電容器組柔性投切方法及裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及電容器組柔性投切方法及裝置，所述方法包括如下步驟：1）將無功補償電容器組與三相電網(wǎng)通過一由若干變流子模塊組成的柔性投切開關連接，每個變流子模塊設有絕緣柵雙極型晶體管；2）柔性投切開關根據(jù)電網(wǎng)實際需要補償?shù)娜菪詿o功功率的大小，計算出需要的無功電流大小，將所述無功電流與實際的無功電流作差，得到裝置指令電流；3）每個變流子模塊通過控制絕緣柵雙極型晶體管的通斷，控制流入三相電網(wǎng)中的實際無功電流大小，改變無功補償電容器組兩端電壓，實現(xiàn)無功補償電容器組的柔性投切。有益效果為：實現(xiàn)無功電容器組的柔性投切，對電容器本身及電網(wǎng)接入點處的沖擊小，延長了設備的使用壽命，降低設備故障率。
【專利說明】
電容器組柔性投切方法及裝置
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于電能質量治理領域，尤其涉及一種電容器組柔性投切方法及裝置。
【背景技術】
[0002]并聯(lián)電容器作為無功功率補償裝置，因其結構簡單、成本低廉，在現(xiàn)行高、低壓系統(tǒng)中都得到了廣泛的應用，但從使用的情況來看，效果不夠理想，這是由于所并聯(lián)電容器有一定的容量，所能補償?shù)臒o功電流為某一定值時，很容易出現(xiàn)“過補”、“欠補”、“投切振蕩”和“諧波諧振”等問題，也有人提出用8: 4:2:1進行配置，雖然能解決一部分無功欠補或過補的問題，但本質上仍然不能做到對無功補償?shù)膶崟r無差跟蹤，尤其是對具有較大沖擊負荷(如電弧爐、沖擊焊接等)的工礦企業(yè)10 kV變電所問題更為明顯。同時，上述無功補償需求量較大的企業(yè)同時也存在諧波含量超標的問題，對電網(wǎng)各項電能質量指標造成較大干擾，如何解決諧波和無功補償?shù)膯栴}成了目前討論的重點。
【發(fā)明內容】
[0003]本發(fā)明目的在于克服以上現(xiàn)有技術之不足，提供一種結合有源濾波功能的電容器組柔性投切方法及裝置，其目的是改善電網(wǎng)或企業(yè)1KV變電站電容器組投切方式，實現(xiàn)無功補償容量的無極調節(jié)，減小投切過程的母線電壓波動，同時在網(wǎng)測諧波含量較高時兼具有源濾波的功能，提高了負載的功率因數(shù)，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。具體由以下技術方案實現(xiàn):
所述電容器組柔性投切方法，包括如下步驟:
1)將無功補償電容器組與三相電網(wǎng)通過一由若干變流子模塊組成的柔性投切開關連接，每個變流子模塊設有絕緣柵雙極型晶體管；
2)柔性投切開關根據(jù)電網(wǎng)實際需要補償?shù)娜菪詿o功功率的大小，計算出需要的無功電流大小，將所述無功電流與實際的無功電流作差，得到裝置指令電流；
3)每個變流子模塊根據(jù)所述裝置指令電流控制絕緣柵雙極型晶體管的通斷，控制流入三相電網(wǎng)中的實際無功電流大小，改變無功補償電容器組兩端電壓，實現(xiàn)無功補償電容器組的柔性投切。
[0004]所述的電容器組柔性投切方法的進一步設計在于，所述柔性投切開關采用三相級聯(lián)H橋拓撲結構，所述三相級聯(lián)H橋拓撲結構中的每相為所述變流子模塊相互串聯(lián)形成，并分別與所述三相電網(wǎng)中的一相連接。
