具有多目标负荷控制的变流装置制造方法

具有多目标负荷控制的变流装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种具有多目标负荷控制的变流装置，包括两个三相变流器，其中，一个三相变流器通过耦合变压器串联到交流线路上作为电压补偿单元，另一个三相变流器通过电感连接到交流线路上作为电流补偿单元，所述两个三相变流器通过直流电容连接到公共直流母线上。本实用新型提供的具有多目标负荷控制的变流装置，通过在系统侧和负荷侧串/并联三相变流器分别进行电压和电流补偿，从而实现谐波消除、无功补偿和电压稳定的多目标负荷控制功能，有效改善电能质量，降低电网损耗。
【专利说明】具有多目标负荷控制的变流装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种交流电源变流装置，尤其涉及一种具有多目标负荷控制的变流装置。
【背景技术】
[0002]电力电子连同运行控制和计算机技术一起成为21世纪最重要的两大技术。然而，电力电子装置产生的谐波污染已成为阻碍电力电子技术发展的重大障碍。为此国外专家提出了“用户电力技术”的新概念。其目的就是将配电系统改造成无电压波动、无不对称以及无谐波的实时控制的柔性化配电网。如何有效实现谐波治理、无功补偿和电压稳定并将其安全可靠应用于电网中，各种电能质量问题的产生原因、规律、特点及其控制手段已成为当前研究与开发的热点课题。
[0003]近年来电能质量控制技术得到了长足的进步，其中最有代表及影响的有有源电力滤波器(APF)、动态电压调节器(DVR)、静止无功补偿器(SVG)等。
[0004]在谐波治理方面，国外从20世纪80年代就开始研制有源电力滤波器，于90年代进入实际应用，并已作为改善供电质量的一项关键技术，在国外已日趋成熟。仅在日本就有500多台APF投入运行，其容量已达到60MVA。但是由于APF价格高，因此利用无源滤波器来降低有源滤波器容量的混合式滤波器将成为研究的重点和为未来发展的方向。国内APF研发远落后于国外，除少数几台APF已投入工业试运行外，其它大部分尚处在研制阶段。
[0005]在无功补偿方面，早期采用的是同步调相机和并联电容器。它们都能补偿固定的无功功率，前者还能对变化的无功功率进行动态补偿。但同步调相机的补偿手段已显陈旧，且难以维护；而对于并联电容器，在电网中有谐波时，有可能发生并联谐振，使谐波放大，电容器因此而烧毁的事故时有发生。而使用晶闸管的静止无功补偿器(SVC)由于SVC响应速度慢，抑制闪变难以达到50%，且其开关作用还带来了大量的谐波。与SVC相比，采用PWM控制技术的静止无功补偿器具有动态响应速度快、补偿电流不依赖于系统电压、谐波抑制能力强、抑制电压效果好(20%以下)以及占地面积仅为同容量SVC装置50%的优点，而获得了越来越广泛的应用。从1986年至1999年，三菱至少投入了 20台容量从0.1?60MVar不等的静止无功补偿器应用在钢铁公司、电气化铁路、水电站、变电站等。但静止无功补偿器只能补偿无功功率，功能略显单一。
[0006]动态电压调节器是目前保证对敏感负荷供电质量非常有效的串联补偿装置，该装置可在毫秒级内将电压跌落补偿至正常值，保证敏感负荷供电电压不受系统电压故障的影响。目前动态电压调节器在消除电压跌落、提高大型综合性敏感工业负荷的供电质量方面有显著的效果。但由于动态电压调节器只在电压跌落时才提供负荷满足正常电压所需的功率消耗，虽然可以解决电压凹陷问题，其效率比较高，但其费用比较高，结构比较复杂，所以推广起来有一定的难度。
[0007]由上可见，现有的设备(APF、DVR、SVG)只能针对电能质量的某项技术指标进行优化，无法实现多目标控制，功能相对单一，而将三者功能简单的叠加不仅因成本太高而导致推广受限，还将会因设备之间的相互影响而影响单个设备的正常运行。因此有必要提供具有多目标负荷控制的变流装置，在保证设备性能的基础上，实现了多目标控制，具有功能齐全、成本可控、安装方便、运行维护简单等特点。
实用新型内容
[0008]本实用新型所要解决的技术问题是提供一种具有多目标负荷控制的变流装置，具有谐波消除、无功补偿和电压稳定的多目标负荷控制功能，适用于配电网节能技改，能够有效改善电能质量，降低电网损耗。
[0009]本实用新型为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种具有多目标负荷控制的变流装置，包括两个三相变流器，其中，一个三相变流器通过耦合变压器串联到交流线路上作为电压补偿单元，另一个三相变流器通过电感连接到交流线路上作为电流补偿单元，所述两个三相变流器通过直流电容连接到公共直流母线上。
[0010]上述的具有多目标负荷控制的变流装置，其中，所述三相变流器为三组桥臂六个开关管构成的逆变器，每组桥臂包括两个串联在一起的开关管，每组桥臂中间通过电感L和交流线路相连，所述电感L和并联在桥臂两端的电容C构成无源滤波器。
