专利名称：自恒压源电流调制型无功静补器的制作方法
技术领域：
本发明属电力电子技术领域，具体涉及一种用于电力系统交流干线或交流配电网络中静止补偿无功功率的装置的基本电路。
采用电力电子器件构成变流器实现静止无功补偿大致分为相控式和脉宽调制式两大类。
在相控式方面，七十年代末，八十年代初，美国和日本发展起来的相控式静补器，均采用半控型可控硅(SCR)器件，须设置复杂的人工换流电路强迫关断SCR，实现在控制角α为正或负的状态下运行，发生感性或容性无功功率。见“用晶闸管电路发生和控制无功功率”(ReactivePowerGenera-tionandControlbyThyristorCircuits)一文，Laszlogyugyi，美国西屋电气公司，IEEETrans、IA-15，No.5，1979，P521-532;以及见《电气学会杂志》(日)，铃木浩，Vol.103，No.8，1983，P55-58。
八十年代末，九十年代初，中国东北电力学院的骆济寿等用门极可关断晶闸管(GTO)器件替代以往用于相控式静补器的SCR器件，从而取消了复杂的人工换流电路，见公告号为CN20303928的中国专利文献，以及《电工电能新技术》杂志，1992年第1期，P5-8。
上述相控式静补器共同存在的问题是为减小输出波形的较大畸变，须采用多重化装置波形叠加技术，如日本曾采用6套重复的变流器并联，这使电路结构复杂化、成本倍增;在无功调控方面，由于采用调相角和调附加直流电源电压的方式，使结构和控制复杂化，成本增加。
在脉宽调制方面，又有电压调制和电流调制之分。日本的Hi-rofumiAkagi等人于八十年代初曾研究过电压源电流波形调制型静补器，终因直流侧并联电容器的端电压不能稳定而未能实现将电流调制成正弦波的目的，并由于电流波形严重畸变于正弦形而不能对工频电力无功形成有效补偿，因而仅主要用于瞬态无功补偿。见“无蓄能元件的开关型瞬态无功补偿器”(Instan-taneousReactivePowerCompensatorsComprisingSwitchingDevicesWithoutEnergyCompo-nents)一文，IEEETrans、IA-20，No3，1984，P625-630，本发明的目的和任务在于，开发一种创新的，以斩波开关状态下能量转换机理为基础的自恒压源电流波形调制型无功静补器，从根本上解决以往的电压源电流波形调制型静补器不能维持以正弦形电流补偿电力无功的问题，同时避免采用相控式静补器带来的波形畸变大和结构及控制复杂化等问题，从而实现对电力无功功率的正弦性、线性、连续、快速跟踪和在结构及能量转换方面均高效的补偿。
本发明为一种具有自恒压源电流波形调制型的静止式电力无功功率补偿装置。自恒压源即在不需要附加直流侧直流电源的情况下，仅靠本静补器自身元件的功能便能形成恒定的直流侧电压。电流波形调制即采用通常所称的滞时(Hysteresis)调制或梆梆(Ban-Ban)调制，将电流用开关的通断操作控制在正弦波带内并按补偿要求变化相位及幅值。
参见附
图1，本发明的单相基本电路由功率主电路和控制电路两大部分构成A、功率主电路为一由带并联二极管的全控式半导体开关(如大功率晶体管开关GTR或门极可关断晶闸管开关(GTO)构成的单相H桥或半桥变流器，该变流器的直流侧并联有直流电容器(或电容器组)C和分压器，变流器的一输入端通过一电感线圈L与电力系统的一根相线相接而另一输入端与零线相接，B、控制电路包括a、由直流运算放大器6、直流电压给定器7、初相角给定器8、移相器5和电压互感器PT构成的交流相角--直流电压闭环控制单元;
b、电流波形调制单元3、开关驱动单元2，无功需求--电流控制转换单元4，无功需求信号单元9，直流电压给定器7的输出端和功率主电路分压器的输出端分别与直流运算放大器6的两输入端相接，初相角给定器8的输出端、直流运算放大器6的输出端以及与相线联接的电压互感器PT的输出端分别与移相器5的三个输入端相接。
无功率需求信号单元9的输出端和移相器5的输出端分别与无功需求--电流控制转换单元4的两输入端相接，无功需求--电流控制转换单元4的输出端、以及变流器输入端相串联的电流互器CT的输出端分别与电流调制单元3的两个输入端相接，电流调制单元3的输出端与开关驱动单元2的输入端相接，开关驱动单元2的各个输出端分别与各个全控式半导体开关的基极(门极)相接。
附图1中S1-S4为全控式半导体开关，B1-B4为其相应的基极，D1-D4为二极管，R1和R2为构成分压器的电阻，1为负载，10为交流电力系统。
上述典型单相补偿器电路可扩展为多相(如三相)电路。其中的基本元件如全控式半导体开关和并联的二极管也均可扩展(即按增容需要以串、并或串并联构成组合元件)。
