專利名稱：自恒壓源電流調(diào)制型無功靜補器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬電力電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于電力系統(tǒng)交流干線或交流配電網(wǎng)絡(luò)中靜止補償無功功率的裝置的基本電路。
采用電力電子器件構(gòu)成變流器實現(xiàn)靜止無功補償大致分為相控式和脈寬調(diào)制式兩大類。
在相控式方面，七十年代末，八十年代初，美國和日本發(fā)展起來的相控式靜補器，均采用半控型可控硅(SCR)器件，須設(shè)置復(fù)雜的人工換流電路強迫關(guān)斷SCR，實現(xiàn)在控制角α為正或負(fù)的狀態(tài)下運行，發(fā)生感性或容性無功功率。見“用晶閘管電路發(fā)生和控制無功功率”(ReactivePowerGenera-tionandControlbyThyristorCircuits)一文，Laszlogyugyi，美國西屋電氣公司，IEEETrans、IA-15，No.5，1979，P521-532;以及見《電氣學(xué)會雜志》(日)，鈴木浩，Vol.103，No.8，1983，P55-58。
八十年代末，九十年代初，中國東北電力學(xué)院的駱濟壽等用門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)器件替代以往用于相控式靜補器的SCR器件，從而取消了復(fù)雜的人工換流電路，見公告號為CN20303928的中國專利文獻，以及《電工電能新技術(shù)》雜志，1992年第1期，P5-8。
上述相控式靜補器共同存在的問題是為減小輸出波形的較大畸變，須采用多重化裝置波形疊加技術(shù)，如日本曾采用6套重復(fù)的變流器并聯(lián)，這使電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、成本倍增;在無功調(diào)控方面，由于采用調(diào)相角和調(diào)附加直流電源電壓的方式，使結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜化，成本增加。
在脈寬調(diào)制方面，又有電壓調(diào)制和電流調(diào)制之分。日本的Hi-rofumiAkagi等人于八十年代初曾研究過電壓源電流波形調(diào)制型靜補器，終因直流側(cè)并聯(lián)電容器的端電壓不能穩(wěn)定而未能實現(xiàn)將電流調(diào)制成正弦波的目的，并由于電流波形嚴(yán)重畸變于正弦形而不能對工頻電力無功形成有效補償，因而僅主要用于瞬態(tài)無功補償。見“無蓄能元件的開關(guān)型瞬態(tài)無功補償器”(Instan-taneousReactivePowerCompensatorsComprisingSwitchingDevicesWithoutEnergyCompo-nents)一文，IEEETrans、IA-20，No3，1984，P625-630，本發(fā)明的目的和任務(wù)在于，開發(fā)一種創(chuàng)新的，以斬波開關(guān)狀態(tài)下能量轉(zhuǎn)換機理為基礎(chǔ)的自恒壓源電流波形調(diào)制型無功靜補器，從根本上解決以往的電壓源電流波形調(diào)制型靜補器不能維持以正弦形電流補償電力無功的問題，同時避免采用相控式靜補器帶來的波形畸變大和結(jié)構(gòu)及控制復(fù)雜化等問題，從而實現(xiàn)對電力無功功率的正弦性、線性、連續(xù)、快速跟蹤和在結(jié)構(gòu)及能量轉(zhuǎn)換方面均高效的補償。
