專利名稱：電網(wǎng)諧波與閃變綜合抑制裝置主電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
電網(wǎng)諧波與閃變綜合抑制裝置主電路技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種基于IGBT器件的新型電網(wǎng)諧波與閃變綜合抑制裝置的主電 路，屬于電能質(zhì)量方面諧波補(bǔ)償技術(shù)領(lǐng)域。背彔技術(shù)20世紀(jì)80年代以來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，非線性電力電子器件和裝 置在現(xiàn)代工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，同時(shí)，為了解決電力系統(tǒng)自身發(fā)展存在的問題， 直流輸電和FACTS技術(shù)不斷投入實(shí)際工程應(yīng)用，調(diào)速電機(jī)以及無功功率補(bǔ)償電容 器也大量投入運(yùn)營(yíng)。這些設(shè)備的運(yùn)行使得電網(wǎng)中電壓和電流波形畸變?cè)絹碓絿?yán) 重，諧波水平不斷上升。另外，沖擊性、波動(dòng)性負(fù)荷，例如電弧爐、大型軋鋼機(jī)、 電力機(jī)車等，運(yùn)行中不僅會(huì)產(chǎn)生大量的高次諧波，而且還會(huì)產(chǎn)生電壓波動(dòng)、閃變、 三相不平衡等電能質(zhì)量問題。但另一方面，隨著各種復(fù)雜的、精密的、對(duì)電能質(zhì) 量敏感的用電設(shè)備不斷普及，人們對(duì)電能質(zhì)量的要求越來越髙，因此電力系統(tǒng)必 須要能夠?qū)﹄娋W(wǎng)諧波與閃變進(jìn)行抑制。過去，國(guó)內(nèi)外大量使用無源濾波裝置 (Passive Filter)來解決諧波方面的問題。傳統(tǒng)的無源LC濾波器可以減少諧 波，改善交流負(fù)載的功率因數(shù)，但存在著明顯的不足與缺陷；設(shè)計(jì)的無源濾波器 通常選定特定頻率，只能濾除指定次諧波；存在與電網(wǎng)發(fā)生諧振的可能性對(duì)電 網(wǎng)阻抗和頻率變化也十分敏感。另外，也存在著體積大、損耗大等問題。由于無 源濾波具有以上缺點(diǎn)，隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，人們將濾波研究方向逐歩 轉(zhuǎn)向有源濾波。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展、控制水平的提髙，以及對(duì)電力電子裝置 研究的深入，提高電能質(zhì)量裝置的發(fā)展方向集中在控制靈活、性能優(yōu)異的電力電 子裝置上，本著節(jié)約資源和投資的原則，一機(jī)多能又成為電力電子裝置的未來發(fā) 展方向。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提出了一種可以基于IGBT器件對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)中的電網(wǎng)諧波和閃變進(jìn)
行綜合抑制的裝置主電路。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種電網(wǎng)諧波與閃變綜合抑制裝置主電路，包括電容C1以下稱第一電容、 第一電感L與開關(guān)電路及第二電感L與開關(guān)電路，第一和/或第二電感L與開關(guān) 電路包括四路由串聯(lián)的電感L與開關(guān)電路構(gòu)成的支路，在第一電感L與開關(guān)電路 與第一電容之間設(shè)有逆變電路，并且，逆變電路的sa、 sb、 sc、 sn交流輸入端 分別與四路第一電感L與開關(guān)電路支路的sa、 sb、 sc、 sn端連接，逆變電路的 直流端與第一電容的DC+、 DC—直流端連接在第二電感L與開關(guān)電路與第一電 容之間設(shè)有整流電路，并且，整流電路的直流端與與第一電容l一2的DC+、 