电路中各主元件及控制单元的主要功能如下电感线圈L用于电流调制的滞时并在开关斩波操作下对直流侧电压有升压作用，电容器(组)C用于形成直流侧电压源，以维持开关回路正常操作;与开关S并联的二极管具有整流和对开关保护的作用;电压互感器PT为移相器5提供同步信号;电流互感器CT为电流波形调制单元3提供工作电流信号;取自分压器的直流电压信号号与由直流电压给定器7给定的直流电压经运算放大器6放大后馈给移相器5;移相器5为常规的模拟式、数字式或数模结合式移相器，它接受来自PT的同步信号和运算放大器6输出的移相信号，并输出移相的电流参考信号;无功需求--电流控制转换单元4使来自移相器5的电流信号与来自无功需求信号单元9的信号合成，电流波形调制单元3接受来自无功需求--电流控制转换单元4的输出信号和来自CT的工作电流信号，并把二者进行比较后，按电流滞时调制的通常方式向开关驱动单元2输出开关操作信号;开关的操作顺序可有不同的组合，现仅举变流器为单相H桥时的一种操作顺序为例，在工频电流参考信号的正半周内，S1和S4成对同时进行通、断操作;在负半周内S2和S3成对同时进行通、断操作。
将本静补器在带负载(或开关操作闭锁)状态下投入电力系统，系统电压经整流器整流而建立起直流侧电压(若处于带负载状态，直流侧电压受斩波能量转换机理控制);
无功需求信号--电流控制转换单元4将无功需求信号(来自远方电力调度信号、负载自动跟踪调节信号或现地手动调节信号)单元9所转换的电流信号与移相器5输出的电流信号按比例合成馈给电流波形调制单元3的参考电流信号。
电流波形调制单元3将CT测量的电流与参考电流信号相比较，以梆梆(Ban-Ban)调制方式发生出开关操作信号并馈给开关驱动单元2，由其驱动开关操作，从而成比例线性地改变无功输出大小。
开关操作过程中，受斩波状态下能量交换作用而变化的直流侧电压受交流相角--直流电压闭环控制单元信号对电流调制的作用而保持恒定，从而维持电流波形调制正常所需的电压。
本静补器退出系统运行时，可直接带负载切除，也可将无功输出减至零再切除或仍接入系统带空载运行。
本静补器并联接于电源系统与负载之间，可按一相或多相运行。按不对称补偿运行考虑时，可按相分离型回路构成多相补偿器。运行过程中，无功需求信号将转换为电流调制信号，进而实现控制无功输出。输出电流可按无功补偿要求为超前性或落后性。随调制电流变化，无功功率输出将呈线性、连续、快速跟踪动、静态负载变化。输出电流的波形将在稳态和暂态运行过程中保持正弦形、达到有效补偿电力无功的目的。
和现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于1)由于采用了电流正弦波形调制技术并将该幅值连续可调的正弦形电流用于无功功率调节，因而可正弦性、线性和连续补偿电力无功功率。
2)可按电力系统及负载要求发生超前或落后的无功功率。
3)对于三相功率平衡条件时的补偿，直流侧并联电容C将不承受补偿工频无功功率所形成的电流，电容器的电流及电容值可实现最小化。
4)可限制过电流或短路电流于给定的正弦电流带内投、切无暂态冲击。由于采用电流调制技术，电流可在开关操作的半周期内(例如约1/2×20KHZ＝25μs)快速达到给定值，因而可实现快速动态跟踪补偿。
5)由于装置本身的固有功耗很小且主回路中无纯电阻性功耗元件，视在功率几乎全部转换为无功功率，因而装置无功功率转换效率极高(约达99.8%)。
6)装置构成简单、易于实现。结构密实、体积小。单位KV-AR造价较旋转式补偿机和以往的其他类静补器或开关型变频器低。
7)由于电流波形正弦化，可省去通常用于相控式静补器的滤波电容、电感器组。
8)输出无功功率可由零调至最大。可在不需输出变压器的情况下直接并入电力系统满载投、切。
9)可适用范围广，可适用于电力系统稳态、暂态无功功率补偿;电弧炉、电弧焊、轧机等感性无功负载装置的快速动态跟踪补偿;产生落后无功功率的电力电子装置的补偿;异步发电机等磁场激励装置的自励无功跟踪补偿等场合。
10)可作为电压源电流波形调制型开关式整流器和逆变器应用，其功率因素可按需要调节为1或超前。
附图1为本发明无功静补器按单相结构接于电力系统运行时的基本电路结构图。
附图2为本发明按单相结构的一个实施例的控制电路原理图。
附图3为实施例在形成容性无功功率工况下的特性曲线图。
附图4为实施例在形成感性无功功率工况下的特性曲线图。
附图5为实施例静补偿器电流相对于系统电压的波形图，其中a)为容性工况，b)为感性工况。
以下结合附图2给出本发明按单相结构控制电路的一个具体实施例。但该领域的普通技术人员根据前面所描述的本发明内容，容易自己提出许多变化或等效的替换物而不超出本发明的范围。因此具体的实施例可以有多种，本发明的内容并不局限于下述实施例。
