專(zhuān)利名稱(chēng)：混合型無(wú)功功率發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，起到無(wú)功功率及電壓的強(qiáng)有力支撐作用的混合型無(wú)功功率發(fā)生器。
背景技術(shù)：
目前，國(guó)內(nèi)冶金企業(yè)軋鋼及電弧爐煉鋼生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的無(wú)功功率沖擊、電壓波動(dòng)、電壓閃變及高次諧波的補(bǔ)償與治理，均采用傳統(tǒng)的靜止型無(wú)功功率補(bǔ)償器。此種裝置由于其控制速度所致，對(duì)于電壓閃變的治理效果不理想。同時(shí)存在其功率損耗較大，電流—電壓特性不好等不足。國(guó)內(nèi)電網(wǎng)的控制手段缺乏且水平較低，安裝在電網(wǎng)中的絕大部分是提供靜態(tài)電壓調(diào)節(jié)和補(bǔ)償無(wú)功的電容和變壓器分接頭調(diào)節(jié)，它是限制電力傳輸?shù)闹匾蛩?，也是可能發(fā)生電力系統(tǒng)崩潰的潛在隱患，如傳統(tǒng)可控裝置的固有時(shí)間常數(shù)都在百毫秒級(jí)，不能對(duì)時(shí)間極短的暫態(tài)過(guò)程做出有效反映及連續(xù)調(diào)節(jié)；傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是局部或短期的，隨著系統(tǒng)的擴(kuò)大，不能對(duì)變化和復(fù)雜的控制對(duì)象做出全局的正確判斷，由于電力系統(tǒng)的擴(kuò)大，增加了發(fā)生事故及誤操作、誤處理的可能性，造成故障的后果就更加嚴(yán)重了。另一方面，由于現(xiàn)代電力電子技術(shù)日新月異的發(fā)展，新型大功率高耐壓、快速關(guān)斷電力電子器件的出現(xiàn)，隨之產(chǎn)生了柔性交流輸電技術(shù)，這是國(guó)際電工界90年代以來(lái)競(jìng)相發(fā)展的前沿高技術(shù)，是用現(xiàn)代化大功率電力電子技術(shù)和控制技術(shù)改造傳統(tǒng)的交流輸電系統(tǒng)，使其運(yùn)行更加安慶可靠經(jīng)濟(jì)，使傳統(tǒng)的交流輸電系統(tǒng)具有更高的柔性和靈活性、使輸電線(xiàn)路得到充分利用，以滿(mǎn)足電力系統(tǒng)安全、可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目標(biāo)。自從美國(guó)電力科學(xué)研究院(EPRI)N.G.Hingorani博士于1986年提出柔性交流輸電技術(shù)概念以來(lái)，柔性交流輸電技術(shù)就得到了極大的發(fā)展，并出現(xiàn)了多種柔性交流輸電技術(shù)設(shè)備，可控串聯(lián)補(bǔ)償、靜態(tài)補(bǔ)償器(STATCOM/ASVG)是最具代表性的一種，但美、日、德等幾個(gè)國(guó)家開(kāi)發(fā)出的無(wú)功功率發(fā)生器裝置均不是混合型的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明混合型無(wú)功功率發(fā)生器應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，可使無(wú)功功率及電壓具有的強(qiáng)有力支撐，保證電網(wǎng)的安全與經(jīng)濟(jì)合理運(yùn)行，用于用戶(hù)端改善電能質(zhì)量、解決電弧爐及電氣化鐵路系統(tǒng)產(chǎn)生的電壓波動(dòng)、閃變及不對(duì)稱(chēng)運(yùn)行所產(chǎn)生的危害，解決軋鋼機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)沖擊負(fù)荷所引起的電網(wǎng)電壓畸變，以及高次諧波電流對(duì)電網(wǎng)的污染，以改善電能質(zhì)量，提高產(chǎn)品質(zhì)量。
