专利名称：基于链式逆变器的无功发生装置的直流电压平衡电路的制作方法
技术领域：
基于链式逆变器的无功发生装置的直流电压平衡电路，属于电气自动化设备技术领域。
背景技术：
传统的无功补偿设备有同步调相机、固定容量的电容器、开关控制的并联电抗器等，这些设备可满足一定范围的无功补偿要求，但它们有响应速度慢、故障维护困难等缺点。可控硅型的静止无功补偿器(SVC)有较好的性能，但也存在以下主要缺点1)由于它对电网电压的波动表现出恒阻抗特性，因而在电网电压波动时不能充分发挥其作用；2)对系统产生较多的谐波电流。
随着大功率半导体器件(GTO、IGBT、IGCT、IEGT)的出现，静止同步补偿器(STATCOM)已开始应用于电力系统电压稳定控制。无功发生装置或STATCOM由电压源型逆变器构成，从原理上它等效于静止的同步调相机，但动态特性远优于同步调相机，它具有起动无冲击、调节连续、响应快速、占地面积小等优点，在改善系统稳定性、提高现有输电线路的输电容量和抑制电压闪变等方面均具有很大优势，已成为各国竞相发展的新一代无功补偿设备，是今后柔性交流输电系统(FACTS)的重要组成部件之一。目前我国各大电网仍存在电源不足、电网结构不尽合理、系统稳定性及供电质量较差的问题，大容量的新型静止无功发生器的应用变得日益迫切并具有重要意义。
无功发生装置或STATCOM装置的主电路一般采用变压器多重化电压型逆变器结构或链式电压型逆变器结构。其中，链式电压型逆变器有如下优越特点1)模块化结构，2)容易实现冗余运行，3)可以实现不平衡负载的平衡化补偿，4)可以允许更高的系统电压不对称，5)效率更高。链式电压型逆变器的关键技术之一是其各个单相逆变器的直流侧电压的平衡控制。目前可见报道的是英国ALSTOM公司开发的75MVA STATCOM装置，它采用了一种双向逆变器将各个直流侧电容能量逆变到一个公共交流电压母线或从公共交流电压母线变换能量回各个直流电容，从而控制各个直流侧电容电压平衡的方法。该方法控制较为复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于链式逆变器的无功发生装置的直流电压平衡电路，以解决直流电压平衡控制问题，确保装置的正常运行。
本发明的特征在于每一个单相逆变器均含有电压测量仪用于测量逆变器直流侧电容两端的电压；最小电容电压求取器用于确定各相逆变器直流侧电容电压值中的最小值，并允许该最小值输出到脉宽调节器作为基准电压；其输入端连接所述电压测量仪的输出端，其输出端连接所述脉宽调节器的一个输入端，并同时与其它各单向逆变器中的最小电容电压求取器的输出端相连；脉宽调节器用于将直流侧电容电压测量信号与所述基准电压进行误差调节并输出脉宽调制信号；其两个输入端分别接收所述电压测量仪的输出电压和所述基准电压；脉冲放大器用于放大脉宽调制信号，并调节逆变器直流侧电容两端的电压；其输入端连接所述脉宽调节器的输出端，其输出端连接所述直流侧电容两端。
其特征在于，所述最小电容电压求取器由电压跟随器、二极管和一个电阻组成；电压跟随器的正输入端连接所述电压测量仪的输出端；电压跟随器的负输入连接所述二极管的阳极及所述电阻的一端，并作为所述最小电容电压求取器的输出端；电压跟随器的输出端连接所述二极管的阴极；所述电阻的另一端连接控制电源正极。
其特征在于，所述脉宽调节器含有误差放大器、电压反相器，三角波发生器和电压比较器，所述直流侧电容电压测量信号输入所述电压反相器，所述电压反相器的输出信号与所述基准电压共同输入所述误差放大器，所述误差放大器的输出信号与所述三角波发生器输出的三角波信号共同输入所述电压比较器，由所述电压比较器输出脉宽调制信号到上述脉冲放大器；所述三角波发生器由多功能振荡发生芯片和恒流源构成。
