專利名稱：用于混合多電平靜止同步補償器的直流電壓平衡控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)靜止同步補償器(STATCOM)設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域， 特別是一種用于混合多電平靜止同步補償器的直流電壓平衡控制系 統(tǒng)。
(二)
背景技術(shù)：
電力工業(yè)作為國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，是靜止同步補償器的廣泛應(yīng) 用領(lǐng)域。靜止同步補償器在電力系統(tǒng)中可以實現(xiàn)快速平滑地吸收感性 和容性無功功率的目的，它具有起動無沖擊、調(diào)節(jié)連續(xù)、響應(yīng)快速、 占地面積小等優(yōu)點，在調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓、校正功率因數(shù)、平衡負荷、濾 除諧波等方面均具有很大的優(yōu)勢，目前已成為競爭激烈的新一代無功 補償裝置，是柔性交流輸電系統(tǒng)(FACTS)的重要組成部件之一。 STATCOM裝置的主電路一般采用多重化結(jié)構(gòu)或多電平結(jié)構(gòu)。其中， 多電平結(jié)構(gòu)又分為二極管箝位式、電容箝位式和級聯(lián)式三種?；旌隙?電平結(jié)構(gòu)結(jié)合了電容箝位式和級聯(lián)式的特點，具有如下優(yōu)勢1)電 平數(shù)越多，輸出電壓諧波含量越少；2)可以實現(xiàn)不平衡負載的平衡 化補償；3)相對于傳統(tǒng)的多電平結(jié)構(gòu)，所需器件成倍減少，易于封 裝；4)容易實現(xiàn)冗余運行；5)有功和無功潮流都可控，因而可用于 高壓直流輸電和變頻調(diào)速。混合多電平STATCQM裝置的關(guān)鍵技術(shù)之一 是其各個電容箝位逆變單元直流側(cè)電壓的平衡控制。
(三)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種用于混合多電平靜止同步補償器的 直流電壓平衡控制系統(tǒng)，使得逆變器功率器件可采用較低電壓較小電 流容量的功率開關(guān)器件，從而大大減小混合多電平靜止同步補償器中 逆變器的成本。
本發(fā)明的技術(shù)方案 一種用于混合多電平靜止同步補償器的直流 電壓平衡控制系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)由整流電路、直流儲能單元、
保護電路、混合九電平逆變器、直流隔離單元及三繞組隔離變壓器組
成；所說的整流電路輸出端連接兩個直流儲能單元，將整流電路輸出 的總直流電壓分成兩個直流電壓源，然后分別通過一個保護電路與一 個電容箝位三電平逆變電路相連接；兩個三電平逆變電路組合成一個 混合九電平逆變器；兩個逆變電路輸出端分別連接一個直流隔離單 元，其交流輸出電壓通過三繞組隔離變壓器耦合成一個交流電壓。
上述所說的整流電路由 一組將采集的交流電壓變換為直流電壓 的整流橋和平波電抗器構(gòu)成；直流電壓經(jīng)過平波電抗器連接到直流儲 能單元的充電輸入端。
上述所說的直流儲能單元由一個直流分壓電容和輔助控制電路 構(gòu)成；兩個直流儲能單元將整流電路輸出的總直流電壓分成兩個直流 電壓源，其中的兩個直流分壓電容一端連接在一起并聯(lián)到第一個逆變 電路的直流負端和第二個逆變電路的直流正端，另一端分別接到直流 電源正母線和直流電源負母線上。
上述所說的保護電路由IGBT、 二極管和吸收電路構(gòu)成；二極管 反并聯(lián)在IGBT的兩端，吸收電路與IGBT并聯(lián)連接；第一個保護電路 中二極管的陰極和IGBT的漏極連接到第一個逆變電路的直流正端， 第二個保護電路中二極管的陽極和IGBT的源極連接到第二個逆變電 路的直流負端。
上述所說的混合九電平逆變器由兩個三電平逆變電路級聯(lián)構(gòu)成； 每個逆變電路的串聯(lián)開關(guān)器件之間都有箝位電容；第一個逆變電路的 直流負端接到第二個逆變電路的直流正端及兩個直流分壓電容的中 間互連節(jié)點。
上述所說的混合九電平逆變器部分中的逆變電路輸出的三繞組 隔離變壓器中前兩個繞組的2號接線端分別接到兩個逆變電路的右 交流輸出端，第三個繞組將輸出連接到電力系統(tǒng)中；前兩個繞組的l 號接線端為同名端。
上述所說的直流隔離單元由一個用于將逆變電路輸出的方波交 流電壓中的直流分量濾除掉，以防止隔離變壓器飽和的直流隔離電容
構(gòu)成；兩個直流隔離單元中的直流隔離電容一端分別接到兩個逆變電 路的左交流輸出端；另一端分別接到三繞組隔離變壓器中前兩個繞組 的1號接線端。
