一种用于非线性负荷电网的并网变流器的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种用于非线性负荷电网的并网变流器，由主电路和分别与之连接的驱动电路、控制电路组成，主电路包括谐振耦合式滤波电路或高阻抗T式滤波电路，谐振耦合式滤波电路包括无传输零点式、下边带传输零点式和上边带传输零点式，高阻抗T式滤波电路包括两个电感器和一个电容器，主电路包括整流电路与逆变电路，驱动电路包括脉冲发生器与脉冲输出器。本实用新型并网变流器通过特定滤波器的引入，克服了常规LC滤波电感量大、成本增加、装置体积增大、变流器控制不易的缺点，采用变流器电流与滤波器元件的配合调节，实现对非线性负荷电网谐波分量的间接控制，使系统具有较好的稳定性和动态性能。
【专利说明】—种用于非线性负荷电网的并网变流器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及电网并网装置【技术领域】，尤其涉及一种用于非线性负荷电网的并网变流器。
【背景技术】
[0002]随着工业负荷的不断发展及电力电子设备的大量应用，非线性负荷已经成为电力系统负荷的重要组成部分。据统计，目前20%的电力负荷通过各种形式的功率交换来实现，所以，对于非线性负荷电网而言，其主要弊端就在于所有非线性负荷都不同程度地产生谐波，从而产生大量的谐波污染。连续频谱的谐波电流，以及大量的分数次谐波电流对区域性电网，甚至整个电力系统的影响也表现的愈加明显与突出，因此，应该认真地加以分析对待。
[0003]在此类电网中，对常见的负载电机与电网起到连接作用的核心装置，当属并网用变流器。这种变流器的功率容量较大，直流母线两端的电压较高，一方面，负载所加载的谐波污染会通过变流器传送给电网，另一方面，为降低功率器件应力，变流器的PWM信号开关频率会受到限制，也会导致变流器网侧输出电流中的谐波分量增加，这样就严重影响着电网的电能质量造成功率因数偏低、出现谐波干扰，影响与上位控制器之间的通信，造成电能计量的不准确、继电保护设备的误动作、通信信息的丢失及干扰等。要解决这些问题，就必须进行针对非线性负荷电网并网变流器的技术研究。
实用新型内容
[0004]本实用新型提供了一种用于非线性负荷电网的并网变流器，目的在于实现非线性负荷电网与变流器所产生谐波分量的减弱与消除，提高系统对负载扰动和电网非线性波动的抗干扰能力。
[0005]为实现上述目的，本实用新型所采取的技术方案是:一种用于非线性负荷电网的并网变流器，由主电路和分别与之连接的驱动电路、控制电路组成，所述主电路包括谐振耦合式滤波电路或高阻抗τ式滤波电路。
[0006]所述谐振耦合式滤波电路包括无传输零点式、下边带传输零点式和上边带传输零点式。
[0007]所述高阻抗T式滤波电路包括两个电感器和一个电容器，滤波电路两端均为高阻抗。
[0008]所述主电路包括整流电路与逆变电路。
[0009]所述驱动电路包括脉冲发生器与脉冲输出器。
[0010]所述控制电路为数模混合式。
[0011]本实用新型对谐波分量减弱消除的核心，在于滤波器的设计:在主电路选用谐振耦合式滤波电路时，由于电感的调节优化不仅要改变自身结构，而且要改变布局的整体结构，而电容只需调节极板的长度与间隙即可，故而电路以电感为设计变量，以电容为调节变量，通过在设计时，引入不同的电感排布结构，实现相应传输零点的引入，从而可以很好过滤掉非线性电网谐波分量中一些较陡的过渡带，更好实现过滤效果；在主电路选用高阻抗T式滤波电路时，也需要先确定T式滤波电路的参数，对于典型并网变流器，在不考虑电网谐波影响条件下，必须通过滤波电感衰减其输出电流中的开关频率谐波分量，随后考虑谐波影响，根据期望谐波电流幅值来确定T式滤波器中所需总电感量上限值，然后选取合适的电感量就可以获得对称的两个电感器参数值，电容器的值要考虑所选择的电容参数，既要对开关频率谐波电流有很好的分流作用，又要确保系统具有一定工作频带。
[0012]主电路中的整流电路与逆变电路分别起交流变换成直流、直流变换成交流的作用，为变流器的常规元件电路；驱动电路可以为触发电路，是控制变流器中功率开关元件通断的电路，包括脉冲输出器和脉冲发生器两部分，根据控制信号的要求，脉冲发生器产生一定频率，一定宽度或一定相位的脉冲，脉冲输出器将此脉冲的电平放大为适合变流器中功率开关元件的驱动信号，本实用新型可采用相位控制式触发电路。
