一种新型35kV直挂静止无功发生器的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种新型35kV直挂静止无功发生器，包括控制柜和依次连接的功率柜、充电柜、连接电抗器，所述控制柜由工控机、主控机箱、相控机箱和UPS电源组成，所述功率柜由功率模块、光纤及散热风机组成，其包含三相，每相由多个串联的H桥功率模块组成，控制柜的相控部分与功率柜的每个H桥功率模块之间采用光纤通信技术连接；主电路采用三相星形与电网连接，连接电抗器和并网断路器串联直接接入35kV电压等级电网。与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：可以与35kV电压等级电网直接相连，不需要升压变压器；动态快速连续调节无功输出，最大限度满足功率因数补偿要求；具有独立的链式H桥，每个H桥单元结构相同，易于实现电路的模块化设计和封装。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种应用于电力系统中的电能质量控制装置，尤其涉及一种新型 35kV直挂静止无功发生器，可广泛应用于各类输配电系统。 一种新型35kV直挂静止无功发生器
【背景技术】
[0002] 随着国民经济和工业生产的发展，对于电能质量的要求也愈加严格，如何提高 电力系统的可靠性、可控性、快速性等问题得到了人们广泛的关注。静止无功发生器 (StaticVarGenerator，SVG)的出现和应用很好的应对了以上这些突出问题，其快速可控的 无功补偿能力在稳定系统电压、提高功率因数以及增加传送容量等方面发挥着日益重要的 作用，代表了无功补偿技术和设备的发展方向。目前国内35kV SVG的研究和实际应用尚比 较少，随着大容量电力电子器件的发展和成本的不断降低，35kV SVG拥有广阔的发展前景。
[0003] 由于大量的感性负载进入电网，使得电网中存在无功功率，对电网也会带来不利 的影响，主要表现在以下方面：
[0004] (1)无功功率的增加，导致电流的增大和视在功率的增加，从而使发电机、变压器、 起动及控制设备和导线等电气设备容量的增加。
[0005] (2)供电设备及线路损耗增加。
[0006] (3)变压器及线路的电压降增大，使供电网电压产生波动。在电网中，有功功率的 波动一般对电网电压的影响较小，电网电压的波动主要是无功功率的波动引起的。如果是 冲击性无功功率负载，还会使电网产生剧烈的波动，甚至发生事故。
[0007] (4)无功功率可引起功率因数下降，使得供电效率降低，电网损耗增加，即造成了 供电部门的经济损失，也使得用户的电费（包括供电部门的罚款）增加很多。
[0008] 理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。谐 波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，在电力 电子设备广泛应用之前，人们对谐波及其危害就进行过一些研究，并有一定认识，但那时谐 波污染还没有引起足够的重视。近三四十年来，各种电力电子装置的迅速发展使得公用电 网的谐波污染日趋严重，由于谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波污染危害的严 重性才引起人们的高度的关注。谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面：
[0009] (1)谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设 备的效率，大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。
[0010] (2)谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还 会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、 绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。
[0011] (3)谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使 上述的危害大大增加，甚至引起严重事故。
[0012] (4)谐波会导致继电器保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准 确。
[0013] (5)谐波会对邻近的通讯系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通讯质量；重者导致 信号丢失，使通讯系统无法正常工作。
[0014] 目前通常采用并联型无源滤波器、静止型动态无功补偿SVC装置来抑制谐波、补 偿无功，但存在响应时间长，滤波能力差、电能损耗大、容易与电网系统发生谐振、占地面积 大等关键性缺陷。随着大功率电力电子技术的发展，静止无功发生器也逐步进入实用阶段， 但是对于35kV电压等级的电力系统来说，目前静止无功发生器只能通过升压变压器来接 入电网，这样增加了设备的成本及占地面积，也极大的增加了设备的整体损耗。