[0005]所述的電容器組柔性投切方法的進一步設計在于，所述變流子模塊中的絕緣柵雙極型晶體管為四個分為兩組，每組的兩個絕緣柵雙極型晶體管串聯(lián)形成一個全控型開關器件，兩個所述全控型開關器件并聯(lián)之后再與一電容并接，每個絕緣柵雙極型晶體管反并聯(lián)一個二極管。
[0006]所述的電容器組柔性投切方法的進一步設計在于，在電容器組和柔性投切開關相連的三相線中兩相鄰相之間分別設置一個接觸器，當接觸器斷開時，實現(xiàn)無功電容器組的柔性投切;當接觸器閉合時，柔性投切開關實現(xiàn)有源濾波功能。
[0007]所述的電容器組柔性投切方法的進一步設計在于，所述變流子模塊通過調制信號控制絕緣柵雙極型晶體管的通斷，所述調制信號為PWM信號根據(jù)所述裝置指令電流通過PWM調制方法產(chǎn)生
如所述的電容器組柔性投切方法，提供一種結合有源濾波功能的電容器組柔性投切裝置，所述裝置與三相電網(wǎng)連接，包括電容器組、柔性投切開關，所述電容器組的每相通過所述柔性投切開關與三相電網(wǎng)連接，所述柔性投切開關包含有若干用于接收調制信號的變流子模塊，所述變流子模塊根據(jù)所述調制信號調整輸出端電壓。
[0008]所述的電容器組柔性投切裝置的進一步設計在于，所述電容器組為三相星形連接的電容器組。
[0009]所述的電容器組柔性投切裝置的進一步設計在于，所述柔性投切開關采用三相級聯(lián)H橋拓撲結構，所述三相級聯(lián)H橋拓撲結構中的每相由若干所述變流子模塊串聯(lián)而成，并分別與所述三相電網(wǎng)中的一相連接，所述柔性投切開關的三相出線分別對應地與電容器組的三相相連。
[0010]所述的電容器組柔性投切裝置的進一步設計在于，電容器組和柔性投切開關間的三相線分別為A相、B相以及C相，在A相和B相之間、B相和C相之間分別接有一個接觸器。
[0011]所述的電容器組柔性投切裝置的進一步設計在于，所述變流子模塊采用H橋拓撲結構，包括四個絕緣柵雙極型晶體管、四個二極管以及一個電容，兩個所述絕緣柵雙極型晶體管為一組串聯(lián)形成一個全控型開關器件，兩個所述全控型開關器件并聯(lián)之后再與所述電容并接，每個絕緣柵雙極型晶體管反并聯(lián)一個所述二極管。
[0012]所述的電容器組柔性投切裝置的進一步設計在于，還包括調制控制模塊，所述調制控制根據(jù)PWM調制方法控制產(chǎn)生所述調制信號，并生成用于控制接觸器開合的控制信號。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)點如下:
本發(fā)明的結合有源濾波功能的電容器組柔性投切方法及裝置可實現(xiàn)無功電容器組的柔性投切，對電容器本身及電網(wǎng)接入點處的沖擊小，延長了設備的使用壽命，降低設備故障率。
[0014]更為優(yōu)選地，較之傳統(tǒng)的晶閘管投切電容器裝置，H橋級聯(lián)柔性開關型無功補償電容器用高集成度的功率開關模塊代替大容量機械開關，可極大地減小設備整體體積和占地面積，從而降低設計及生產(chǎn)成本。
[0015]更為優(yōu)選地，通過在電容器與柔性投切開關間添設接觸器，使得該裝置在接觸器導通時實現(xiàn)無功補償功能，兼具了目前SVG動態(tài)響應快、無功可無級調節(jié)及傳統(tǒng)無功補償電容器組工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。在實現(xiàn)有源濾波功能時，整體性能指標能夠超過傳統(tǒng)整流橋拓撲結構的APF有源濾波器。整個裝置為級聯(lián)多電平拓撲結構，其交流輸出電壓諧波含量低，保證了整個無功補償回路的電流諧波畸變率較低，工作時噪音小。相比于傳統(tǒng)的無功補償裝置，補償容量較大時它的成本更低，工程人員在現(xiàn)場安裝也更加方便。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明結合有源濾波功能的電容器組柔性投切裝置結構示意圖。