本發(fā)明為一種具有自恒壓源電流波形調(diào)制型的靜止式電力無功功率補償裝置。自恒壓源即在不需要附加直流側(cè)直流電源的情況下，僅靠本靜補器自身元件的功能便能形成恒定的直流側(cè)電壓。電流波形調(diào)制即采用通常所稱的滯時(Hysteresis)調(diào)制或梆梆(Ban-Ban)調(diào)制，將電流用開關(guān)的通斷操作控制在正弦波帶內(nèi)并按補償要求變化相位及幅值。
參見附

圖1，本發(fā)明的單相基本電路由功率主電路和控制電路兩大部分構(gòu)成A、功率主電路為一由帶并聯(lián)二極管的全控式半導(dǎo)體開關(guān)(如大功率晶體管開關(guān)GTR或門極可關(guān)斷晶閘管開關(guān)(GTO)構(gòu)成的單相H橋或半橋變流器，該變流器的直流側(cè)并聯(lián)有直流電容器(或電容器組)C和分壓器，變流器的一輸入端通過一電感線圈L與電力系統(tǒng)的一根相線相接而另一輸入端與零線相接，B、控制電路包括a、由直流運算放大器6、直流電壓給定器7、初相角給定器8、移相器5和電壓互感器PT構(gòu)成的交流相角--直流電壓閉環(huán)控制單元;
b、電流波形調(diào)制單元3、開關(guān)驅(qū)動單元2，無功需求--電流控制轉(zhuǎn)換單元4，無功需求信號單元9，直流電壓給定器7的輸出端和功率主電路分壓器的輸出端分別與直流運算放大器6的兩輸入端相接，初相角給定器8的輸出端、直流運算放大器6的輸出端以及與相線聯(lián)接的電壓互感器PT的輸出端分別與移相器5的三個輸入端相接。
無功率需求信號單元9的輸出端和移相器5的輸出端分別與無功需求--電流控制轉(zhuǎn)換單元4的兩輸入端相接，無功需求--電流控制轉(zhuǎn)換單元4的輸出端、以及變流器輸入端相串聯(lián)的電流互器CT的輸出端分別與電流調(diào)制單元3的兩個輸入端相接，電流調(diào)制單元3的輸出端與開關(guān)驅(qū)動單元2的輸入端相接，開關(guān)驅(qū)動單元2的各個輸出端分別與各個全控式半導(dǎo)體開關(guān)的基極(門極)相接。
附圖1中S1-S4為全控式半導(dǎo)體開關(guān)，B1-B4為其相應(yīng)的基極，D1-D4為二極管，R1和R2為構(gòu)成分壓器的電阻，1為負(fù)載，10為交流電力系統(tǒng)。
上述典型單相補償器電路可擴展為多相(如三相)電路。其中的基本元件如全控式半導(dǎo)體開關(guān)和并聯(lián)的二極管也均可擴展(即按增容需要以串、并或串并聯(lián)構(gòu)成組合元件)。
電路中各主元件及控制單元的主要功能如下電感線圈L用于電流調(diào)制的滯時并在開關(guān)斬波操作下對直流側(cè)電壓有升壓作用，電容器(組)C用于形成直流側(cè)電壓源，以維持開關(guān)回路正常操作;與開關(guān)S并聯(lián)的二極管具有整流和對開關(guān)保護的作用;電壓互感器PT為移相器5提供同步信號;電流互感器CT為電流波形調(diào)制單元3提供工作電流信號;取自分壓器的直流電壓信號號與由直流電壓給定器7給定的直流電壓經(jīng)運算放大器6放大后饋給移相器5;移相器5為常規(guī)的模擬式、數(shù)字式或數(shù)模結(jié)合式移相器，它接受來自PT的同步信號和運算放大器6輸出的移相信號，并輸出移相的電流參考信號;無功需求--電流控制轉(zhuǎn)換單元4使來自移相器5的電流信號與來自無功需求信號單元9的信號合成，電流波形調(diào)制單元3接受來自無功需求--電流控制轉(zhuǎn)換單元4的輸出信號和來自CT的工作電流信號，并把二者進行比較后，按電流滯時調(diào)制的通常方式向開關(guān)驅(qū)動單元2輸出開關(guān)操作信號;開關(guān)的操作順序可有不同的組合，現(xiàn)僅舉變流器為單相H橋時的一種操作順序為例，在工頻電流參考信號的正半周內(nèi)，S1和S4成對同時進行通、斷操作;在負(fù)半周內(nèi)S2和S3成對同時進行通、斷操作。