DC 一直流端連接，整流電路的的la、 lb、 lc、 ln交流端分別與四路第二電感L與 開關(guān)電路支路的la、 lb、 lc、 ln端連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的主電路具有如下優(yōu)點(diǎn)(1) 不僅能補(bǔ)償各次諧波，還可抑制閃變，有一機(jī)多能的特點(diǎn)，在性價(jià)比 上較為合理(2) 濾波特性不受系統(tǒng)阻抗等的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn)；(3) 具有自適應(yīng)功能，可自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償變化著的諧波，即具有高度可控性 和快速響應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)。(4) 本裝置采用冗余對(duì)稱設(shè)計(jì)，逆變電路也可以實(shí)現(xiàn)整流功能，同時(shí)整流 電路也可以實(shí)現(xiàn)逆變功能。正常工作時(shí)分別進(jìn)行整流與逆變，當(dāng)某個(gè)部分發(fā)生故 障時(shí)可以將該部分電路停止，而采用其對(duì)稱部分同時(shí)進(jìn)行整流和逆變，以實(shí)現(xiàn)電 網(wǎng)諧波和閃變進(jìn)行綜合抑制，這樣可以大大提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。
圖1為基于IGBT器件對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)中的電網(wǎng)諧波和閃變進(jìn)行綜合抑制的裝 覽主電路的各部分連接示意圖，其中l(wèi)一l部分為逆變電路，l一2為直流側(cè)電容， 1—3部分為整流電路，1一4和1一5為投切開關(guān)與電感電路。圖2為基于IGBT器件對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)中的電網(wǎng)諧波和閃變進(jìn)行綜合抑制的裝置主電路的電路示意圖。圖3為系統(tǒng)的示意圖。其中1為系統(tǒng)的主電路部分，l一l部分為逆變電路，
1—2為直流側(cè)電容，l一3部分為整流電路，1—4和1—5為投切開關(guān)與電感。2 為系統(tǒng)的控制電路。3為交流電源系統(tǒng)，4為非線性負(fù)載，PT1、 PT2為電壓傳感 器，CT1、 CT2為電流傳感器。
具體實(shí)施方式
—種電網(wǎng)諧波與閃變綜合抑制裝置主電路，包括第一電容1一2、第一電感L 與開關(guān)電路及第二電感L與開關(guān)電路1一4、 l一5，第一和/或第二電感L與開關(guān) 電路包括四路由串聯(lián)的電感L與開關(guān)電路構(gòu)成的支路，在第一電感L與丌關(guān)電路 1一4與第一電容l一2之間設(shè)有逆變電路l一l，并且，逆變電路l一l的sa、 sb、 sc、 sn交流輸入端分別與四路第一電感L與開關(guān)電路l一4支路的sa、 sb、 sc、 sn端連接，逆變電路l一l的直流端與第一電容l一2的DC+、 DC—直流端連接； 在第二電感L與開關(guān)電路l一5與第一電容l一2之間設(shè)有整流電路l一3，并且， 整流電路l一3的直流端與與第一電容l一2的DC+、 DC—直流端連接，整流電路 的1—3的la、 lb、 lc、 ln交流端分別與四路第二電感L與開關(guān)電路l一5支路 的la、 lb、 lc、 ln端連接。上述逆變電路l一l包括4路橋臂，橋臂的兩端分別 相互連接且該兩端分別為逆變電路l一l的直流端，每路橋臂2個(gè)串聯(lián)的電力電 子開關(guān)組成，4路橋糖的中點(diǎn)分別為逆變電路l一l的sa、 sb、 sc、 sn交流輸入 端，上述電力電子開關(guān)由絕緣柵雙極晶體管及與絕緣柵雙極晶體管反相并聯(lián)的二 極管組成。