本發(fā)明混合型無(wú)功功率發(fā)生器內(nèi)容簡(jiǎn)述本發(fā)明混合型無(wú)功功率發(fā)生器，是由無(wú)功功率發(fā)生器和濾波器兩部分組成，根據(jù)所需補(bǔ)償容量確定，其特征在于無(wú)功功率發(fā)生器由啟動(dòng)整流器、GTO逆變橋、直流電容器組、逆變器輸出變壓器、連接變壓器、高壓開(kāi)關(guān)柜、控制單元、檢測(cè)單元、保護(hù)單元及冷卻系統(tǒng)等組成。
逆變器輸出變壓器和連接變壓器的漏抗使混合型無(wú)功功率發(fā)生器與系統(tǒng)連接電抗；電壓逆變器輸出相位與幅值均可以調(diào)節(jié)對(duì)稱(chēng)基頻三相正弦交流電壓；可以與系統(tǒng)交換有功功率或無(wú)功功率；沒(méi)有功率消耗的無(wú)功功率發(fā)生器通過(guò)改變其輸出電壓的幅值實(shí)現(xiàn)與交流系統(tǒng)交換無(wú)功功率；當(dāng)輸出電壓的幅值大于系統(tǒng)電壓幅值時(shí)，輸出滯后的無(wú)功功率；當(dāng)輸出電壓的幅值小于系統(tǒng)電壓幅值時(shí)，吸收滯后的無(wú)功功率起電抗器的作用；當(dāng)輸出電壓的幅值與系統(tǒng)電壓幅值相等時(shí)，與交流系統(tǒng)之間將沒(méi)有無(wú)功功率的交換。
控制器輸入電源母線(xiàn)電壓及干擾性負(fù)荷的三相電流為被補(bǔ)償對(duì)象，經(jīng)過(guò)矢量變換將干擾性負(fù)荷的三相電流iLa、iLb、iLc變換成id、iq，將id分解為id＝ld+id~，經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波器濾除的直流分量ld，保留id的交流分量id~，將和id~和iq作為被補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功電流變量；電流控制電路實(shí)時(shí)跟蹤補(bǔ)償電流的指令值，并對(duì)逆變器的輸出電流iFa、iFb、iFc加以反饋控制，經(jīng)由PWM控制電路控制逆變器IGCT的通斷。
系統(tǒng)為三相基波正序系統(tǒng)，有效值為Vs，逆變器輸出電壓為正序系統(tǒng)，有效值為V1，當(dāng)Vs領(lǐng)先V1相角δ，則輸出無(wú)功功率為Qs＝(Vs/2r)*sim2δ，式中r為損耗的等值電阻，采用脈沖幅值調(diào)制時(shí)，控制器輸出控制量為δ，且直流電壓隨輸出無(wú)功功率的大小變化。
脈沖發(fā)生器采用系統(tǒng)電壓的基波正序分量作為同步信號(hào)，并經(jīng)過(guò)同步增長(zhǎng)信號(hào)處理電路得到同步電壓過(guò)零信號(hào)，在各相的過(guò)零信號(hào)出現(xiàn)時(shí)刻，開(kāi)始發(fā)出相應(yīng)的PWM波形；同步信號(hào)的產(chǎn)生采用過(guò)零同步，即對(duì)系統(tǒng)三相電壓信號(hào)進(jìn)行處理后取出一相基波正序電壓作為同步信號(hào)，當(dāng)該同步信號(hào)過(guò)零時(shí)作為脈沖發(fā)生器脈沖的同步點(diǎn)，同時(shí)通過(guò)測(cè)量2個(gè)正向或負(fù)向過(guò)零點(diǎn)之間的時(shí)間作為周期計(jì)算出同步信號(hào)的頻率。