將本靜補器在帶負(fù)載(或開關(guān)操作閉鎖)狀態(tài)下投入電力系統(tǒng)，系統(tǒng)電壓經(jīng)整流器整流而建立起直流側(cè)電壓(若處于帶負(fù)載狀態(tài)，直流側(cè)電壓受斬波能量轉(zhuǎn)換機理控制);
無功需求信號--電流控制轉(zhuǎn)換單元4將無功需求信號(來自遠(yuǎn)方電力調(diào)度信號、負(fù)載自動跟蹤調(diào)節(jié)信號或現(xiàn)地手動調(diào)節(jié)信號)單元9所轉(zhuǎn)換的電流信號與移相器5輸出的電流信號按比例合成饋給電流波形調(diào)制單元3的參考電流信號。
電流波形調(diào)制單元3將CT測量的電流與參考電流信號相比較，以梆梆(Ban-Ban)調(diào)制方式發(fā)生出開關(guān)操作信號并饋給開關(guān)驅(qū)動單元2，由其驅(qū)動開關(guān)操作，從而成比例線性地改變無功輸出大小。
開關(guān)操作過程中，受斬波狀態(tài)下能量交換作用而變化的直流側(cè)電壓受交流相角--直流電壓閉環(huán)控制單元信號對電流調(diào)制的作用而保持恒定，從而維持電流波形調(diào)制正常所需的電壓。
本靜補器退出系統(tǒng)運行時，可直接帶負(fù)載切除，也可將無功輸出減至零再切除或仍接入系統(tǒng)帶空載運行。
本靜補器并聯(lián)接于電源系統(tǒng)與負(fù)載之間，可按一相或多相運行。按不對稱補償運行考慮時，可按相分離型回路構(gòu)成多相補償器。運行過程中，無功需求信號將轉(zhuǎn)換為電流調(diào)制信號，進而實現(xiàn)控制無功輸出。輸出電流可按無功補償要求為超前性或落后性。隨調(diào)制電流變化，無功功率輸出將呈線性、連續(xù)、快速跟蹤動、靜態(tài)負(fù)載變化。輸出電流的波形將在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)運行過程中保持正弦形、達到有效補償電力無功的目的。
和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果在于1)由于采用了電流正弦波形調(diào)制技術(shù)并將該幅值連續(xù)可調(diào)的正弦形電流用于無功功率調(diào)節(jié)，因而可正弦性、線性和連續(xù)補償電力無功功率。
2)可按電力系統(tǒng)及負(fù)載要求發(fā)生超前或落后的無功功率。
3)對于三相功率平衡條件時的補償，直流側(cè)并聯(lián)電容C將不承受補償工頻無功功率所形成的電流，電容器的電流及電容值可實現(xiàn)最小化。
4)可限制過電流或短路電流于給定的正弦電流帶內(nèi)投、切無暫態(tài)沖擊。由于采用電流調(diào)制技術(shù)，電流可在開關(guān)操作的半周期內(nèi)(例如約1/2×20KHZ＝25μs)快速達到給定值，因而可實現(xiàn)快速動態(tài)跟蹤補償。
5)由于裝置本身的固有功耗很小且主回路中無純電阻性功耗元件，視在功率幾乎全部轉(zhuǎn)換為無功功率，因而裝置無功功率轉(zhuǎn)換效率極高(約達99.8%)。
6)裝置構(gòu)成簡單、易于實現(xiàn)。結(jié)構(gòu)密實、體積小。單位KV-AR造價較旋轉(zhuǎn)式補償機和以往的其他類靜補器或開關(guān)型變頻器低。
