专利名称：电网谐波与闪变综合抑制装置主电路的制作方法
技术领域：
电网谐波与闪变综合抑制装置主电路技术领域本发明涉及一种基于IGBT器件的新型电网谐波与闪变综合抑制装置的主电 路，属于电能质量方面谐波补偿技术领域。背彔技术20世纪80年代以来，随着电力电子技术的发展，非线性电力电子器件和装 置在现代工业中得到了广泛应用，同时，为了解决电力系统自身发展存在的问题， 直流输电和FACTS技术不断投入实际工程应用，调速电机以及无功功率补偿电容 器也大量投入运营。这些设备的运行使得电网中电压和电流波形畸变越來越严 重，谐波水平不断上升。另外，冲击性、波动性负荷，例如电弧炉、大型轧钢机、 电力机车等，运行中不仅会产生大量的高次谐波，而且还会产生电压波动、闪变、 三相不平衡等电能质量问题。但另一方面，随着各种复杂的、精密的、对电能质 量敏感的用电设备不断普及，人们对电能质量的要求越来越髙，因此电力系统必 须要能够对电网谐波与闪变进行抑制。过去，国内外大量使用无源滤波装置 (Passive Filter)来解决谐波方面的问题。传统的无源LC滤波器可以减少谐 波，改善交流负载的功率因数，但存在着明显的不足与缺陷；设计的无源滤波器 通常选定特定频率，只能滤除指定次谐波；存在与电网发生谐振的可能性对电 网阻抗和频率变化也十分敏感。另外，也存在着体积大、损耗大等问题。由于无 源滤波具有以上缺点，随着电力电子技术的不断发展，人们将滤波研究方向逐歩 转向有源滤波。随着计算机技术的发展、控制水平的提髙，以及对电力电子装置 研究的深入，提高电能质量装置的发展方向集中在控制灵活、性能优异的电力电 子装置上，本着节约资源和投资的原则，一机多能又成为电力电子装置的未來发 展方向。发明内容本发明提出了一种可以基于IGBT器件对配电网系统中的电网谐波和闪变进
行综合抑制的装置主电路。本发明采用如下技术方案一种电网谐波与闪变综合抑制装置主电路，包括电容C1以下称第一电容、 第一电感L与开关电路及第二电感L与开关电路，第一和/或第二电感L与开关 电路包括四路由串联的电感L与开关电路构成的支路，在第一电感L与开关电路 与第一电容之间设有逆变电路，并且，逆变电路的sa、 sb、 sc、 sn交流输入端 分别与四路第一电感L与开关电路支路的sa、 sb、 sc、 sn端连接，逆变电路的 直流端与第一电容的DC+、 DC—直流端连接在第二电感L与开关电路与第一电 容之间设有整流电路，并且，整流电路的直流端与与第一电容l一2的DC+、 DC 一直流端连接，整流电路的的la、 lb、 lc、 ln交流端分别与四路第二电感L与 开关电路支路的la、 lb、 lc、 ln端连接。与现有技术相比，本发明的主电路具有如下优点(1) 不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变，有一机多能的特点，在性价比 上较为合理(2) 滤波特性不受系统阻抗等的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；(3) 具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波，即具有高度可控性 和快速响应性等优点。(4) 本装置采用冗余对称设计，逆变电路也可以实现整流功能，同时整流 电路也可以实现逆变功能。正常工作时分别进行整流与逆变，当某个部分发生故 障时可以将该部分电路停止，而采用其对称部分同时进行整流和逆变，以实现电 网谐波和闪变进行综合抑制，这样可以大大提高系统的可靠性和稳定性。