本發(fā)明混合型無(wú)功功率發(fā)生器使用直流電容維持穩(wěn)定的直流電源，具有容量小、成本低、輸出電壓諧波含量小的特點(diǎn)。可以從額定滯后工況到額定超前工況連續(xù)調(diào)節(jié)輸出無(wú)功，在系統(tǒng)電壓很低的情況下，仍能輸出額定無(wú)功電流，對(duì)提供穩(wěn)態(tài)負(fù)載的無(wú)功支持可比靜止型無(wú)功功率補(bǔ)償器容量小15～30％?；旌闲蜔o(wú)功功率發(fā)生器有更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速凍度響應(yīng)時(shí)間小于30ms在抑制系統(tǒng)的功率震蕩和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性方面有最好的效果，每kvar的輸出約能提高0.5～0.7kv的暫態(tài)穩(wěn)定極限值。具有動(dòng)態(tài)的維持輸電線(xiàn)路端電壓，提高輸電線(xiàn)路穩(wěn)態(tài)傳輸功率極限、提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平、阻尼電力系統(tǒng)震蕩、抑制系統(tǒng)過(guò)電壓、改善系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性、濾掉系統(tǒng)中的諧波含量的作用。可應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，起到無(wú)功功率及電壓的強(qiáng)有力支撐的作用，保證電網(wǎng)的安全與經(jīng)濟(jì)合理運(yùn)行，又可用于用戶(hù)端改善電能質(zhì)量、解決電弧爐及電氣化鐵路系統(tǒng)產(chǎn)生的電壓波動(dòng)、閃變及不對(duì)稱(chēng)運(yùn)行所產(chǎn)生的危害，解決軋鋼機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)沖擊負(fù)荷所引起的電網(wǎng)電壓畸變，以及高次諧波電流對(duì)電網(wǎng)的污染，以改善電能質(zhì)量和提高產(chǎn)品質(zhì)量。


圖1為混合型無(wú)功功率發(fā)生器構(gòu)成框2為混合型無(wú)功功率發(fā)生器的工作原理3為混合型無(wú)功功率發(fā)生器的主電路4為控制器結(jié)構(gòu)框5為脈沖發(fā)生器原理框圖具體實(shí)施方式
本發(fā)明混合型無(wú)功功率發(fā)生器是這樣實(shí)現(xiàn)的，見(jiàn)圖1，混合型無(wú)功功率發(fā)生是由無(wú)功功率發(fā)生器及無(wú)源濾波器兩部分組成，根據(jù)所需補(bǔ)償容量確定，無(wú)功功率發(fā)生器由啟動(dòng)整流器、GTO逆變柜、直流電容器組、逆變器輸出變壓器、連接變壓器、10KV高壓開(kāi)關(guān)柜、控制單元、檢測(cè)單元、保護(hù)單元及冷卻裝置等組成。根據(jù)用戶(hù)所需的補(bǔ)償容量大小確定兩部分的容量。
1、逆變器輸出變壓器和連接變壓器的漏抗起到混合型無(wú)功功率發(fā)生器與系統(tǒng)的連接電抗的作用。
2、電壓逆變器輸出相位與幅值均可以調(diào)節(jié)對(duì)稱(chēng)基頻三相正弦交流電壓，從而可以與系統(tǒng)交換有功功率或無(wú)功功率。
3、對(duì)于理想的混合型無(wú)功功率發(fā)生器(即沒(méi)有功率消耗)可以改變其輸出電壓的幅值實(shí)現(xiàn)與交流系統(tǒng)交換無(wú)功功率。
4、當(dāng)混合型無(wú)功功率發(fā)生器輸出電壓的幅值大于系統(tǒng)電壓幅值時(shí)，混合型無(wú)功功率發(fā)生器輸出滯后的無(wú)功功率，起著電容器的作用。
5、當(dāng)混合型無(wú)功功率發(fā)生器輸出電壓的幅值小于系統(tǒng)電壓幅值時(shí)，混合型無(wú)功功率發(fā)生器吸收滯后的無(wú)功功率，起電抗器的作用。
6、當(dāng)混合型無(wú)功功率發(fā)生器輸出電壓的幅值與系統(tǒng)電壓幅值相等時(shí)，混合型無(wú)功功率發(fā)生器與交流系統(tǒng)之間將沒(méi)有無(wú)功功率的交換。