上述整流電路1一3包括4路橋臂，橋臂的兩端分別相互連接且該兩 端分別為整流電路l一3的直流端，每路橋臂2個(gè)串聯(lián)的電力電子開關(guān)組成，4 路橋臂的中點(diǎn)分別為整流電路l一3的la、 lb、 lc、 ln交流端，上述電力電子開 關(guān)由絕緣柵雙極晶體管及與絕緣柵雙極晶體管反相并聯(lián)的二極管組成。主電路包括上述五個(gè)部分，其中交流電源的SA、 SB、 SC、 SN端連接到電感 L和開關(guān)電路l一4，經(jīng)過電感L和開關(guān)電路1一4，然后連接到逆變電路l一l的 sa、 sb、 sc、 sn交流輸入端，逆變電路的直流端連接到第一電容l一2的DC+、 DC—直流端，同時(shí)第一電容l一2的DC+、 DC—直流端也連接到整流電路1一3的 直流端，整流電路的l一3的交流端la、 lb、 lc、 ln連接到電感L和開關(guān)電路l一5，然后通過電感L和開關(guān)電路1-5連接到負(fù)載鯽的交流端LA、 LB、 LC、 LN。 主電路1在控制電路2的控制信號(hào)的控制下，通過整流電路l一3對(duì)電網(wǎng)的交流
電進(jìn)行整流，為第一電容1一2提供直流電壓，同時(shí)在控制信號(hào)的控制下通過逆 變電路l一l將直流電逆變成不同頻率的交流電，以抵消由于非線性負(fù)載4工作 時(shí)產(chǎn)生的電網(wǎng)諧波，并且可以補(bǔ)償負(fù)載的無功功率，從而調(diào)節(jié)功率因數(shù)并且抑制 電壓閃變。電壓傳感器PT1、 PT2和電流傳感器CT1、 CT2、 CT3檢測(cè)線路和第一 電容上的電壓、檢測(cè)整流1一3和逆變電路1一1四個(gè)橋臂、配電網(wǎng)絡(luò)上的電流， 并將檢測(cè)結(jié)果傳輸至控制電路2?？刂齐娐?得到來自傳感器的控制信號(hào)進(jìn)行判 斷、計(jì)算，釆用合適的檢測(cè)與控制算法對(duì)主電路l中的逆變電路l一l和整流電 路1一3進(jìn)行準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的控制，從而對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)中的電網(wǎng)諧波和閃變進(jìn)行綜 合抑制。裝覽開始工作時(shí)，先判斷整流部分和逆變部分電路的工作情況，如果兩部分 均IH常工作，則閉合投切開關(guān)SW2、 SW1，整流電路通過電感L5 L8與交流電路 相連在控制電路控制下進(jìn)行可控整流得到的直流電壓對(duì)第一電容進(jìn)行充電，為逆 變提供直流支撐，同時(shí)第一電容還起到濾除直流電壓的脈動(dòng)成分，在控制電路的 控制下，逆變電路將第一電容上直流電壓進(jìn)行逆變得到不同頻率的交流電壓，通 過電感L1 L4耦合至線路，從而提供負(fù)載的無功電流和抵消諧波。在該工作過 程中，逆變和整流電路中的二極管D1 D16起到保護(hù)絕緣柵雙極晶體管T1 T16 的作用。在系統(tǒng)工作時(shí)每隔一段時(shí)間對(duì)逆變電路和整流電路進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)其 中某個(gè)部分發(fā)生故障時(shí)，則關(guān)閉該部分電路，同時(shí)打開該部分的投切開關(guān)。此時(shí) 相對(duì)應(yīng)的另外一個(gè)部分則利用該部分主電路中的絕緣柵雙極晶體管和二極管同 時(shí)進(jìn)行整流和逆變的相應(yīng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)抑制電網(wǎng)諧波和閃變的功能。參照附圖，對(duì)主電路各部分作一詳細(xì)說明1、 網(wǎng)側(cè)濾波電感L1 L4:逆變電路采用通過電抗器接入的方式時(shí)，相當(dāng)于 將綜合抑制裝置的輸出電壓經(jīng)過電抗器并入系統(tǒng)，補(bǔ)償電流即為系統(tǒng)電壓和綜合 抑制裝置輸出電壓的差值通過電抗器時(shí)所產(chǎn)生的電流。