图1为基于IGBT器件对配电网系统中的电网谐波和闪变进行综合抑制的装 覽主电路的各部分连接示意图，其中l一l部分为逆变电路，l一2为直流侧电容， 1—3部分为整流电路，1一4和1一5为投切开关与电感电路。图2为基于IGBT器件对配电网系统中的电网谐波和闪变进行综合抑制的装置主电路的电路示意图。图3为系统的示意图。其中1为系统的主电路部分，l一l部分为逆变电路，
1—2为直流侧电容，l一3部分为整流电路，1—4和1—5为投切开关与电感。2 为系统的控制电路。3为交流电源系统，4为非线性负载，PT1、 PT2为电压传感 器，CT1、 CT2为电流传感器。
具体实施方式
—种电网谐波与闪变综合抑制装置主电路，包括第一电容1一2、第一电感L 与开关电路及第二电感L与开关电路1一4、 l一5，第一和/或第二电感L与开关 电路包括四路由串联的电感L与开关电路构成的支路，在第一电感L与丌关电路 1一4与第一电容l一2之间设有逆变电路l一l，并且，逆变电路l一l的sa、 sb、 sc、 sn交流输入端分别与四路第一电感L与开关电路l一4支路的sa、 sb、 sc、 sn端连接，逆变电路l一l的直流端与第一电容l一2的DC+、 DC—直流端连接； 在第二电感L与开关电路l一5与第一电容l一2之间设有整流电路l一3，并且， 整流电路l一3的直流端与与第一电容l一2的DC+、 DC—直流端连接，整流电路 的1—3的la、 lb、 lc、 ln交流端分别与四路第二电感L与开关电路l一5支路 的la、 lb、 lc、 ln端连接。上述逆变电路l一l包括4路桥臂，桥臂的两端分别 相互连接且该两端分别为逆变电路l一l的直流端，每路桥臂2个串联的电力电 子开关组成，4路桥糖的中点分别为逆变电路l一l的sa、 sb、 sc、 sn交流输入 端，上述电力电子开关由绝缘栅双极晶体管及与绝缘栅双极晶体管反相并联的二 极管组成。上述整流电路1一3包括4路桥臂，桥臂的两端分别相互连接且该两 端分别为整流电路l一3的直流端，每路桥臂2个串联的电力电子开关组成，4 路桥臂的中点分别为整流电路l一3的la、 lb、 lc、 ln交流端，上述电力电子开 关由绝缘栅双极晶体管及与绝缘栅双极晶体管反相并联的二极管组成。主电路包括上述五个部分，其中交流电源的SA、 SB、 SC、 SN端连接到电感 L和开关电路l一4，经过电感L和开关电路1一4，然后连接到逆变电路l一l的 sa、 sb、 sc、 sn交流输入端，逆变电路的直流端连接到第一电容l一2的DC+、 DC—直流端，同时第一电容l一2的DC+、 DC—直流端也连接到整流电路1一3的 直流端，整流电路的l一3的交流端la、 lb、 lc、 ln连接到电感L和开关电路l一5，然后通过电感L和开关电路1-5连接到负载鲫的交流端LA、 LB、 LC、 LN。 主电路1在控制电路2的控制信号的控制下，通过整流电路l一3对电网的交流
电进行整流，为第一电容1一2提供直流电压，同时在控制信号的控制下通过逆 变电路l一l将直流电逆变成不同频率的交流电，以抵消由于非线性负载4工作 时产生的电网谐波，并且可以补偿负载的无功功率，从而调节功率因数并且抑制 电压闪变。电压传感器PT1、 PT2和电流传感器CT1、 CT2、 CT3检测线路和第一 电容上的电压、检测整流1一3和逆变电路1一1四个桥臂、配电网络上的电流， 并将检测结果传输至控制电路2。控制电路2得到来自传感器的控制信号进行判 断、计算，釆用合适的检测与控制算法对主电路l中的逆变电路l一l和整流电 路1一3进行准确、实时的控制，从而对配电网系统中的电网谐波和闪变进行综 合抑制。