[0011]上述的具有多目标负荷控制的变流装置，其中，所述交流线路的输出电压通过三相交流电压采集电路和DSP控制器相连，所述公共直流母线的输出电压通过直流电压采集电路和DSP控制器相连；所述DSP控制器产生PWM触发脉冲，经缓冲驱动电路放大后去控制开关管的导通和关断。
[0012]上述的具有多目标负荷控制的变流装置，其中，所述DSP控制器检测到过压、过流或过载信号后发出封锁脉冲关断开关管。
[0013]本实用新型对比现有技术有如下的有益效果:本实用新型提供的具有多目标负荷控制的变流装置，通过在系统侧和负荷侧串/并联三相变流器分别进行电压和电流补偿，从而实现谐波消除、无功补偿和电压稳定的多目标负荷控制功能，有效改善电能质量，降低电网损耗。
【专利附图】

【附图说明】
[0014]图1为左串右并式变流器安装连接拓扑图；
[0015]图2为左并右串式变流器安装连接拓扑图；
[0016]图3为另一种两个串联变流器和无源滤波器安装连接拓扑图；
[0017]图4为本实用新型具有多目标负荷控制的变流装置的电路方框示意图；
[0018]图5为图4中二相变流器的电路连接不意图；
[0019]图6为本实用新型使用的控制具有多目标负荷控制的变流装置的DSP控制器的电路方框示意图。
[0020]图中:
[0021]I耦合变压器 2三相整流桥带阻感负载 3三相变流器
[0022]4LC无源滤波器 5公共直流母线及电容
【具体实施方式】[0023]下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的描述。
[0024]由于APF可以解决负荷的动态电流质量问题，DVR可以解决系统的动态电压质量问题，如果把APF和DVR组合起来，则可以构成同时补偿电压跌落、陡升、瞬时电压中断、三相不平衡补偿、电流谐波补偿和无功补偿等，保证负载端电压为标准等级和恒定频率的纯正弦波，保证电网侧电流为与电网电压同相位的纯正弦波。
[0025]根据电能质量补偿单元的安装位置和安装方式不同，一般有如下三种拓扑结构:
[0026]拓扑结构一为左串右并方式，如图1所示。采用该方式通常由一对串/并联变流器组成，共用一个直流储能环节。工作时，并联变流器接于负荷侧，主要用于补偿谐波和无功电流，同时维持两个变流器之间的直流电压恒定；串联变流器接于系统侧，具有维持连接点电压、补偿电压闪变和不对称的功能。
[0027]拓扑结构二为左并右串方式，如图2所示。从结构上看，除了有串/并联变流器外，在负荷侧还并接一个LC无源滤波器，而且并联变流器接于系统侧。从器件的功能上看，运行时串联变流器不仅对谐波起隔离作用，同时还肩负着阻值LC无源滤波器与系统阻抗之间可能产生的串/并联谐振。并联变流器仅用于维持两个电流器之间直流电源的电压值，使之在补偿过程中甚至在有大量有功流进或流出串联变流器时，直流电源电压保持恒定，这种结构所需的并联变流器容量很小。
[0028]拓扑结构三由两个小容量的串联变流器和一个无源滤波器构成，如图3所示，其中一个变流器与无源滤波器串联后并联在负荷侧，这种结构主要用于以5次和7次谐波为主的系统中。
[0029]本实用新型提供的具有多目标负荷控制的变流装置优选采用左串右并型拓扑结构，如图4所示，具体为三相三线制拓扑结构，由两个三相变流器3连接到公共直流母线及电容5 ;左侧串联部分的三相变流器3为电压补偿单元，是由三个桥臂6个开关管构成的逆变器，通过一个耦合变压器I串联到交流线路上，用于改善各种电压质量问题；右侧并联部分的三相变流器3为电流补偿单元，也是由三个桥臂6个开关管构成，通过电感连接到交流线路上，用于改善电流质量问题，此处的电感也可以直接作为LC电路中的电感L ;中间部分为直流母线及电容5，构成连接左右两电压型PWM变流器的直流环节，作为能量交换的介质。结构中，两端的LC电路构成无源滤波器，用于消除两个变流器输出的开关频率谐波。开关管可以选用IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型晶体管，IGBT是由BJT (双极型三极管)和MOS (绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
[0030]本实用新型提供的具有多目标负荷控制的变流装置，通过对接入点系统侧和负荷侧的电压电流采样，得到系统的运行状态，综合判断并融合后得到装置控制目标，实现对负荷的状态检测和多目标控制的目的，使得装置具有更佳的总体补偿效果、更快的动态响应速度、更大的扩展容量等优势。主电路中的串/并联变流器、滤波电路、串联侧变压器、并联侧连接电感及直流电容等。其参数选取是否得当，不仅决定了系统能否正常工作，而且影响补偿性能和整个装置的成本。具体参数可优选设定如下:工频50Hz，相电压有效值为220V ；负载功率为30kW，负载相电流基波有效值为50A，功率因数为0.866 ;直流侧电压为700V ；开关管频率为12.8K。
[0031]对于串联变流器和并联变流器，其功率变换单元的基本拓扑结构是完全相同的，如图5所示，所述三相变流器为三组桥臂六个开关管构成的逆变器，每组桥臂包括两个串联在一起的开关管，如SI和S4，S3和S6以及S5和S2，每组桥臂中间通过电感L和交流线路相连，所述电感L和并联在桥臂两端的电容C构成无源滤波器。