見(jiàn)圖2，控制器輸入電源母線(xiàn)電壓及干擾性負(fù)荷的三相電流為被補(bǔ)償對(duì)象，經(jīng)過(guò)矢量變換將干擾性負(fù)荷的三相電流iLa、iLb、iLc變換成id、iq，將id分解為id＝1d+id~，經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波器濾除的直流分量ld，保留id的交流分量id~，將和id~和iq作為被補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功電流變量；電流控制電路實(shí)時(shí)跟蹤補(bǔ)償電流的指令值，并對(duì)逆變器的輸出電流iFa、iFb、iFc加以反饋控制，經(jīng)由PWM控制電路控制逆變器IGCT的通斷。
系統(tǒng)為三相基波正序系統(tǒng)，有效值為Vs，逆變器輸出電壓為正序系統(tǒng)，有效值為V1，當(dāng)Vs領(lǐng)先V1相角δ，則輸出無(wú)功功率為Qs＝(Vs/2r)*sim2δ，式中r為損耗的等值電阻，采用脈沖幅值調(diào)制時(shí)，控制器輸出控制量為δ，且直流電壓隨輸出無(wú)功功率的大小變化。
見(jiàn)圖3，混合型無(wú)功功率發(fā)生器是以多重化變壓器為例，4個(gè)三相逆變橋連接1個(gè)三相鐵心柱式變壓器，變壓器系統(tǒng)則采用4重化y.d接線(xiàn)，采用他勵(lì)或半自勵(lì)方式啟動(dòng)。他勵(lì)啟動(dòng)時(shí)，先由一臺(tái)整流變壓器為系統(tǒng)提供空載勵(lì)磁，當(dāng)輸出電壓的幅值及相位與系統(tǒng)電壓相同時(shí)，合并網(wǎng)主開(kāi)關(guān)，同時(shí)切斷整流器輸出；當(dāng)半自勵(lì)方式啟動(dòng)時(shí)，先封鎖所有GTO驅(qū)動(dòng)脈沖。將直流電壓由整流器升高至零無(wú)功工作電壓然后并網(wǎng)，此時(shí)沖擊電流很小，并網(wǎng)后即可解除脈沖封鎖，混合型無(wú)功功率發(fā)生器投入運(yùn)行，半自勵(lì)方式啟動(dòng)只需很小容量的整流器。
見(jiàn)圖4，控制器產(chǎn)生一定規(guī)律的觸發(fā)脈沖，經(jīng)門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路放大后去控制GTO的導(dǎo)通和關(guān)斷，使混合型無(wú)功功率發(fā)生器產(chǎn)生正確的階梯波電壓，根據(jù)從電網(wǎng)取回的同步脈沖，產(chǎn)生出與電網(wǎng)電壓同步的脈沖信號(hào)，使混合型無(wú)功功率發(fā)生器產(chǎn)生的階梯波電壓與電網(wǎng)電壓保持同步，從而使混合型無(wú)功功率發(fā)生器能正確并網(wǎng)運(yùn)行。
控制器采用雙機(jī)熱備用結(jié)構(gòu)，當(dāng)1臺(tái)故障時(shí)，切換電路自動(dòng)切換至備用機(jī)運(yùn)行，從而提高系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行能力；2臺(tái)控制器均可運(yùn)行于恒無(wú)功方式和恒電壓放肆，其采樣、控制計(jì)算及脈沖發(fā)生器均采用基于32位數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)TMS320C31的高速數(shù)字控制方式，脈沖發(fā)生器的相位精度高達(dá)0.025°，使無(wú)功功率的控制精度及穩(wěn)定性得到保證。