【发明内容】
[0015] 本实用新型克服现有技术的不足，提供了一种新型35kV直挂静止无功发生器，可 以与 35kV电压等级电网直接相连，且其具有独立的链式Η桥，每个Η桥单元结构相同、所用 元件数少，易于实现电路的模块化设计和封装。
[0016] 为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案实现：
[0017] 一种新型35kV直挂静止无功发生器，包括控制柜和依次连接的功率柜、充电柜、 连接电抗器，所述控制柜由工控机、主控机箱、相控机箱和UPS电源组成，主控部分采用6U 的控制机箱结构，主控芯片为双TI DSP+Xilinx FPGA;相控部分采用6U的控制机箱结构， 相控芯片为TI DSP+Xilinx FPGA;所述功率柜由功率模块、光纤及散热风机组成，其包含三 相，每相由多个串联的Η桥功率模块组成，控制柜的相控部分与功率柜的每个Η桥功率模块 之间采用光纤通信技术连接；主电路采用三相星形与电网连接，并且中性点不接地，连接电 抗器和并网断路器串联直接接入35kV电压等级电网。
[0018] 所述充电柜由并联的充电电阻和旁路断路器组成。
[0019] 所述Η桥功率模块由4个IGBT组成，IGBT模块采用1700VDC，每个Η桥式电路的 直流母线上并联有电阻构成均压电路。
[0020] 所述控制柜主控部分外围电路主要包括数字量输出/输入电路、模拟信号调理电 路、硬件保护电路、以太网通讯电路及主控部分与相控部分通信电路等；相控部分外围电路 主要包括光纤输出/输入电路及相控部分与主控部分通信电路等；硬件均压采用桥式电路 与电阻并联构成的均压电路、直流电压均压控制算法、脉冲变换及快速闭环跟踪电压控制 技术实现多个Η桥功率模块的电压均压控制。
[0021] 与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
[0022] 1)可动态快速连续调节无功输出，最大限度满足功率因数补偿要求，可保证任意 时刻的功率因数大于0.98 ;
[0023] 2)可以与35kV电压等级电网直接相连，不需要升压变压器；
[0024] 3)可以实现恒定母线电压、恒无功、恒功率因数控制模式；
[0025] 4)硬件均压结构采用桥式电路与电阻并联组成的均压电路，结合直流电压均压控 制算法，实现链式结构中各功率模块的母线电压相等；
[0026] 5)输出无功补偿电流不受母线电压跌落的影响，且具备电流过载能力，短时输出 电流可大于额定电流；
[0027] 6)由于不需要升压变压器，损耗主要来自于连接电抗器和IGBT，运行损耗低，整 套设备运行损耗不到0.5% ;
[0028] 7)采用双数字信号处理器（DSP)和现场可编程门阵列（FPGA)，具备标准通讯接口 (RS232/485或者以太网），可选择Modbus或TCP/IP协议进行通讯，上传数据和接受指令， 实现遥控功能。
【专利附图】
【附图说明】
[0029] 图1是控制柜的结构示意图。
[0030] 图2是功率柜的结构示意图。
[0031] 图3是Η桥功率模块的电路原理图。
[0032] 图4是充电柜的结构示意图。
[0033] 图5是系统原理图。
[0034] 图中：1.主控柜11.主控机箱12.相控机箱13.工控机2.功率柜21.散 热风机22.功率模块23.光纤3.充电柜31.充电电阻32.旁路断路器4.电流霍 尔互感器
【具体实施方式】
[0035] 下面结合附图对本实用新型的【具体实施方式】作进一步说明：
[0036] 本实用新型一种新型35kV直挂静止无功发生器，包括控制柜和依次连接的功率 柜、充电柜、连接电抗器；
[0037] 见图1，是控制柜的结构示意图。所述控制柜由工控机、主控机箱、相控机箱和UPS 电源组成，主控部分采用6U的控制机箱结构，主控芯片为双ΤΙ DSP+Xilinx FPGA，两者配合 完成无功控制算法与直流电压均压控制算法；相控部分采用6U的控制机箱结构，相控芯片 为TI DSP+Xilinx FPGA，两者配合完成PWM控制算法及模块运行信息处理等功能；
[0038] 所述控制柜主控部分外围电路主要包括数字量输出/输入电路、模拟信号调理电 路、硬件保护电路、以太网通讯电路及主控部分与相控部分通信电路等；相控部分外围电路 主要包括光纤输出/输入电路及相控部分与主控部分通信电路等；硬件均压采用桥式电路 与电阻并联构成的均压电路、直流电压均压控制算法、脉冲变换及快速闭环跟踪电压控制 技术实现多个Η桥功率模块的电压均压控制。
[0039] 见图2,是功率柜的结构示意图。功率柜由功率模块、光纤及散热风机组成；其包 含三相，每相由多个串联的Η桥功率模块组成，控制柜的相控部分与功率柜的每个Η桥功率 模块之间采用光纤通信技术连接；
[0040] 见图3,是功率模块的电路原理图。所述Η桥功率模块由4个IGBT组成，IGBT模 块采用1700VDC，每个Η桥式电路的直流母线上并联有电阻构成均压电路。图中R为功率模 块的均压电阻，C为母线电容。