其特征在于，所述脉冲放大器含有驱动模块、功率半导体开关和与所述功率半导体开关反相并联的二极管及功率电阻，所述驱动模块的输入端连接上述脉宽调节器的输出端，其输出端连接所述功率半导体开关的门极，该功率半导体开关的阳极串联所述功率电阻后连接到所述逆变器直流侧电容的正极，其阴极连接所述逆变器直流侧电容的负极，在所述功率半导体开关的阳极和阴极之间反相并联所述二极管。
其特征在于，所述功率半导体开关是一个绝缘栅双极晶体管所述绝缘栅双极晶体管的型号为BSM50GB170DN2，所述驱动模块的型号为2SD315A。
试验证明，使用本发明所提出的直流电压平衡电路，可以有效补偿无功发生装置直流侧电压的不平衡，使装置能够正常运行。
图1是一相链式逆变器的直流侧电容电压平衡电路的原理框图；图2是单相逆变器直流电压平衡电路的原理图。
具体实施例方式结合
本发明的具体实施方式
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见图1，该图表示了无功发生装置三相链式逆变电路中的一相的直流电压平衡电路的原理框图。图中，S1LA、S1LB、S1RA、S1RB和C1构成该链式逆变器的第一个单相逆变器(也就是一个链式单元)，SNLA、SNLB、SNRA、SNRB和CN构成该链式逆变器的第N(N为大于1的自然数)个单相逆变器。直流电压测量仪将测出电容Cn(n指N个单相逆变器中的第n个)两端的电压，送到脉宽调节器与基准电压VRn进行比较，并输出调节信号Pn(脉宽调制信号PWM)，经脉冲放大器放大后输出到电容Cn的两端，从而控制电容电压与设定值相同或在设定值上下某个设定的范围内。
以第一个单相逆变器的直流电压侧平衡电路为例进行说明，见图2。该直流侧电压平衡电路包括1)测量电容C1两端电压的电压测量仪本发明使用霍尔电压测量仪LV100进行测量，将测得的电容C1两端的直流电压转换为线性信号V1，测量仪采用±15V直流稳压电源。
2)最小电容电压求取器用于跟踪各相逆变器直流侧电容电压值中的最小值，它含有电压跟随器U5B、二极管D2和电阻R14；由于二极管D2的单向导通作用，各相逆变器直流侧电容电压中的最小电压跟随输出到最小电容电压求取器的输出，而其他较大的直流电压会导致其对应的U5B输出正饱和，被二极管D2隔离不能输出，因而能求取最小的电容电压。
3)脉宽调节器电压测量信号V1的信号通过电压反相器U1B(型号为TL072)反相后，与基准电压VR1与通过误差放大器U1A(型号为TL072)将误差信号放大，然后与三角波通过电压比较器U2(型号为LM311)进行比较后输出脉宽调制脉冲信号P1。三角波是由多功能振荡发生芯片U3(型号为NE555)和恒流源共同形成的。如图2，R5-R9、D3、Q1、C6构成恒流源，该恒流源的输出电流等于流过R5的电流，因为R5上电压等于R6上电压，而R6上电压由R6与R7分压决定是恒定的，因此R5上电流是恒定的。恒流源输出恒定电流到U3的6和7脚对电容C5充电，当C5上电压充电到一定电压时，多功能振荡发生芯片U3通过6和7脚对C5放电，从而形成三角波。基准电压VR1等于该相链式逆变电路中所有单相逆变器的直流侧电压中最小的直流电压信号VDM。如果某个单相逆变器的直流侧电容电压变得大于基准电压，则误差放大器U1A输出一个变大的信号，使U2输出的脉宽调制脉冲信号P1的脉宽变大，从而使功率半导体开关S1导通时间变长，直流侧电容放电时间变长，使直流侧电压下降，从而抑制了直流侧电压不平衡的趋势。
4)脉冲放大器用驱动模块U4(型号为2SD315A)将脉冲电压放大，以便驱动功率半导体开关S1的门极，使功率半导体开关S1导通和截止，本发明选择的功率半导体开关S1为绝缘栅双极晶体管IGBT，型号是BSM50GB170DN2，S1以脉宽调制开关方式工作，调节并联在直流电容C1上的等效电阻值。S1导通时间越长，电容通过功率电阻放电时间越长，等效平均放电电流越大，等效并联电阻越小。S1阳阴极间应反并联一个二极管D1，防止功率开关阳阴极间出现反向电压。功率电阻RD1与功率半导体开关S1串联连接后与电容C1并联，其等效电阻值与功率开关导通占空比成正比。