实施例见附图2。图中2为开关驱动单元，3为电流波形调制单元，4为无功需求--电流控制转换单元，5为移相器，6为直流运算放大器，7为直流电压给定器，8为初相角给定器，9为无功需求信号单元。各元器件如下1、IC1、IC2、IC7--运算放大器集成元件;
2、IC3、IC4--电压比较器集成元件;
3、IC5、IC8--与非门集成元件;
4、IC6、IC11、IC12--与门集成元件
5、IC9、IC14--或门集成元件;
6、IC13--全控型开关专用驱动模块(如日本与IGBT开关匹配的TM或EXB系列模块);
7、IC10--D触发器集成元件;
8、R1、2--分压电阻;
9、R3、R5-9、R19-22--与运算放大器匹配的电阻;R13--延时电阻;
10、R4、R25、R14、R17--分别与参考电位Vr1-4匹配的电阻;
11、R15、16、26-29--与比较器IC3、4匹配的电阻;
12、R10-12--与移相器匹配的电阻;
13、R18--滤波电阻;
14、R23、24--与或门IC14相配的电阻;
15、C1--移相器电容器;
16、C2、3--滤波电容器;
17、C4、5--延时回路电容器;
18、PT--同步电压互感器;
19、+V、-V--集成元件直流正、负电源;
20、VL--逻辑集成元件电源;Vr1-4--给定的参考电位;
21、D5--整流二极管;
22、D6--稳压二极管;
23、CT--电流互感器;
24、IC13输出端子标记B1-4--分别为开关S1-4的基极B1-4图中B1-B4为S1-S4的基极。各IC元件，除IC13为专用全控开关驱动模块(如日本的与IGBT相匹配的TM或EXB系列模块)外，均为常规型模拟和逻辑元件。
该补偿器的实际效果见附图3-5。
附图3、4分别为本静补装置在容性和感性工况下各运行特性参数随受控电流变化的曲线图。图中曲线1为装置的总视在功率，曲线2为装置形成的容性和感性无功功率，曲线3为直流侧直流电压，曲线4为装置的功耗。
由附图3、4可见装置形成的无功功率均线性正比于受控电流，十分便于电力工业无功补偿调节;装置功耗(曲线4)较小，因而装置无功功率与视在功率值极接近(由于曲线1、2差值甚小，打印后便重合似一条曲线)，无功转换效率极高;直流电压(曲线3)受闭环控制而保持恒定。
附图5的a)和b)分别为本静补装置在容性和感性工况下交流电流Iac相对于电压Vac的波形图。由附图5可见，电流被很好地调制在参考信号发生的超前或落后于电力系统电压约90°的正弦波形带内，因而其总的谐波畸变率THD很小(小于2%)。
权利要求
1.一种自恒定电压源电流正弦波调制型电力无功功率静止补偿装置，其特征在于单相基本电路由如下所述的功率主电路和控制电路两大部分组成A、功率主电路为一由带并联二极管的全控式半导体开关(如大功率晶体管开关GTR或门极可关断晶闸管开关(GTO)构成的单相H桥或半桥变流器，该变流器的直流侧并联有直流电容器(或电容器组)C和分压器，变流器的一输入端通过一电感线圈L与电力系统的一根相线相接而另一输入端与零线相接，B、控制电路包括a、由直流运算放大器6、直流电压给定器7、初相角给定器8、移相器5和电压互感器PT构成的交流相角--直流电压闭环控制单元，b、电流波形调制单元3、开关驱动单元2，无功需求--电流控制转换单元4，无功需求信号单元9。直流电压给定器7的输出端和功率主电路分压器的输出端分别与直流运算放大器6的两输入端相接。初相角给定器8的输出端、直流运算放大器6的输出端以及与相线联接的电压互感器PT的输出端分别与移相器5的三个输入端相接。无功需求信号单元9的输出端和移相器5的输出端分别与无功需求--电流控制转换单元4的两输入端相接，无功需求--电流控制转换单元4的输出端、以及变流器输入端相串联的电流互器CT的输出端分别与电流调制单元3的两个输入端相接，电流调制单元3的输出端与开关驱动单元2的输入端相接，开关驱动单元2的各个输出端分别与各个全控式半导体开关的基极(门极)相接。
2.如权利要求1所述的无功功率静止补偿装置，其特征还在于单相电路可扩展为多相(如3相)电路，其中功率主电路的基本元件也可按增容需要以串、并或串并联构成组合元件。
全文摘要
本发明为一种以高频开关斩波状态下能量转换机理为基础、由自恒定电压源电流正弦波调控的全控型功率电子开关电路构成的电力无功功率静止补偿装置。本装置具有可正弦性(电流总谐波畸变率THD小于2％)、线性、连续和快速补偿超前或落后的动、稳态，无功功率，无过流及投、切暂态冲击，无工频蓄能元件，无功功率转换效率高达99.8％等优点，可用于电网系统、感性电弧型装置、轧机、功率电子装置和自励异步发电装置等的无功功率补偿。
文档编号H02J3/18GK1087211SQ9310917
公开日1994年5月25日 申请日期1993年7月23日 优先权日1993年7月23日
发明者王昆生 申请人:王昆生