)的交流输出端通过L滤波器(7)连接到电网(1)。
2.根据权利要求1所述的一种静止同步补偿装置，其特征在于：所述矩阵式整流器(3)为6个四象限开关组成的三相桥式电路，每个四象限开关由2个全控型器件共射极串联构成。
3.根据权利要求1所述的一种静止同步补偿装置，其特征在于：所述同步整流器(5)为4个全控性器件构成的单相桥式整流电路。
4.根据权利要求1所述的一种静止同步补偿装置，其特征在于：所述逆变器(6)为三相电压型逆变器。
5.根据权利要求1所述的一种静止同步补偿装置，其特征在于：将所述L滤波器(7)替换为三相结构的LCL滤波器。
6.根据权利要求1所述的一种静止同步补偿装置，其特征在于：高频变压器的原边与副边的匝数比不小于
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