[0017]圖2為本發(fā)明中柔性投切開關結構示意圖。
[0018]圖3為本發(fā)明中柔性投切開關的變流子模塊結構示意圖。
[0019]圖中:1.柔性投切開關，2電抗器，3.三相電網(wǎng)，4.電容器組，5.軟啟動開關，6.電網(wǎng)負載，7.變流子模塊，8.接觸器，9.絕緣柵雙極型晶體管，10.電容器，11.二極管。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案進行詳細說明:
本實施例的結合有源濾波功能的電容器組柔性投切方法，包括如下步驟:I)將無功補償電容器組與三相電網(wǎng)通過一由若干變流子模塊組成的柔性投切開關連接，每個變流子模塊設有絕緣柵雙極型晶體管。2)柔性投切開關根據(jù)電網(wǎng)實際需要補償?shù)娜菪詿o功功率的大小，計算出需要的無功電流大小，將無功電流與實際的無功電流作差，得到裝置指令電流。
3)每個變流子模塊根據(jù)所述裝置指令電流控制絕緣柵雙極型晶體管的通斷，控制流入三相電網(wǎng)中的實際無功電流大小，改變無功補償電容器組兩端電壓，實現(xiàn)無功補償電容器組的柔性投切。
[0021]進一步地，柔性投切開關采用三相級聯(lián)H橋拓撲結構，三相級聯(lián)H橋拓撲結構中的每相為變流子模塊相互串聯(lián)形成，并分別與三相電網(wǎng)中的一相連接。
[0022]變流子模塊采用H橋拓撲結構，變流子模塊中的絕緣柵雙極型晶體管為四個分為兩組，每組的兩個絕緣柵雙極型晶體管串聯(lián)形成一個全控型開關器件。兩個全控型開關器件并聯(lián)之后再與一電容并接，每個絕緣柵雙極型晶體管反并聯(lián)一個二極管。
[0023]在電容器組和柔性投切開關相連的三相線中兩相鄰相之間分別設置一個接觸器，當接觸器斷開時，實現(xiàn)無功電容器組的柔性投切。當接觸器閉合時，柔性投切開關實現(xiàn)有源濾波功能。在實現(xiàn)有源濾波功能時，整體性能指標能夠超過傳統(tǒng)整流橋拓撲結構的APF有源濾波器。整個裝置為級聯(lián)多電平拓撲結構，其交流輸出電壓諧波含量低，保證了整個無功補償回路的電流諧波畸變率較低，工作時噪音小。
[0024]變流子模塊通過調制信號控制絕緣柵雙極型晶體管的通斷，調制信號為PWM信號根據(jù)裝置指令電流通過PWM調制方法產(chǎn)生。
[0025]根據(jù)上述方法提供一種結合有源濾波功能的電容器組柔性投切裝置，如圖1，該裝置主要由柔性投切開關1、電抗器2、軟啟動開關5、調制控制模塊和電容器組4組成。三相電網(wǎng)3連接電網(wǎng)負載6，柔性投切開關I通過三相進線與三相電網(wǎng)3相連，在電容器組4和柔性投切開關I相連的三相線A相和B相之間、B相和C相之間分別接有一個接觸器8，由調制控制模塊給出的接觸器控制信號控制接觸器通斷，以實現(xiàn)電容器組柔性投切工作模式和多電平級聯(lián)開關有源濾波工作模式的切換。電容器組4中為三個星形連接的電容器，柔性投切開關I的三相出線分別與三個電容器相連。在本實施例中，電容器組4中每組的電容器為I個，但本發(fā)明并不止于此，電容器組4中每組電容器的數(shù)量可根據(jù)電容器組4單組容量大小確定。