7)由于電流波形正弦化，可省去通常用于相控式靜補器的濾波電容、電感器組。
8)輸出無功功率可由零調(diào)至最大?？稍诓恍栎敵鲎儔浩鞯那闆r下直接并入電力系統(tǒng)滿載投、切。
9)可適用范圍廣，可適用于電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)無功功率補償;電弧爐、電弧焊、軋機等感性無功負(fù)載裝置的快速動態(tài)跟蹤補償;產(chǎn)生落后無功功率的電力電子裝置的補償;異步發(fā)電機等磁場激勵裝置的自勵無功跟蹤補償?shù)葓龊稀?br> 10)可作為電壓源電流波形調(diào)制型開關(guān)式整流器和逆變器應(yīng)用，其功率因素可按需要調(diào)節(jié)為1或超前。
附圖1為本發(fā)明無功靜補器按單相結(jié)構(gòu)接于電力系統(tǒng)運行時的基本電路結(jié)構(gòu)圖。
附圖2為本發(fā)明按單相結(jié)構(gòu)的一個實施例的控制電路原理圖。
附圖3為實施例在形成容性無功功率工況下的特性曲線圖。
附圖4為實施例在形成感性無功功率工況下的特性曲線圖。
附圖5為實施例靜補償器電流相對于系統(tǒng)電壓的波形圖，其中a)為容性工況，b)為感性工況。
以下結(jié)合附圖2給出本發(fā)明按單相結(jié)構(gòu)控制電路的一個具體實施例。但該領(lǐng)域的普通技術(shù)人員根據(jù)前面所描述的本發(fā)明內(nèi)容，容易自己提出許多變化或等效的替換物而不超出本發(fā)明的范圍。因此具體的實施例可以有多種，本發(fā)明的內(nèi)容并不局限于下述實施例。
實施例見附圖2。圖中2為開關(guān)驅(qū)動單元，3為電流波形調(diào)制單元，4為無功需求--電流控制轉(zhuǎn)換單元，5為移相器，6為直流運算放大器，7為直流電壓給定器，8為初相角給定器，9為無功需求信號單元。各元器件如下1、IC1、IC2、IC7--運算放大器集成元件;
2、IC3、IC4--電壓比較器集成元件;
3、IC5、IC8--與非門集成元件;
4、IC6、IC11、IC12--與門集成元件
5、IC9、IC14--或門集成元件;
6、IC13--全控型開關(guān)專用驅(qū)動模塊(如日本與IGBT開關(guān)匹配的TM或EXB系列模塊);
7、IC10--D觸發(fā)器集成元件;
8、R1、2--分壓電阻;
9、R3、R5-9、R19-22--與運算放大器匹配的電阻;R13--延時電阻;
10、R4、R25、R14、R17--分別與參考電位Vr1-4匹配的電阻;
11、R15、16、26-29--與比較器IC3、4匹配的電阻;
12、R10-12--與移相器匹配的電阻;
13、R18--濾波電阻;
14、R23、24--與或門IC14相配的電阻;
15、C1--移相器電容器;
16、C2、3--濾波電容器;
17、C4、5--延時回路電容器;
18、PT--同步電壓互感器;
19、+V、-V--集成元件直流正、負(fù)電源;
20、VL--邏輯集成元件電源;Vr1-4--給定的參考電位;
21、D5--整流二極管;
22、D6--穩(wěn)壓二極管;
23、CT--電流互感器;
24、IC13輸出端子標(biāo)記B1-4--分別為開關(guān)S1-4的基極B1-4圖中B1-B4為S1-S4的基極。各IC元件，除IC13為專用全控開關(guān)驅(qū)動模塊(如日本的與IGBT相匹配的TM或EXB系列模塊)外，均為常規(guī)型模擬和邏輯元件。
該補償器的實際效果見附圖3-5。