权利要求
1.基于链式逆变器的无功发生装置的直流电压平衡电路，其特征在于，每一个单相逆变器均含有电压测量仪用于测量逆变器直流侧电容两端的电压；最小电容电压求取器用于确定各相逆变器直流侧电容电压值中的最小值，并允许该最小值输出到脉宽调节器作为基准电压；其输入端连接所述电压测量仪的输出端，其输出端连接所述脉宽调节器的一个输入端，并同时与其它各单向逆变器中的最小电容电压求取器的输出端相连；脉宽调节器用于将直流侧电容电压测量信号与所述基准电压进行误差调节并输出脉宽调制信号；其两个输入端分别接收所述电压测量仪的输出电压和所述基准电压；脉冲放大器用于放大脉宽调制信号，并调节逆变器直流侧电容两端的电压；其输入端连接所述脉宽调节器的输出端，其输出端连接所述直流侧电容两端。
2.如权利要求1所述的基于链式逆变器的无功发生装置的直流电压平衡电路，其特征在于，所述最小电容电压求取器由电压跟随器、二极管和一个电阻组成；电压跟随器的正输入端连接所述电压测量仪的输出端；电压跟随器的负输入连接所述二极管的阳极及所述电阻的一端，并作为所述最小电容电压求取器的输出端；电压跟随器的输出端连接所述二极管的阴极；所述电阻的另一端连接控制电源正极。
3.如权利要求1所述的基于链式逆变器的无功发生装置的直流电压平衡电路，其特征在于，所述脉宽调节器含有误差放大器、电压反相器，三角波发生器和电压比较器，所述直流侧电容电压测量信号输入所述电压反相器，所述电压反相器的输出信号与所述基准电压共同输入所述误差放大器，所述误差放大器的输出信号与所述三角波发生器输出的三角波信号共同输入所述电压比较器，由所述电压比较器输出脉宽调制信号到上述脉冲放大器；所述三角波发生器由多功能振荡发生芯片和恒流源构成。
4.如权利要求1所述的基于链式逆变器的无功发生装置的直流电压平衡电路，其特征在于，所述脉冲放大器含有驱动模块、功率半导体开关和与所述功率半导体开关反相并联的二极管及功率电阻，所述驱动模块的输入端连接上述脉宽调节器的输出端，其输出端连接所述功率半导体开关的门极，该功率半导体开关的阳极串联所述功率电阻后连接到所述逆变器直流侧电容的正极，其阴极连接所述逆变器直流侧电容的负极，在所述功率半导体开关的阳极和阴极之间反相并联所述二极管。
5.如权利要求4所述的基于链式逆变器的无功发生装置的直流电压平衡电路，其特征在于，所述功率半导体开关是一个绝缘栅双极晶体管。
6.如权利要求4或5所述的基于链式逆变器的无功发生装置的直流电压平衡电路，其特征在于，所述绝缘栅双极晶体管的型号为BSM50GB170DN2。
7.如权利要求4所述的基于链式逆变器的无功发生装置的直流电压平衡电路，其特征在于，所述驱动模块的型号为2SD315A。
全文摘要
基于链式逆变器的无功发生装置的直流电压平衡电路，属于电气自动化设备技术领域。其特征在于，每一个单相逆变器均含有用于测量逆变器直流侧电容两端电压的电压测量仪，用于确定各单相逆变器直流侧电容电压值中的最小值，并允许该最小值输出到脉宽调节器作为基准电压的最小电容电压求取器，用于将直流侧电容电压测量信号与基准电压进行误差调节并输出脉宽调制信号的脉宽调节器，用于放大脉宽调制信号，并调节逆变器直流侧电容两端电压的脉冲放大器。该直流电压平衡电路能够有效补偿无功发生装置直流侧电压的不平衡，使装置能够正常运行。
文档编号H02J3/18GK1514525SQ20031011539
公开日2004年7月21日 申请日期2003年11月21日 优先权日2003年6月18日
发明者刘文华, 耿俊成, 宋强, 帅军庆, 高芳, 祝达康 申请人:清华大学, 上海市电力公司