三相電網(wǎng)3的每一相分別依次連接有軟啟動開關5和電抗器2，電抗器2再與柔性投切開關I相連。其中，軟啟動開關5用于減小裝置啟動時的電流突變，為電阻串聯(lián)繼電器再與繼電器并聯(lián)而成。在接收到啟動指令后，裝置啟動瞬間，軟啟動開關5連通電阻，限制啟動電流的大?。划斶_到一定時間后，連通與電阻并聯(lián)的一繼電器，將此電阻旁路，以實現(xiàn)平滑啟動，降低啟動電流，避免啟動過流跳閘，起到保護裝置電路的作用。電抗器是一電感元件，用于減小輸出電壓的毛刺，起到濾波的作用。
[0026]如圖2，本實施例的柔性投切開關I采用三相H橋級聯(lián)橋拓撲結構，三相級聯(lián)H橋拓撲結構中的每相為三個變流子模塊7相互串聯(lián)形成，之后每相分別通過電抗器2與三相電網(wǎng)3中的一相連接。
[0027]如圖3，柔性投切開關I中的變流子模塊7為H橋拓撲結構，由兩組全控型開關器件絕緣柵雙極型晶體管并聯(lián)之后再與電容器9并聯(lián)組成。每組全控型開關器件絕緣柵雙極型晶體管由兩個全控型開關器件絕緣柵雙極型晶體管8串聯(lián)形成。
[0028]絕緣柵雙極型晶體管8的基極經(jīng)驅動電路與調制控制模塊連接(圖中未示出)，控制模塊調制電流產(chǎn)生開關控制信號。開關控制信號為調制后的經(jīng)過驅動電路驅動的信號，實現(xiàn)開關器件的通斷。驅動電路的作用是改變控制模塊輸出的控制信號的電壓電流水平，使其達到控制IGBT的要求。在正常工作狀態(tài)下，變流子模塊7之間保持有一個相對不變的正向電壓(正向電壓由電容器9維持，防止變流子模塊7直流側電壓出現(xiàn)較大波動，影響變流子模塊7交流側電壓輸出性能)。當變流子模塊7正向導通時，電流流經(jīng)變流子模塊7的H橋拓撲結構中左上角與右下角的絕緣柵雙極型晶體管8;反向導通時，電流流經(jīng)變流子模塊7的H橋拓撲結構中左下角與右上角的絕緣柵雙極型晶體管8。以正向導通變換為反向導通的電流流向變換的瞬間為例，此時左下角與右上角的絕緣柵雙極型晶體管8還沒有正常工作，電流流向不可能瞬間反相，這時需要左下角與右上角的絕緣柵雙極型晶體管8反并聯(lián)的二極管10提供正向殘余電流的導通回路，起續(xù)流作用。當正向電流為零，左下角與右上角的絕緣柵雙極型晶體管8達到導通條件后，此時形成反相電流回路;此時所有二極管承受的均為反相電壓，不會導通。
[0029]基于H橋級聯(lián)的電容器組柔性投切開關I，運用H橋(HBridge)模塊化多電平變流技術。當接觸器8關斷，相當于在普通電容器組4與電網(wǎng)之間串聯(lián)H橋級聯(lián)柔性開關，此時裝置工作在無功補償模式下。通過改變該H橋級聯(lián)的柔性投切開關I的輸出電壓大小，來改變無功補償電容器組兩端電壓大小，而電容器的容抗大小僅與電網(wǎng)角頻率相關，不會跟隨接入端的電壓變化，因此電容器組的輸出無功電流大小便可實現(xiàn)無級調節(jié)，即實現(xiàn)了無功補償電容器組的柔性投切。所以，將H橋級聯(lián)并加以HVM控制，可實現(xiàn)控制級聯(lián)H橋結構輸出的電壓大小和波形。
[0030]當H橋級聯(lián)的柔性投切開關I兩端電壓減小時，普通電容器組4兩端電壓增大，其無功電流也相應增大，相當于電容器組4投入運行；當H橋級聯(lián)的柔性投切開關I兩端電壓增大時，普通電容器組4兩端電壓減小，其無功電流也相應減小，相當于電容器組4退出運行。因此可知，通過H橋級聯(lián)柔性開關I電路輸出電壓的無極柔性調節(jié)，可間接控制無功補償電容器組4兩端的電壓，從而實現(xiàn)電容電流大小可控，即實現(xiàn)了無功補償電容器組的柔性投切功會K。
