本发明属于电力系统应用技术领域，具体而言涉及一种基于反激式交交变换器的静止无功补偿器。
背景技术：
随着经济的快速发展，无功功率已经成为电力系统中一个重要的物理量，大多数网络元件以及负载都需要消耗无功功率，这些无功通过发电机提供并且实现长距离的传送显然是不合理的，甚至是不可能的，合理的方法是在需要消耗无功功率的地方设置无功补偿装置，向电网吸收(或发出)无功。
早期的无功补偿装置有同步调相机、并联电容器等，它们存在体积大、成本高及动态补偿受限等多种缺点。因而后来出现了静止无功补偿装置，典型代表是静止无功补偿器(svc)和静止无功发生器(statcom)。svc在动态调节基波无功时，还需考虑自身产生的高次谐波的消除问题，并且在系统电压低时，其无功补偿的能力会降低。statcom指由自换相的电力半导体桥式变流器来吸收或发出无功功率的动态补偿装置，能够动态地补偿快速变化的瞬时无功功率，控制灵活，调节速度快。但由于目前的主流statcom主功率电路采用dc/ac的电压源逆变结构。电压源逆变器的直流侧采用大容量电解电容器组作为储能元件，电解电容的使用带来如下问题:首先，电解电容寿命较短，容易损坏，从而使得statcom装置可靠性较差；其次，储能电容体积大，价格昂贵，大大限制了statcom的市场前景。所以传统statcom在工业生产上的应用并不广泛。
2008年，美国学者deepakm.divan提出了inverter-lessstatcom的概念，其采用直接交交变换技术，在不需要直流侧大体积能量储存器件的情况下实现无功补偿功能。当交交变换器的负载侧接上传统交流无功补偿电容器时，通过调节交交变换器的占空比，可以使得交交变换器输入侧向电网侧提供幅值可连续调节的无功补偿电流，而且传统交流无功补偿电容器有着比储能电容体积小，重量轻，价格低，寿命长，可靠性高等优点。目前的新型静止无功补偿器研究都是基于降压型交交变换器展开，研究内容单一，而且在无功补偿电容器确定的情况下，其提供的无功补偿电流调节范围较小，也存在电网侧与无功补偿电容器之间未实现电气隔离、电压匹配弱和安全可靠性低的缺陷；尽管有着基于高频隔离式推挽正激直接交交变换器的静止无功补偿器，但其所用功率开关管数量较多，增大了装置体积，增加了控制的复杂性，不易模块化制造，因而新型交交变换器的引入、无功补偿电流调节范围的扩大以及输入输出之间电气隔离的实现等方面都有待深入研究。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于反激式交交变换器的静止无功补偿器，对电网侧的无功电流进行动态补偿。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于反激式交交变换器的静止无功补偿器，包括三相静止无功补偿器主功率电路，其中每个单相静止无功补偿器主功率电路均包括依次连接的输入滤波器、反激式交交变换单元和无功补偿电容器。所述三相静止无功补偿器主功率电路包括a相静止无功补偿器主功率电路、b相静止无功补偿器主功率电路和c相静止无功补偿器主功率电路，a相静止无功补偿器主功率电路的一端连接至a相电网侧与a相无功负载之间的传输线上，b相静止无功补偿器主功率电路的一端连接至b相电网侧与b相无功负载之间的传输线上，c相静止无功补偿器主功率电路的一端连接至c相电网侧与c相无功负载之间的传输线上，a相静止无功补偿器主功率电路的另一端分别与b相静止无功补偿器主功率电路和c相静止无功补偿器主功率电路的另一端连接。
与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明的基于反激式交交变换器的静止无功补偿器无需大电解电容，使用的无功补偿电容器为薄膜电容器，整个装置价格更低，易模块化制造；(2)本发明的基于反激式交交变换器的静止无功补偿器采用高频隔离变压器实现了无功补偿电容器和三相三线制电网侧的电气隔离，提高了装置的可靠性；(3)在相同电网电压等级、变压器变比以及无功补偿电容器的客观条件下，本发明的基于反激式交交变换器的静止无功补偿器的无功补偿电流调节范围更广；(4)相对于基于高频隔离式推挽正激直接交交变换器的静止无功补偿器，本发明的静止无功补偿器所用的功率开关管数量、电感数量以及变压器绕组数均减少一半，体积小，控制较容易。