[0013]控制电路采用模拟和数字混合控制方式，包括模拟谐波电流检测单元、直流稳压单元及数字PWM发生单元，采用模拟电路检测谐波电流，系统响应速度快、实时性好，没有计算负载电流的基波和谐波所需的巨大的计算量，直流稳压单元与数字式PWM发生单元虽为常规技术，但其共同作用不仅能可靠产生PWM信号，同时容易实现死区控制和稳定保护的功能。
[0014]本实用新型所选用的并网变流器，通过特定滤波器的引入，克服了常规LC滤波电感量大、成本增加、装置体积增大、变流器控制不易的缺点，采用变流器电流与滤波器元件的配合调节，实现对非线性负荷电网谐波分量的间接控制，再配合电网的其他控制策略，如电压前馈补偿等，可以大大提高电网系统对谐波分量的抗干扰能力，使系统具有较好的稳定性和动态性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本实用新型原理结构图。
[0016]图2是实施例一中谐振耦合式滤波电路结构图。
[0017]图3是实施例二中谐振耦合式滤波电路结构图。
[0018]图4是实施例三中谐振耦合式滤波电路结构图。
[0019]图5是T式滤波电路结构图。
[0020]图6是相位控制式驱动电路结构图。
[0021 ]图7是控制电路原理结构图。
【具体实施方式】
[0022]实施例一
[0023]如图1、图2、图6、图7所示，一种用于非线性负荷电网的并网变流器，由主电路1和分别与之连接的驱动电路2、控制电路3组成，主电路所包括滤波电路8为谐振耦合式滤波电路，实施例优选为无传输零点式，主电路1还包括整流电路4与逆变电路5，两者分别与滤波电路8连接，驱动电路2包括相互连接的脉冲发生器6与脉冲输出器7，控制电路3为数模混合式，包括模拟谐波电流检测单元9、直流稳压单元10及数字PWM发生单元11。
[0024]在滤波器设计时，主电路选用谐振耦合式滤波电路，由于电感的调节优化不仅要改变自身结构，而且要改变布局的整体结构，而电容只需调节极板的长度与间隙即可，故而电路以电感为设计变量，以电容为调节变量，通过在设计时，引入不同的电感排布结构，实现相应传输零点的引入，从而可以很好过滤掉非线性电网谐波分量中一些较陡的过渡带，更好实现过滤效果。本实施例所选用的为无传输零点式，以电网母线电压400V，开关频率设为 2kHz，额定电流 35A 时为例，则电路中 C01=C23=100uF, C12=50uF, CR=20uF, L=0.5mH，其中L为给定值，其他参数值均是与L相关的推到近似值，这就有利于在设计的过程中，先估计一个合适大小的电感值L，利用其值计算其它元件值。各元件值得知后分别对其进行建模，再根据电路的总体布局，把各元件搭构起来。实现在不改变电感和整体布局的情况下，只对各个电容值调整即可，大大缩短了滤波器针对工况实际调整构建所需要的时间。
[0025]主电路中的整流电路与逆变电路分别起交流变换成直流、直流变换成交流的作用，为变流器的常规元件电路；驱动电路可以为触发电路，是控制变流器中功率开关元件通断的电路，包括脉冲输出器和脉冲发生器两部分，根据控制信号的要求，脉冲发生器产生一定频率，一定宽度或一定相位的脉冲，脉冲输出器将此脉冲的电平放大为适合变流器中功率开关元件的驱动信号，本实用新型可采用相位控制式触发电路，以4个晶闸管构成触发电桥，连接电阻导向输出，实现不同相位的电流输出切换，电路还可以根据变流器主电路相数分为单相、三相和多相相控触发电路。在多相相控触发电路中，各晶闸管，特别是同一相的一对晶闸管的触发滞后角的一致是非常重要的。如各晶闸管的触发电路移相通道相同，则触发滞后角相同。相控触发电路按移相通道还可分为单通道、三通道和多通道。单通道的相控触发电路的触发滞后角一致性好，三通道的次之，多通道的最差。
[0026]数模混合式控制电路中，模拟谐波电流检测单元，采用模拟芯片将负载电流中的基波分量和谐波分量分离后，实时检测出负载电流中的谐波分量；直流稳压单元采用电容稳压模式，以直流电容电压和三相电源相电压作为输入，调制后产生维持电容电压稳定所需要的有功电流；数字PWM发生单元产生PWM信号控制主电路产生补偿电流，数字PWM发生单元使用DSP，ARM或单片机实现，输出相应的PWM信号。