電感是保證裝置正常運(yùn)行 的必要條件。電感值的大小對(duì)系統(tǒng)影響很大，選取適當(dāng)?shù)碾姼兄悼梢赃_(dá)到抑制高 次諧波的目的，但是如果過大將導(dǎo)致系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度變慢，而過小將導(dǎo)致裝 置在投入運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)電流不能得到有效抑制。經(jīng)過計(jì)算根據(jù)不同的場(chǎng)合選 擇L5 4mH， 25 100A的電感。2、 直流側(cè)濾波電容C1:電壓型逆變器的標(biāo)志。其作用是濾除直流電壓脈動(dòng)
成分，保證在TK常工作時(shí)其直流電壓維持不變，保證裝覽正常工作。直流側(cè)電容 容量C1在允許的范圍內(nèi)越大越好，Cl越大，抑制電容電壓波動(dòng)的能力越強(qiáng)。電 容的選擇還要考慮電容的耐壓?jiǎn)栴}，經(jīng)過計(jì)算選擇1200V、 4700nF的電容。3、 整流電路1一3:該部分電路由絕緣柵雙極晶體管T9 T16及與絕緣柵雙 極晶體管反相并聯(lián)的二極管D9 D16組成對(duì)該部分電路通過系統(tǒng)的控制電路部 分2采用脈寬調(diào)制(PWM， Pulse-Width Modulation)方法進(jìn)行控制，可以使得 各相輸入電流近似為正弦波且和系統(tǒng)的電壓相位相同，功率因數(shù)近似為1，通過 PWM整流電路為直流側(cè)濾波電容Cl提供一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓，為進(jìn)行諧波與閃 變的綜合抑制提供直流電壓支撐。4、 逆變電路l一l:該部分電路由絕緣柵雙極晶體管T1 T8及與絕緣柵雙 極晶體管反相并聯(lián)的二極管D1 D8組成；該部分電路在系統(tǒng)的控制電路部分2 的控制下，采用諧波與閃變綜合抑制控制策略，針對(duì)由于非線性負(fù)載的接入而引 入的諧波產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償電流與其進(jìn)行抵消，從而抑制了諧波。同時(shí)，該部分 電路亦能提供配電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)所需要的無功功率，通過補(bǔ)償無功功率起到了穩(wěn)定 配電系統(tǒng)的供電電壓的作用，從而可以抑制閃變的發(fā)生。事實(shí)上該部分逆變電路 和上述整流電路的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完全相同，并且逆變電路和上述整流電路都可以 在系統(tǒng)控制電路的控制下獨(dú)立地完成整流和逆變的相應(yīng)動(dòng)作，之所以采用兩個(gè)相 同的結(jié)構(gòu)主要原因有1)為了能夠?qū)χ绷鱾?cè)濾波第一電容兩端的電壓能夠進(jìn)行 準(zhǔn)確、及時(shí)的控制，提高控制精度，從而實(shí)現(xiàn)諧波和閃變抑制能力的優(yōu)化；2) 為了實(shí)現(xiàn)裝置的冗余運(yùn)行，逆變電路也可以實(shí)現(xiàn)整流功能，同時(shí)整流電路也可以 實(shí)現(xiàn)逆變功能。正常工作時(shí)分別進(jìn)行整流與逆變，當(dāng)某個(gè)部分發(fā)生故障時(shí)可以將 該部分電路停止，而采用其對(duì)稱部分同時(shí)進(jìn)行整流和逆變，以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)諧波和閃 變進(jìn)行綜合抑制，這樣可以大大提髙系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。5、 負(fù)載側(cè)濾波電感L5 L8及開關(guān)電路1一4、 l一5:整流電路采用通過電 抗器接入的方式，在整流電路工作時(shí)，由于開關(guān)器件絕緣柵雙極晶體管T9 T16 的動(dòng)作使得各相電流中含有頻率很髙的高次諧波。負(fù)載側(cè)濾波電感起到在整流電 路工作時(shí)濾除各相電流中的髙次諧波，這樣就可以使各相輸入電流的脈動(dòng)成分大 大減少。與網(wǎng)側(cè)濾波電感相同,負(fù)載側(cè)濾波電感的值也取為1.5 4mH， 25 1OOA。 為了控制本裝覽的使用，在主電路中設(shè)計(jì)有開關(guān)SW1和SW2。