本發(fā)明的工作原理為整流電路將采集的交流電壓變換為直流電 壓。兩個直流儲能單元將整流電路輸出的總直流電壓分成兩個電壓相 等的直流電壓源，其中的輔助控制電路用于防止兩個直流分壓電容的 電壓波動。兩個保護電路用于當(dāng)逆變電路工作于整流方式時控制直流 側(cè)電容的充電電流大小，防止過流；IGBT關(guān)斷時會出現(xiàn)電流拖尾， 吸收電路中的吸收電容會削弱對關(guān)斷損耗的抑制作用。兩個電容鉗位 三電平逆變電路實現(xiàn)從直流到交流的轉(zhuǎn)變，其交流輸出端連接的兩個 直流隔離電容用于將兩個逆變電路輸出的方波交流電壓中的直流分 量濾除掉，以防止隔離變壓器飽和。最后通過一個三繞組隔離變壓器 將兩個方波交流電壓隔離、耦合成一個交流電壓并輸出到電力系統(tǒng)中。
本發(fā)明的優(yōu)越性在于1、采用混合多電平結(jié)構(gòu)作為STATCOM的 主電路拓撲，綜合了電容箝位式和級聯(lián)式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，不僅大大提高 了裝置容量，而且所需器件成倍減少，易于封裝，也便于冗余運行， 可以很好地達到無功補償?shù)哪康模?、直流電壓平衡控制系統(tǒng)能夠?qū)?現(xiàn)自動平衡直流儲能單元上電壓大小的功能，使兩個直流分壓電容上 的電壓保持相同且為整流電路輸出電壓的一半，從而使得混合多電平 逆變器的開關(guān)器件可以采用低壓小電流的功率器件。如當(dāng)總直流電源 電壓不超過2500V時，混合多電平逆變器的開關(guān)器件可選用 1700V/50A的IGBT模塊，從而大大降低了雙向逆變器的成本。


附圖1為本發(fā)明所涉一種用于混合多電平靜止同步補償器的直 流電壓平衡控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖。
附圖2為本發(fā)明所涉一種用于混合多電平靜止同步補償器的直
流電壓平衡控制系統(tǒng)中的整流電路結(jié)構(gòu)圖。
附圖3為本發(fā)明所涉一種用于混合多電平靜止同步補償器的直
流電壓平衡控制系統(tǒng)中的直流儲能單元輔助控制電路結(jié)構(gòu)圖。
附圖4為本發(fā)明所涉一種用于混合多電平靜止同步補償器的直 流電壓平衡控制系統(tǒng)中的保護電路結(jié)構(gòu)圖。
附圖5為本發(fā)明所涉一種用于混合多電平靜止同步補償器的直 流電壓平衡控制系統(tǒng)中的混合九電平逆變器結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式
實施例 一種用于混合多電平靜止同步補償器的直流電壓平衡控 制系統(tǒng)(見圖1)，其特征在于該系統(tǒng)由整流電路、直流儲能單元、 保護電路、混合九電平逆變器、直流隔離單元及三繞組隔離變壓器組 成；所說的整流電路輸出端連接兩個直流儲能單元，將整流電路輸出 的總直流電壓分成兩個直流電壓源，然后分別通過一個保護電路與一 個電容箝位三電平逆變電路相連接；兩個三電平逆變電路組合成一個 混合九電平逆變器；兩個逆變電路輸出端分別連接一個直流隔離單 元，其交流輸出電壓通過三繞組隔離變壓器耦合成一個交流電壓。
上述所說的整流電路(見圖2)由一組整流橋(Dl、 D2、 D3、 D4) 和平波電抗器L構(gòu)成；整流橋?qū)⒉杉慕涣麟妷鹤儞Q為直流電壓，直 流電壓經(jīng)過平波電抗器L連接到直流儲能單元的輸入端，為直流儲能 單元充電。
上述所說的直流儲能單元(見圖3)由一個直流分壓電容C1、 C2 和輔助控制電路構(gòu)成；兩個直流儲能單元將整流電路輸出的總直流電 壓分成兩個直流電壓源，其中的兩個直流分壓電容C1和C2 —端連接 在一起并聯(lián)到第一個逆變電路的直流負端和第二個逆變電路的直流 正端，另一端分別接到直流電源正母線和直流電源負母線上。
上述所說的保護電路(見圖4)由IGBT、 二極管D5、 D6和吸收 電路構(gòu)成；二極管D5、 D6反并聯(lián)在IGBT的兩端，吸收電路與IGBT 并聯(lián)連接；第一個保護電路中二極管D1的陰極和IGBT的漏極連接到 第一個逆變電路的直流正端，第二個保護電路中二極管D2的陽極和 IGBT的源極連接到第二個逆變電路的直流負端。
上述所說的混合九電平逆變器(見圖5)由兩個三電平逆變電路 級聯(lián)構(gòu)成；每個逆變電路的串聯(lián)開關(guān)器件之間都有箝位電容C5、 C6、 C7、 C8;第一個逆變電路的直流負端接到第二個逆變電路的直流正端 及兩個直流分壓電容的中間互連節(jié)點。
上述所說的混合九電平逆變器部分中的逆變電路輸出的三繞組 隔離變壓器中前兩個繞組的2號接線端分別接到兩個逆變電路的右 交流輸出端，第三個繞組將輸出連接到電力系統(tǒng)中；前兩個繞組的l 號接線端為同名端。
上述所說的直流隔離單元由一個用于將逆變電路輸出的方波交 流電壓中的直流分量濾除掉，以防止隔離變壓器TR飽和的直流隔離 電容C3、 C4構(gòu)成；兩個直流隔離單元中的直流隔離電容C3和C4一 端分別接到兩個逆變電路的左交流輸出端；另一端分別接到三繞組隔 離變壓器中前兩個繞組的1號接線端。
權(quán)利要求