[0032]本实用新型提供的具有多目标负荷控制的变流装置，所述交流线路的输出电压通过三相交流电压采集电路和DSP控制器相连，所述公共直流母线的输出电压通过直流电压采集电路和DSP控制器相连；所述DSP控制器产生PWM触发脉冲，经缓冲驱动电路放大后去控制开关管的导通和关断。所述DSP控制器通过获取在线检测与管理模块及信号采集模块传送的启停、保护、电压、电流信号等产生并控制变流器器驱动开关器件的脉冲，使设备产生所需的电流及无功。主控芯片采用TI公司推出的TMS320F28335型数字信号处理器，它是一款TMS320C28X系列浮点DSP控制器，与以往的定点DSP相比，该器件的精度高，成本低，功耗小，性能高，外设集成度高，数据以及程序存储量大，A/D转换更精确快速等。
[0033]TMS320F28335具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，6个DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，有多达18路的PWM输出，其中有6路为TI特有的更高精度的PWM输出(HRPWM)，12位16通道ADC。得益于其浮点运算单元，用户可快速编写控制算法而无需在处理小数操作上耗费过多的时间和精力，从而简化软件开发，缩短开发周期，降低开发成本。
[0034]所述DSP控制器的电压电流采样及监控如下:
[0035]I)产生驱动IGBT脉冲:按计算结果和控制方式产生PWM出发脉冲，经缓冲驱动电路放大后去控制IGBT的导通和关断，使设备完成谐波治理及补偿无功功率的功能。
[0036]2)获得准确且稳定的电网同步信号:从电网的其中一相电压信号获取电网电信号，并经整形电路、锁相环电路得到同步的脉冲信号，使设备能过获得准确的O角度位置。
[0037]3)实时通信功能:通过CAN接口、232接口与外部设备连接，能够接收电流及无功的给定，并产生出给定的电流及无功功率，并传输工作状态。包括电流跟踪提供规定的超前或滞后无功电流、控制直流侧电容电压稳定在额定电压值。
[0038]4)保护功能:当设备运行在过压、过流、过载或其他不正常状态下，控制器应发出封锁脉冲封锁IGBT，使设备停止工作。
[0039]信号调理电路部分主要包括三相交流电压信号采集电路和直流电压信号采集电路。三相交流电压信号采集电路采用LEM公司的LV25-P传感器进行采样，根据其IOmA: 25mA的变比情况，考虑电压最大波动范围为±30%，取原边电阻为2个20ΚΩ/2Ι电阻串联，副边采样电阻为200 Ω /0.5W。采样信号经方向发大和加法电路调制到O?4V范围内，经滤波后送至A/D芯片。
[0040]直流电压信号采集电路采用LEM公司的LV25-P传感器进行采样，根据其IOmA: 25mA的变比情况，取原边电阻为4个20ΚΩ/2Ι电阻串联，副边采样电阻为200 Ω/0.5W。采样信号经方向发大和加法电路调制到O?4V范围内，经滤波后送至A/D芯片。
[0041]虽然本实用新型已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本实用新型，任何本领域技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本实用新型的保护范围当以权利要求书所界定的为准。
【权利要求】
1.一种具有多目标负荷控制的变流装置，其特征在于，包括两个三相变流器，其中，一个三相变流器通过耦合变压器串联到交流线路上作为电压补偿单元，另一个三相变流器通过电感连接到交流线路上作为电流补偿单元，所述两个三相变流器通过直流电容连接到公共直流母线上。
2.如权利要求1所述的具有多目标负荷控制的变流装置，其特征在于，所述三相变流器为三组桥臂六个开关管构成的逆变器，每组桥臂包括两个串联在一起的开关管，每组桥臂中间通过电感L和交流线路相连，所述电感L和并联在桥臂两端的电容C构成无源滤波器。
3.如权利要求2所述的具有多目标负荷控制的变流装置，其特征在于，所述交流线路的输出电压通过三相交流电压采集电路和DSP控制器相连，所述公共直流母线的输出电压通过直流电压采集电路和DSP控制器相连；所述DSP控制器产生PWM触发脉冲，经缓冲驱动电路放大后去控制开关管的导通和关断。
4.如权利要求3所述的具有多目标负荷控制的变流装置，其特征在于，所述DSP控制器检测到过压、过流或过载信号后发出封锁脉冲关断开关管。
【文档编号】H02J3/18GK203466566SQ201320122694
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年3月15日 优先权日:2013年3月15日
【发明者】王文斌, 陈家良, 邓孟华, 钱军, 严震平, 余涛, 刘议华 申请人:国家电网公司, 国网上海市电力公司, 上海储新电力科技有限公司