權(quán)利要求1、 一種電網(wǎng)諧波與閃變綜合抑制裝覽主電路，包括第一電容(l一2)、第一 電感L與開關(guān)電路及第二電感L與開關(guān)電路(1一4、 1—5)，第一和/或第二電感 L與開關(guān)電路包括四路由串聯(lián)的電感L與開關(guān)電路構(gòu)成的支路，其特征在于在第 一電感L與開關(guān)電路(l一4)與第一電容(1—2)之間設(shè)有逆變電路(l一l), 并且，逆變電路(l一l)的sa、 sb、 sc、 sn交流輸入端分別與四路第一電感L 與開關(guān)電路(l一4)支路的sa、 sb、 sc、 sn端連接，逆變電路U — l)的直流 端與第一電容(l一2)的DC+、 DC—直流端連接；在第二電感L與開關(guān)電路(1 一5)與第一電容(l一2)之間設(shè)有整流電路(l一3)，并且，整流電路(l一3) 的直流端與與第一電容(1—2)的DC+、 DC—直流端連接，整流電路的(1—3) 的la、 lb、 lc、 ln交流端分別與四路第二電感L與開關(guān)電路(l一5)支路的la、 lb、 lc、 ln端連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電網(wǎng)諧波與閃變綜合抑制裝覽主電路，其特征在 于逆變電路(l一l)包括4路橋臂，橋臂的兩端分別相互連接且該兩端分別為逆 變電路(l一l)的直流端，每路橋臂2個(gè)串聯(lián)的電力電子開關(guān)組成，4路橋臂的 中點(diǎn)分別為逆變電路(l一l)的sa、 sb、 sc、 sn交流輸入端，上述電力電子開 關(guān)由絕緣柵雙極晶體管及與絕緣柵雙極晶體管反相并聯(lián)的二極管組成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電網(wǎng)諧波與閃變綜合抑制裝置主電路，其特 征在于整流電路(l一3)包括4路橋臂，橋臂的兩端分別相互連接且該兩端分別 為整流電路U—3)的直流端，每路橋臂2個(gè)串聯(lián)的電力電子開關(guān)組成，4路橋 臂的中點(diǎn)分別為整流電路(1—3)的la、 lb、 lc、 ln交流端，上述電力電子開 關(guān)由絕緣柵雙極晶體管及與絕緣柵雙極晶體管反相并聯(lián)的二極管組成。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種電網(wǎng)諧波與閃變綜合抑制裝置主電路，包括電容C1、第一電感L與開關(guān)電路及第二電感L與開關(guān)電路，第一和/或第二電感L與開關(guān)電路包括四路由串聯(lián)的電感L與開關(guān)電路構(gòu)成的支路，在第一電感L與開關(guān)電路與C1之間設(shè)有逆變電路，并且，逆變電路的sa、sb、sc、sn交流輸入端分別與四路第一電感L與開關(guān)電路支路的sa、sb、sc、sn端連接，逆變電路的直流端與第一電容的DC+、DC-直流端連接；在第二電感L與開關(guān)電路與第一電容之間設(shè)有整流電路，并且，整流電路的直流端與與C1的DC+、DC-直流端連接，整流電路的la、lb、lc、ln交流端分別與四路第二電感L與開關(guān)電路支路的la、lb、lc、ln端連接。
文檔編號(hào)H02J3/01GK201038767SQ20072003668
公開日2008年3月19日 申請(qǐng)日期2007年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月10日
發(fā)明者丁祖軍, 靜 康, 偉 曾, 軍 梅, 沈亞飛, 濤 袁, 鄭建勇, 娟 陳 申請(qǐng)人:東南大學(xué)