[0031]H橋級聯(lián)的柔性投切開關I的控制模塊根據(jù)電網(wǎng)實際需要補償?shù)娜菪詿o功功率的大小，計算出需要的無功電流大小，將此電流與實際的無功電流(即流過本裝置的電流)作差，得到裝置指令電流，利用PWM調制方法產(chǎn)生PffM波，該PWM波控制每個變流子模塊7中絕緣柵雙極型晶體管8的通斷，來控制流入電網(wǎng)中的實際無功電流大小，進而改變該柔性投切開關在整個電路中的分壓，達到改變無功補償電容器組兩端電壓的目的，最終實現(xiàn)無功補償電容器組的柔性投切。在本發(fā)明中，對電流的調制可以但不局限于PWM調制方法。
[0032]當接觸器8導通，相當于在普通電容器組4在整個主電路中被旁路掉，此時H橋級聯(lián)的柔性投切開關I三相出線端被短路在一起構成星形連接電路。這時，H橋級聯(lián)的柔性投切開關I連同控制模塊和與之串聯(lián)的電感2、軟啟動裝置5—同構成多電平有源濾波器。H橋級聯(lián)的柔性投切開關I的控制模塊根據(jù)電網(wǎng)以需要補償?shù)闹C波電流的大小為指令電流，利用PffM調制方法產(chǎn)生PWM波，該PffM波控制每個變流子模塊7中絕緣柵雙極型晶體管8的通斷，來控制流入電網(wǎng)中的諧波補償電流大小，進而抵消電網(wǎng)負載測產(chǎn)生的諧波電流，達到改善電網(wǎng)電壓因諧波含量超標而畸變的目的。本發(fā)明中，可通過控制電路控制指令的改寫，使柔性投切開關的帶載能力完全用來進行諧波的補償，相比傳統(tǒng)有源濾波裝置擁有更大的補償能力。在本發(fā)明中，對電流的調制可以但不局限于PWM調制方法。
[0033]本發(fā)明的電容器組柔性投切裝置能夠適用于大部分的傳統(tǒng)電容器組改造及新建變電站的無功補償及有源濾波解決方案，對電網(wǎng)的電能質量要求比較高的地區(qū)，該電容器組柔性投切裝置比較明顯，解決了常見的普通電容器組帶來的電壓波動及功率因數(shù)偏低等問題，提高了電網(wǎng)的功率因數(shù)，改善電網(wǎng)污染，保證了電能的質量。同時對整個柔性投切裝置進行模塊化制作和調試，可根據(jù)變電站的實際電容器容量和無功需求進行調整和擴充，在不替換傳統(tǒng)電容器的情況下，極大地縮短了電容器組改造的時間，降低了造價和空間成本。從原理角度出發(fā)，與其他投切方式不同的是，柔性投切裝置兩端的電壓與輸出無功功率的大小成反比，柔性投切裝置各器件所需的耐壓值更低，成本更少。相比于傳統(tǒng)投切方式，模塊化的柔性投切裝置所需空間更小，可整合至一個開關柜內。由于該柔性投切裝置整合了有源濾波功能，這為一些以前不具備諧波治理條件和設備、同時又有電容器組投切方式改造需求的場所提供了一種新的思路和選擇。
[0034]本發(fā)明中所述具體實施案例僅為本發(fā)明的較佳實施案例而已，并非用來限定本發(fā)明的實施范圍。即凡依本發(fā)明申請專利范圍的內容所作的等效變化與修飾，都應作為本發(fā)明的技術范疇。
【主權項】