装覽开始工作时，先判断整流部分和逆变部分电路的工作情况，如果两部分 均IH常工作，则闭合投切开关SW2、 SW1，整流电路通过电感L5 L8与交流电路 相连在控制电路控制下进行可控整流得到的直流电压对第一电容进行充电，为逆 变提供直流支撑，同时第一电容还起到滤除直流电压的脉动成分，在控制电路的 控制下，逆变电路将第一电容上直流电压进行逆变得到不同频率的交流电压，通 过电感L1 L4耦合至线路，从而提供负载的无功电流和抵消谐波。在该工作过 程中，逆变和整流电路中的二极管D1 D16起到保护绝缘栅双极晶体管T1 T16 的作用。在系统工作时每隔一段时间对逆变电路和整流电路进行检测，当发现其 中某个部分发生故障时，则关闭该部分电路，同时打开该部分的投切开关。此时 相对应的另外一个部分则利用该部分主电路中的绝缘栅双极晶体管和二极管同 时进行整流和逆变的相应动作，实现抑制电网谐波和闪变的功能。参照附图，对主电路各部分作一详细说明1、 网侧滤波电感L1 L4:逆变电路采用通过电抗器接入的方式时，相当于 将综合抑制装置的输出电压经过电抗器并入系统，补偿电流即为系统电压和综合 抑制装置输出电压的差值通过电抗器时所产生的电流。电感是保证装置正常运行 的必要条件。电感值的大小对系统影响很大，选取适当的电感值可以达到抑制高 次谐波的目的，但是如果过大将导致系统的动态响应速度变慢，而过小将导致装 置在投入运行时产生的瞬时电流不能得到有效抑制。经过计算根据不同的场合选 择L5 4mH， 25 100A的电感。2、 直流侧滤波电容C1:电压型逆变器的标志。其作用是滤除直流电压脉动
成分，保证在TK常工作时其直流电压维持不变，保证装覽正常工作。直流侧电容 容量C1在允许的范围内越大越好，Cl越大，抑制电容电压波动的能力越强。电 容的选择还要考虑电容的耐压问题，经过计算选择1200V、 4700nF的电容。3、 整流电路1一3:该部分电路由绝缘栅双极晶体管T9 T16及与绝缘栅双 极晶体管反相并联的二极管D9 D16组成对该部分电路通过系统的控制电路部 分2采用脉宽调制(PWM， Pulse-Width Modulation)方法进行控制，可以使得 各相输入电流近似为正弦波且和系统的电压相位相同，功率因数近似为1，通过 PWM整流电路为直流侧滤波电容Cl提供一个稳定的直流电压，为进行谐波与闪 变的综合抑制提供直流电压支撑。4、 逆变电路l一l:该部分电路由绝缘栅双极晶体管T1 T8及与绝缘栅双 极晶体管反相并联的二极管D1 D8组成；该部分电路在系统的控制电路部分2 的控制下，采用谐波与闪变综合抑制控制策略，针对由于非线性负载的接入而引 入的谐波产生相对应的补偿电流与其进行抵消，从而抑制了谐波。同时，该部分 电路亦能提供配电系统运行时所需要的无功功率，通过补偿无功功率起到了稳定 配电系统的供电电压的作用，从而可以抑制闪变的发生。事实上该部分逆变电路 和上述整流电路的电路拓扑结构完全相同，并且逆变电路和上述整流电路都可以 在系统控制电路的控制下独立地完成整流和逆变的相应动作，之所以采用两个相 同的结构主要原因有1)为了能够对直流侧滤波第一电容两端的电压能够进行 准确、及时的控制，提高控制精度，从而实现谐波和闪变抑制能力的优化；2) 为了实现装置的冗余运行，逆变电路也可以实现整流功能，同时整流电路也可以 实现逆变功能。