見(jiàn)圖5，脈沖發(fā)生器是混合型無(wú)功功率發(fā)生器的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)控制精度及穩(wěn)定性的影響非常大。采用系統(tǒng)電壓的基波正序分量作為同步信號(hào)，并經(jīng)過(guò)同步增長(zhǎng)信號(hào)處理電路得到同步電壓過(guò)零信號(hào)，在各相的過(guò)零信號(hào)出現(xiàn)時(shí)刻，開(kāi)始發(fā)出相應(yīng)的PWM波形；同步信號(hào)的產(chǎn)生采用過(guò)零同步，即對(duì)系統(tǒng)三相電壓信號(hào)進(jìn)行處理后取出一相基波正序電壓作為同步信號(hào)，當(dāng)該同步信號(hào)過(guò)零時(shí)作為脈沖發(fā)生器脈沖的同步點(diǎn)，同時(shí)通過(guò)測(cè)量2個(gè)正向或負(fù)向過(guò)零點(diǎn)之間的時(shí)間作為周期計(jì)算出同步信號(hào)的頻率。
權(quán)利要求
1.一種混合型無(wú)功功率發(fā)生器，是由無(wú)功功率發(fā)生器和濾波器兩部分組成，根據(jù)所需補(bǔ)償容量確定，其特征在于無(wú)功功率發(fā)生器由啟動(dòng)整流器、GTO逆變橋、直流電容器組、逆變器輸出變壓器、連接變壓器、高壓開(kāi)關(guān)柜、控制單元、檢測(cè)單元、保護(hù)單元及冷卻系統(tǒng)等組成；逆變器輸出變壓器和連接變壓器的漏抗使混合型無(wú)功功率發(fā)生器與系統(tǒng)連接電抗；電壓逆變器輸出相位與幅值均可以調(diào)節(jié)對(duì)稱(chēng)基頻三相正弦交流電壓；可以與系統(tǒng)交換有功功率或無(wú)功功率；沒(méi)有功率消耗的無(wú)功功率發(fā)生器通過(guò)改變其輸出電壓的幅值實(shí)現(xiàn)與交流系統(tǒng)交換無(wú)功功率；當(dāng)輸出電壓的幅值大于系統(tǒng)電壓幅值時(shí)，輸出滯后的無(wú)功功率；當(dāng)輸出電壓的幅值小于系統(tǒng)電壓幅值時(shí)，吸收滯后的無(wú)功功率起電抗器的作用；當(dāng)輸出電壓的幅值與系統(tǒng)電壓幅值相等時(shí)，與交流系統(tǒng)之間將沒(méi)有無(wú)功功率的交換；控制器輸入電源母線(xiàn)電壓及干擾性負(fù)荷的三相電流為被補(bǔ)償對(duì)象，經(jīng)過(guò)矢量變換將干擾性負(fù)荷的三相電流iLa、iLb、iLc變換成id、iq，將id分解為id＝ld+id~，經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波器濾除的直流分量1d，保留id的交流分量id~，將和id~和iq作為被補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功電流變量；電流控制電路實(shí)時(shí)跟蹤補(bǔ)償電流的指令值，并對(duì)逆變器的輸出電流iFa、iFb、iFc加以反饋控制，經(jīng)由PWM控制電路控制逆變器IGCT的通斷；系統(tǒng)為三相基波正序系統(tǒng)，有效值為Vs，逆變器輸出電壓為正序系統(tǒng)，有效值為V1，當(dāng)Vs領(lǐng)先V1相角6，則輸出無(wú)功功率為Qs＝(Vs/2r)*sim2δ，式中r為損耗的等值電阻，采用脈沖幅值調(diào)制時(shí)，控制器輸出控制量為δ，且直流電壓隨輸出無(wú)功功率的大小變化；脈沖發(fā)生器采用系統(tǒng)電壓的基波正序分量作為同步信號(hào)，并經(jīng)過(guò)同步增長(zhǎng)信號(hào)處理電路得到同步電壓過(guò)零信號(hào)，在各相的過(guò)零信號(hào)出現(xiàn)時(shí)刻，開(kāi)始發(fā)出相應(yīng)的PWM波形；同步信號(hào)的產(chǎn)生采用過(guò)零同步，即對(duì)系統(tǒng)三相電壓信號(hào)進(jìn)行處理后取出一相基波正序電壓作為同步信號(hào)，當(dāng)該同步信號(hào)過(guò)零時(shí)作為脈沖發(fā)生器脈沖的同步點(diǎn)，同時(shí)通過(guò