1.一種電容器組柔性投切方法，其特征在于包括如下步驟: 1)將無功補償電容器組與三相電網(wǎng)通過一由若干變流子模塊組成的柔性投切開關連接，每個變流子模塊設有絕緣柵雙極型晶體管； 2)柔性投切開關根據(jù)電網(wǎng)實際需要補償?shù)娜菪詿o功功率的大小，計算出需要的無功電流大小，將所述無功電流與實際的無功電流作差，得到裝置指令電流； 3)每個變流子模塊根據(jù)所述裝置指令電流控制絕緣柵雙極型晶體管的通斷，控制流入三相電網(wǎng)中的實際無功電流大小，改變無功補償電容器組兩端電壓，實現(xiàn)無功補償電容器組的柔性投切； 所述柔性投切開關采用三相級聯(lián)H橋拓撲結構，所述三相級聯(lián)H橋拓撲結構中的每相為所述變流子模塊相互串聯(lián)形成，并分別與所述三相電網(wǎng)中的一相連接。2.根據(jù)權利要求1所述的電容器組柔性投切方法，其特征在于所述變流子模塊采用H橋拓撲結構，變流子模塊中的絕緣柵雙極型晶體管為四個分為兩組，每組的兩個絕緣柵雙極型晶體管串聯(lián)形成一個全控型開關器件，兩個所述全控型開關器件并聯(lián)之后再與一電容并接，每個絕緣柵雙極型晶體管反并聯(lián)一個二極管。3.根據(jù)權利要求1所述的電容器組柔性投切方法，其特征在于在電容器組和柔性投切開關相連的三相線中兩相鄰相之間分別設置一個接觸器，當接觸器斷開時，實現(xiàn)無功電容器組的柔性投切;當接觸器閉合時，柔性投切開關實現(xiàn)有源濾波功能。4.根據(jù)權利要求1所述的結合有源濾波功能的電容器組柔性投切方法，其特征在于所述變流子模塊通過調制信號控制絕緣柵雙極型晶體管的通斷，所述調制信號為PWM信號根據(jù)所述裝置指令電流通過PWM調制方法產(chǎn)生。5.如權利要求1-4任一項所述的電容器組柔性投切方法的結合有源濾波功能的電容器組柔性投切裝置，所述裝置與三相電網(wǎng)連接，其特征在于，包括電容器組、柔性投切開關，所述電容器組的每相通過所述柔性投切開關與三相電網(wǎng)連接，所述柔性投切開關包含有若干用于接收調制信號的變流子模塊，所述變流子模塊根據(jù)所述調制信號調整輸出端電壓。6.根據(jù)權利要求5所述的電容器組柔性投切裝置，其特征在于，所述電容器組為三相星形連接的電容器組。7.根據(jù)權利要求6所述的電容器組柔性投切裝置，其特征在于，所述柔性投切開關采用三相級聯(lián)H橋拓撲結構，所述三相級聯(lián)H橋拓撲結構中的每相由若干所述變流子模塊串聯(lián)而成，并分別與所述三相電網(wǎng)中的一相連接，所述柔性投切開關的三相出線分別對應地與電容器組的三相相連。8.根據(jù)權利要求7所述的電容器組柔性投切裝置，其特征在于，電容器組和柔性投切開關間的三相線分別為A相、B相以及C相，在A相和B相之間、B相和C相之間分別接有一個接觸器。9.根據(jù)權利要求8所述的電容器組柔性投切裝置，其特征在于，所述變流子模塊采用H橋拓撲結構，包括四個絕緣柵雙極型晶體管、四個二極管以及一個電容，兩個所述絕緣柵雙極型晶體管為一組串聯(lián)形成一個全控型開關器件，兩個所述全控型開關器件并聯(lián)之后再與所述電容并接，每個絕緣柵雙極型晶體管反并聯(lián)一個所述二極管。10.根據(jù)權利要求9所述的電容器組柔性投切裝置，其特征在于，還包括調制控制模塊，所述調制控制根據(jù)PWM調制方法控制產(chǎn)生所述調制信號，并生成用于控制接觸器開合的控制信號。
【文檔編號】H02J3/18GK105826928SQ201610247515
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年4月20日
【發(fā)明人】王球, 周洪偉, 王菲, 杜漸, 王寶安, 陳維舟
【申請人】江蘇省電力公司電力經(jīng)濟技術研究院, 江蘇省電力公司, 南京電力工程設計有限公司, 國家電網(wǎng)公司