[0027]实施例二
[0028]如图1、图3、图6、图7所示，一种用于非线性负荷电网的并网变流器，由主电路1和分别与之连接的驱动电路2、控制电路3组成，主电路所包括滤波电路8为谐振耦合式滤波电路，与实施例一的不同之处在于，本实施例优选为下边带传输零点式。
[0029]在滤波器的实际应用中，有时为了得到更陡的过渡带，或更好地抑制谐波，还需要引入相应的传输零点。本实施例引入传输零点的方法为下边带式，原理是保持中心频率处两谐振器间的导纳值不变，而在另外一个频率点上使它的导纳值为0，这样就在不影响通带的情况下，引入了一个传输零点，所以用一个并联谐振电路来代替图2中的电容C12，此并联电路的谐振频率即为传输零点，整个电路结构如图3所示。其中Cs的值可取为50uF，LS=0.1mH，保证原电路的固有谐振频率大于所并联的谐振电路频率，这样传输零点便只能位于通带的下方，即为下边带传输零点。
[0030]实施例三
[0031]如图1、图4、图6、图7所示，一种用于非线性负荷电网的并网变流器，由主电路1和分别与之连接的驱动电路2、控制电路3组成，主电路所包括滤波电路8为谐振耦合式滤波电路，与实施例一或二的不同之处在于，本实施例优选为上边带传输零点式。
[0032]想取得上边带传输零点，不能如实施例二中一样，认为并联的谐振电路频率大于固有谐振频率即可，因为此时电路是无法实现的，所以实施方法应该是在如图4的虚线框部分引入较为常见的导纳变换器，串臂为负电容，并臂为正电容，正负C12的取值均可为50uF，符合导纳变换器的定义，能够实现上边带传输零点的设定。
[0033]实施例四
[0034]如图1、图5、图6、图7所示，一种用于非线性负荷电网的并网变流器，由主电路1和分别与之连接的驱动电路2、控制电路3组成，与实施例一、二、三的不同之处在于，主电路所包括滤波电路8为高阻抗T式滤波电路，包括两个电感器和一个电容器，滤波电路两端均为高阻抗。
[0035]在主电路选用高阻抗T式滤波电路时，也需要先确定T式滤波电路的参数，对于典型并网变流器，在不考虑电网谐波影响条件下，必须通过滤波电感衰减其输出电流中的开关频率谐波分量，随后考虑谐波影响，根据期望谐波电流幅值来确定T式滤波器中所需总电感量上限值，然后选取合适的电感量就可以获得对称的两个电感器参数值，电容器的值要考虑所选择的电容参数，既要对开关频率谐波电流有很好的分流作用，又要确保系统具有一定工作频带。依然以电网母线电压400V，开关频率设为2kHz，额定电流35A时为例，则电路中电容可取lOOuF，两个电感均可取0.1mH，这样使并网电流器输出的电压电流波形，能有效衰减输出电流中的谐波分量，满足系统设计要求的同时降低滤波器电感取值，且不影响系统以负单位功率因数稳定运行。
[0036]本实用新型所选用的并网变流器，通过特定滤波器的引入，克服了常规LC滤波电感量大、成本增加、装置体积增大、变流器控制不易的缺点，采用变流器电流与滤波器元件的配合调节，实现对非线性负荷电网谐波分量的间接控制，再配合电网的其他控制策略，如电压前馈补偿等，可以大大提高电网系统对谐波分量的抗干扰能力，使系统具有较好的稳定性和动态性能。
【权利要求】
1.一种用于非线性负荷电网的并网变流器，其特征在于:由主电路和分别与之连接的驱动电路、控制电路组成，所述主电路包括谐振耦合式滤波电路或高阻抗T式滤波电路；所述高阻抗T式滤波电路包括两个电感器和一个电容器，滤波电路两端均为高阻抗；所述主电路包括整流电路与逆变电路；所述驱动电路包括脉冲发生器与脉冲输出器；所述控制电路为数模混合式。
2.如权利要求1所述的用于非线性负荷电网的并网变流器，其特征在于:所述谐振耦合式滤波电路为无传输零点式。
3.如权利要求1所述的用于非线性负荷电网的并网变流器，其特征在于:所述谐振耦合式滤波电路为下边带传输零点式。
4.如权利要求1所述的用于非线性负荷电网的并网变流器，其特征在于:所述谐振耦合式滤波电路为上边带传输零点式。
【文档编号】H02J3/01GK204190386SQ201420285257
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年5月30日 优先权日:2014年5月30日
【发明者】姚楠, 罗道军 申请人:国家电网公司, 国网河南省电力公司南阳供电公司