[0041] 来自控制柜的PWM脉冲通过光纤控制IGBT的通断，将直流电容两端的直流电压逆 变成交流电压，并通过IGBT的导通与关断控制该交流电压的频率、幅值和相位，从而产生 电流，并经过电抗器L将该电流注入系统，实现整个装置输出无功调节。
[0042] 功率模块内部主要由功率模块控制板、IGBT模块、薄膜电容、吸收电容、型材散热 器等。功率模块控制板采用大规模FPGA芯片完成所有的逻辑和通讯处理，智能化的设计使 得硬件设计简单，软件设计灵活，便于以后的功能修改和升级，而且可靠性高，受功率器件 的干扰小。功率模块控制板检测的直流电压状况通过通讯功能上传到控制器系统。
[0043] IGBT模块将用于完成将直流电转换为交流电通过电抗器将电流注入系统。
[0044] 薄膜电容为功率模块直流侧提供直流电压支撑，为了限制电路电压上升率过大， 在IGBT模块两端并联吸收电容，确保IGBT的安全运行。
[0045] 吸收电容主要吸收IGBT关断浪涌电压和续流二极管反向恢复浪涌电压。
[0046] 型材散热器确保了工作中IGBT的热量能及时散发出去，保证了 IGBT的工作可靠 性。
[0047] 光纤用于将低压部分和高压部分完全可靠隔离，电磁兼容性强，保证系统具有极 高的应用安全性，完美的、优良的运行可靠性。
[0048] 散热风机用于将功率模块工作时所产生的热量排至室外，防止装置由于温度高而 发生故障。
[0049] 功率柜共包含三相，作为一个实施例，功率柜的三相每相包括42个功率模块，42 个功率模块分别安装在5个功率柜中，每个功率柜顶端安装有散热风机。图2为其中一个 功率柜的结构示意图，功率柜内包含9个功率模块。
[0050] 见图4,是充电柜的结构示意图。所述充电柜由并联的充电电阻和旁路断路器组 成，并设电流霍尔互感器4,充电电阻与充电回路串联，能够限制上电时直流电容的充电涌 流，避免IGBT模块和直流电容损坏；电流霍尔互感器4用于取得装置的发出电流，并回报给 控制柜。
[0051] 见图5,是系统原理图。本实用新型的主电路采用三相星形与电网连接，并且中性 点不接地，连接电抗器和并网断路器串联直接接入35kV电压等级电网。各相均由多个Η桥 功率模块串联组成，对应前述实施例，图中Α1到Α42为Α相的功率模块，其连接方式为串 联。R A、RB、R。为充电电阻，Qh为充电电阻的旁路断路器，L为连接电抗器，QF2为并网断路 器。
[0052] 本实用新型一种新型35kV直挂静止无功发生器，无需通过升压变压器就可以将 自换相桥式电路通过电抗器并联在电网上，其工作原理是：
[0053] 通过全控型开关器件，采用PWM控制适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值 和相位，或者直接控制其交流侧电流，使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动 态无功补偿的目的。
【权利要求】
1. 一种新型35kV直挂静止无功发生器，包括控制柜和依次连接的功率柜、充电柜、连 接电抗器，其特征在于，所述控制柜由工控机、主控机箱、相控机箱和UPS电源组成，主控部 分采用6U的控制机箱结构，主控芯片为双TIDSP+Xilinx FPGA ;相控部分采用6U的控制机 箱结构，相控芯片为TI DSP+Xilinx FPGA;所述功率柜由功率模块、光纤及散热风机组成， 其包含三相，每相由多个串联的Η桥功率模块组成，控制柜的相控部分与功率柜的每个Η桥 功率模块之间采用光纤通信技术连接；主电路采用三相星形与电网连接，并且中性点不接 地，连接电抗器和并网断路器串联直接接入35kV电压等级电网。
2. 根据权利要求1所述的一种新型35kV直挂静止无功发生器，其特征在于，所述充电 柜由并联的充电电阻和旁路断路器组成。
3. 根据权利要求1所述的一种新型35kV直挂静止无功发生器，其特征在于，所述Η桥 功率模块由4个IGBT组成，IGBT模块采用1700VDC，每个Η桥式电路的直流母线上并联有 电阻构成均压电路。
4. 根据权利要求1所述的一种新型35kV直挂静止无功发生器，其特征在于，所述控制 柜主控部分外围电路主要包括数字量输出/输入电路、模拟信号调理电路、硬件保护电路、 以太网通讯电路及主控部分与相控部分通信电路等；相控部分外围电路主要包括光纤输出 /输入电路及相控部分与主控部分通信电路等；硬件均压采用桥式电路与电阻并联构成的 均压电路、直流电压均压控制算法、脉冲变换及快速闭环跟踪电压控制技术实现多个Η桥 功率模块的电压均压控制。
【文档编号】H02J3/18GK203911490SQ201420301054
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年6月6日 优先权日:2014年6月6日
【发明者】张玉良, 柳杨, 孙国荣, 张津铭, 李雨林, 董冯羽, 李檀, 徐维东, 张三勇, 关微, 朱丹, 陈明非, 张瑞, 郭洪月, 吕海燕, 郭春祥 申请人:辽宁立德电力电子股份有限公司