附圖3、4分別為本靜補裝置在容性和感性工況下各運行特性參數(shù)隨受控電流變化的曲線圖。圖中曲線1為裝置的總視在功率，曲線2為裝置形成的容性和感性無功功率，曲線3為直流側(cè)直流電壓，曲線4為裝置的功耗。
由附圖3、4可見裝置形成的無功功率均線性正比于受控電流，十分便于電力工業(yè)無功補償調(diào)節(jié);裝置功耗(曲線4)較小，因而裝置無功功率與視在功率值極接近(由于曲線1、2差值甚小，打印后便重合似一條曲線)，無功轉(zhuǎn)換效率極高;直流電壓(曲線3)受閉環(huán)控制而保持恒定。
附圖5的a)和b)分別為本靜補裝置在容性和感性工況下交流電流Iac相對于電壓Vac的波形圖。由附圖5可見，電流被很好地調(diào)制在參考信號發(fā)生的超前或落后于電力系統(tǒng)電壓約90°的正弦波形帶內(nèi)，因而其總的諧波畸變率THD很小(小于2%)。
權(quán)利要求
1.一種自恒定電壓源電流正弦波調(diào)制型電力無功功率靜止補償裝置，其特征在于單相基本電路由如下所述的功率主電路和控制電路兩大部分組成A、功率主電路為一由帶并聯(lián)二極管的全控式半導(dǎo)體開關(guān)(如大功率晶體管開關(guān)GTR或門極可關(guān)斷晶閘管開關(guān)(GTO)構(gòu)成的單相H橋或半橋變流器，該變流器的直流側(cè)并聯(lián)有直流電容器(或電容器組)C和分壓器，變流器的一輸入端通過一電感線圈L與電力系統(tǒng)的一根相線相接而另一輸入端與零線相接，B、控制電路包括a、由直流運算放大器6、直流電壓給定器7、初相角給定器8、移相器5和電壓互感器PT構(gòu)成的交流相角--直流電壓閉環(huán)控制單元，b、電流波形調(diào)制單元3、開關(guān)驅(qū)動單元2，無功需求--電流控制轉(zhuǎn)換單元4，無功需求信號單元9。直流電壓給定器7的輸出端和功率主電路分壓器的輸出端分別與直流運算放大器6的兩輸入端相接。初相角給定器8的輸出端、直流運算放大器6的輸出端以及與相線聯(lián)接的電壓互感器PT的輸出端分別與移相器5的三個輸入端相接。無功需求信號單元9的輸出端和移相器5的輸出端分別與無功需求--電流控制轉(zhuǎn)換單元4的兩輸入端相接，無功需求--電流控制轉(zhuǎn)換單元4的輸出端、以及變流器輸入端相串聯(lián)的電流互器CT的輸出端分別與電流調(diào)制單元3的兩個輸入端相接，電流調(diào)制單元3的輸出端與開關(guān)驅(qū)動單元2的輸入端相接，開關(guān)驅(qū)動單元2的各個輸出端分別與各個全控式半導(dǎo)體開關(guān)的基極(門極)相接。
2.如權(quán)利要求1所述的無功功率靜止補償裝置，其特征還在于單相電路可擴展為多相(如3相)電路，其中功率主電路的基本元件也可按增容需要以串、并或串并聯(lián)構(gòu)成組合元件。
全文摘要
本發(fā)明為一種以高頻開關(guān)斬波狀態(tài)下能量轉(zhuǎn)換機理為基礎(chǔ)、由自恒定電壓源電流正弦波調(diào)控的全控型功率電子開關(guān)電路構(gòu)成的電力無功功率靜止補償裝置。本裝置具有可正弦性(電流總諧波畸變率THD小于2％)、線性、連續(xù)和快速補償超前或落后的動、穩(wěn)態(tài)，無功功率，無過流及投、切暫態(tài)沖擊，無工頻蓄能元件，無功功率轉(zhuǎn)換效率高達99.8％等優(yōu)點，可用于電網(wǎng)系統(tǒng)、感性電弧型裝置、軋機、功率電子裝置和自勵異步發(fā)電裝置等的無功功率補償。
文檔編號H02J3/18GK1087211SQ9310917
公開日1994年5月25日 申請日期1993年7月23日 優(yōu)先權(quán)日1993年7月23日
發(fā)明者王昆生 申請人:王昆生