1、一種用于混合多電平靜止同步補償器的直流電壓平衡控制系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)由整流電路、直流儲能單元、保護電路、混合九電平逆變器、直流隔離單元及三繞組隔離變壓器組成；所說的整流電路輸出端連接兩個直流儲能單元，將整流電路輸出的總直流電壓分成兩個直流電壓源，然后分別通過一個保護電路與一個電容箝位三電平逆變電路相連接；兩個三電平逆變電路組合成一個混合九電平逆變器；兩個逆變電路輸出端分別連接一個直流隔離單元，其交流輸出電壓通過三繞組隔離變壓器耦合成一個交流電壓。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所說的一種用于混合多電平靜止同步補償器 的直流電壓平衡控制系統(tǒng)，其特征在于所說的整流電路由一組將采集 的交流電壓變換為直流電壓的整流橋和平波電抗器構(gòu)成；直流電壓經(jīng) 過平波電抗器連接到直流儲能單元的充電輸入端。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所說的一種用于混合多電平靜止同步補償器 的直流電壓平衡控制系統(tǒng)，其特征在于所說的直流儲能單元由一個直 流分壓電容和輔助控制電路構(gòu)成；兩個直流儲能單元將整流電路輸出 的總直流電壓分成兩個直流電壓源，其中的兩個直流分壓電容一端連 接在一起并聯(lián)到第一個逆變電路的直流負端和第二個逆變電路的直 流正端，另一端分別接到直流電源正母線和直流電源負母線上。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所說的一種用于混合多電平靜止同步補償器 的直流電壓平衡控制系統(tǒng)，其特征在于所說的保護電路由IGBT、 二 極管和吸收電路構(gòu)成；二極管反并聯(lián)在IGBT的兩端，吸收電路與IGBT 并聯(lián)連接；第一個保護電路中二極管的陰極和IGBT的漏極連接到第 一個逆變電路的直流正端，第二個保護電路中二極管的陽極和IGBT 的源極連接到第二個逆變電路的直流負端。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所說的一種用于混合多電平靜止同步補償器 的直流電壓平衡控制系統(tǒng)，其特征在于所說的混合九電平逆變器由兩個三電平逆變電路級聯(lián)構(gòu)成；每個逆變電路的串聯(lián)開關(guān)器件之間都有 箝位電容；第一個逆變電路的直流負端接到第二個逆變電路的直流正 端及兩個直流分壓電容的中間互連節(jié)點。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所說的一種用于混合多電平靜止同步補償器 的直流電壓平衡控制系統(tǒng)，其特征在于所說的混合九電平逆變器部分 中的逆變電路輸出的三繞組隔離變壓器中前兩個繞組的2號接線端 分別接到兩個逆變電路的右交流輸出端，第三個繞組將輸出連接到電 力系統(tǒng)中；前兩個繞組的l號接線端為同名端。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所說的一種用于混合多電平靜止同步補償器 的直流電壓平衡控制系統(tǒng)，其特征在于所說的直流隔離單元由一個用 于將逆變電路輸出的方波交流電壓中的直流分量濾除掉，以防止隔離 變壓器飽和的直流隔離電容構(gòu)成；兩個直流隔離單元中的直流隔離電 容一端分別接到兩個逆變電路的左交流輸出端；另一端分別接到三繞 組隔離變壓器中前兩個繞組的1號接線端。
全文摘要
一種用于混合多電平靜止同步補償器的直流電壓平衡控制系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)由整流電路、直流儲能單元、保護電路、混合九電平逆變器、直流隔離單元及三繞組隔離變壓器組成。本發(fā)明的優(yōu)越性在于1.采用混合多電平結(jié)構(gòu)作為STATCOM的主電路拓撲，綜合了電容箝位式和級聯(lián)式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，提高了裝置容量，減少了所需器件，易于封裝及冗余運行，可達到無功補償?shù)哪康模?.直流電壓平衡控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動平衡直流儲能單元上電壓大小的功能，使兩個直流分壓電容上的電壓保持相同且為整流電路輸出電壓的一半，從而使得混合多電平逆變器的開關(guān)器件可以采用低壓小電流的功率器件。
文檔編號H02J3/16GK101170259SQ20071015039
公開日2008年4月30日 申請日期2007年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月26日
發(fā)明者杰 何, 明 侯, 周永兵, 周雪松, 張智勇, 輝 王, 馬幼捷, 娟 龔 申請人:天津理工大學(xué)