正常工作时分别进行整流与逆变，当某个部分发生故障时可以将 该部分电路停止，而采用其对称部分同时进行整流和逆变，以实现电网谐波和闪 变进行综合抑制，这样可以大大提髙系统的可靠性和稳定性。5、 负载侧滤波电感L5 L8及开关电路1一4、 l一5:整流电路采用通过电 抗器接入的方式，在整流电路工作时，由于开关器件绝缘栅双极晶体管T9 T16 的动作使得各相电流中含有频率很髙的高次谐波。负载侧滤波电感起到在整流电 路工作时滤除各相电流中的髙次谐波，这样就可以使各相输入电流的脉动成分大 大减少。与网侧滤波电感相同,负载側滤波电感的值也取为1.5 4mH， 25 1OOA。 为了控制本装覽的使用，在主电路中设计有开关SW1和SW2。
权利要求1、 一种电网谐波与闪变综合抑制装覽主电路，包括第一电容(l一2)、第一 电感L与开关电路及第二电感L与开关电路(1一4、 1—5)，第一和/或第二电感 L与开关电路包括四路由串联的电感L与开关电路构成的支路，其特征在于在第 一电感L与开关电路(l一4)与第一电容(1—2)之间设有逆变电路(l一l), 并且，逆变电路(l一l)的sa、 sb、 sc、 sn交流输入端分别与四路第一电感L 与开关电路(l一4)支路的sa、 sb、 sc、 sn端连接，逆变电路U — l)的直流 端与第一电容(l一2)的DC+、 DC—直流端连接；在第二电感L与开关电路(1 一5)与第一电容(l一2)之间设有整流电路(l一3)，并且，整流电路(l一3) 的直流端与与第一电容(1—2)的DC+、 DC—直流端连接，整流电路的(1—3) 的la、 lb、 lc、 ln交流端分别与四路第二电感L与开关电路(l一5)支路的la、 lb、 lc、 ln端连接。
2、 根据权利要求1所述的电网谐波与闪变综合抑制装覽主电路，其特征在 于逆变电路(l一l)包括4路桥臂，桥臂的两端分别相互连接且该两端分别为逆 变电路(l一l)的直流端，每路桥臂2个串联的电力电子开关组成，4路桥臂的 中点分别为逆变电路(l一l)的sa、 sb、 sc、 sn交流输入端，上述电力电子开 关由绝缘栅双极晶体管及与绝缘栅双极晶体管反相并联的二极管组成。
3、 根据权利要求1或2所述的电网谐波与闪变综合抑制装置主电路，其特 征在于整流电路(l一3)包括4路桥臂，桥臂的两端分别相互连接且该两端分别 为整流电路U—3)的直流端，每路桥臂2个串联的电力电子开关组成，4路桥 臂的中点分别为整流电路(1—3)的la、 lb、 lc、 ln交流端，上述电力电子开 关由绝缘栅双极晶体管及与绝缘栅双极晶体管反相并联的二极管组成。
专利摘要本实用新型公开了一种电网谐波与闪变综合抑制装置主电路，包括电容C1、第一电感L与开关电路及第二电感L与开关电路，第一和/或第二电感L与开关电路包括四路由串联的电感L与开关电路构成的支路，在第一电感L与开关电路与C1之间设有逆变电路，并且，逆变电路的sa、sb、sc、sn交流输入端分别与四路第一电感L与开关电路支路的sa、sb、sc、sn端连接，逆变电路的直流端与第一电容的DC+、DC-直流端连接；在第二电感L与开关电路与第一电容之间设有整流电路，并且，整流电路的直流端与与C1的DC+、DC-直流端连接，整流电路的la、lb、lc、ln交流端分别与四路第二电感L与开关电路支路的la、lb、lc、ln端连接。
文档编号H02J3/01GK201038767SQ20072003668
公开日2008年3月19日 申请日期2007年4月10日 优先权日2007年4月10日
发明者丁祖军, 静 康, 伟 曾, 军 梅, 沈亚飞, 涛 袁, 郑建勇, 娟 陈 申请人:东南大学