)測(cè)量2個(gè)正向或負(fù)向過(guò)零點(diǎn)之間的時(shí)間作為周期計(jì)算出同步信號(hào)的頻率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合型無(wú)功功率發(fā)生器，其特征在于所說(shuō)的混合型無(wú)功功率發(fā)生器是以多重化變壓器為例，4個(gè)三相逆變橋連接1個(gè)三相鐵心柱式變壓器，變壓器系統(tǒng)則采用4重化y.d接線(xiàn)，采用他勵(lì)或半自勵(lì)方式啟動(dòng)；他勵(lì)啟動(dòng)時(shí)，先由一臺(tái)整流變壓器為系統(tǒng)提供空載勵(lì)磁，當(dāng)輸出電壓的幅值及相位與系統(tǒng)電壓相同時(shí)，合并網(wǎng)主開(kāi)關(guān)，同時(shí)切斷整流器輸出；當(dāng)半自勵(lì)方式啟動(dòng)時(shí)，先封鎖所有GTO驅(qū)動(dòng)脈沖；將直流電壓由整流器升高至零無(wú)功工作電壓然后并網(wǎng)，此時(shí)沖擊電流很小，并網(wǎng)后即可解除脈沖封鎖，混合型無(wú)功功率發(fā)生器投入運(yùn)行，半自勵(lì)方式啟動(dòng)只需很小容量的整流器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合型無(wú)功功率發(fā)生器，其特征在于所說(shuō)的混合型無(wú)功功率發(fā)生器的控制器產(chǎn)生一定規(guī)律的觸發(fā)脈沖，經(jīng)門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路放大后去控制GTO的導(dǎo)通和關(guān)斷，使混合型無(wú)功功率發(fā)生器產(chǎn)生正確的階梯波電壓，根據(jù)從電網(wǎng)取回的同步脈沖，產(chǎn)生出與電網(wǎng)電壓同步的脈沖信號(hào)，使混合型無(wú)功功率發(fā)生器產(chǎn)生的階梯波電壓與電網(wǎng)電壓保持同步，從而使混合型無(wú)功功率發(fā)生器能正確并網(wǎng)運(yùn)行。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于電力系統(tǒng)中,起到無(wú)功功率及電壓的強(qiáng)有力支撐作用的混合型無(wú)功功率發(fā)生器,是由啟動(dòng)整流器、GTO逆變橋、直流電容器組、逆變器輸出變壓器、連接變壓器、高壓開(kāi)關(guān)柜、控制單元、檢測(cè)單元、保護(hù)單元及冷卻系統(tǒng)等構(gòu)成。本發(fā)明具有容量小、成本低、輸出電壓諧波含量小的特點(diǎn),對(duì)提供穩(wěn)態(tài)負(fù)載的無(wú)功支持可比靜止型無(wú)功功率補(bǔ)償器容量小15～30%?？蓱?yīng)用于電力系統(tǒng)中,保證電網(wǎng)的安全與經(jīng)濟(jì)合理運(yùn)行,用于用戶(hù)端改善電能質(zhì)量、解決電弧爐及電氣化鐵路系統(tǒng)產(chǎn)生的電壓波動(dòng)、閃變及不對(duì)稱(chēng)運(yùn)行所產(chǎn)生的危害,解決軋鋼機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)沖擊負(fù)荷所引起的電網(wǎng)電壓畸變,以及高次諧波電流對(duì)電網(wǎng)的污染,以改善電能質(zhì)量和提高產(chǎn)品質(zhì)量。
文檔編號(hào)H02J3/18GK1359183SQ0210902
公開(kāi)日2002年7月17日 申請(qǐng)日期2002年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月11日
發(fā)明者韓英鐸, 童路園, 張玉良, 馬振庫(kù), 劉寶珩, 夏金娟, 耿俊成 申請(qǐng)人:張玉良