附图说明
图1是本发明一种基于反激式交交变换器的静止无功补偿器的系统结构图。
具体实施方式
一种基于反激式交交变换器的静止无功补偿器，包括三相静止无功补偿器主功率电路，其中每个单相静止无功补偿器主功率电路均包括依次连接的输入滤波器、反激式交交变换单元和无功补偿电容器。
所述三相静止无功补偿器主功率电路包括a相静止无功补偿器主功率电路、b相静止无功补偿器主功率电路和c相静止无功补偿器主功率电路，a相静止无功补偿器主功率电路的一端连接至a相电网侧与a相无功负载之间的传输线上，b相静止无功补偿器主功率电路的一端连接至b相电网侧与b相无功负载之间的传输线上，c相静止无功补偿器主功率电路的一端连接至c相电网侧与c相无功负载之间的传输线上，a相静止无功补偿器主功率电路的另一端分别与b相静止无功补偿器主功率电路和c相静止无功补偿器主功率电路的另一端连接。
进一步的实施例中，a相静止无功补偿器的输入滤波器包括第一电感l1和第一电容c1；a相静止无功补偿器的反激式交交变换单元包括第一igbt管s1、第二igbt管s2、第三igbt管s3、第四igbt管s4以及高频隔离变压器t1；a相静止无功补偿器的高频隔离变压器t1包括高频隔离变压器t1原边绕组tp1和高频隔离变压器t1副边绕组ts1；a相静止无功补偿器的无功补偿电容器包括第二电容c2；
所述第一电感l1的一端作为a相静止无功补偿器的一端，第一电感l1的另一端和第一电容c1的一端同时与高频隔离变压器t1原边绕组tp1的同名端连接；高频隔离变压器t1原边绕组tp1的非同名端与第一igbt管s1的集电极连接；第一igbt管s1的发射极与第二igbt管s2的发射极连接；第二igbt管s2的集电极与第一电容c1的另一端连接并作为a相静止无功补偿器的另一端；高频隔离变压器t1副边绕组ts1的同名端与第二电容c2的一端连接；第二电容c2的另一端与第三igbt管s3的集电极连接；第三igbt管s3的发射极与第四igbt管s4的发射极连接；第四igbt管s4的集电极与高频隔离变压器t1副边绕组ts1的非同名端连接。
进一步的实施例中，b相静止无功补偿器的输入滤波器包括第二电感l2和第三电容c3；b相静止无功补偿器的反激式交交变换单元包括第五igbt管s5、第六igbt管s6、第七igbt管s7、第八igbt管s8以及高频隔离变压器t2；b相静止无功补偿器的高频隔离变压器t2包括高频隔离变压器t2原边绕组tp2和高频隔离变压器t2副边绕组ts2；b相静止无功补偿器的无功补偿电容器包括第四电容c4；
所述第二电感l2的一端作为b相静止无功补偿器的一端，第二电感l2的另一端和第三电容c3的一端同时与高频隔离变压器t2原边绕组tp2的同名端连接；高频隔离变压器t2原边绕组tp2的非同名端与第五igbt管s5的集电极连接；第五igbt管s5的发射极与第六igbt管s6的发射极连接；第六igbt管s6的集电极与第三电容c3的另一端连接并作为b相静止无功补偿器的另一端；高频隔离变压器t2副边绕组ts2的同名端与第四电容c4的一端连接；第四电容c4的另一端与第七igbt管s7的集电极连接；第七igbt管s7的发射极与第八igbt管s8的发射极连接；第八igbt管s8的集电极与高频隔离变压器t2副边绕组ts2的非同名端连接。
进一步的实施例中，c相静止无功补偿器的输入滤波器包括第三电感l3和第五电容c5；c相静止无功补偿器的反激式交交变换单元包括第九igbt管s9、第十igbt管s10、第十一igbt管s11、第十二igbt管s12以及高频隔离变压器t3；c相静止无功补偿器的高频隔离变压器t3包括高频隔离变压器t3原边绕组tp3和高频隔离变压器t3副边绕组ts3；c相静止无功补偿器的无功补偿电容器包括第六电容c6；
所述第三电感l3的一端作为c相静止无功补偿器的一端，第三电感l3的另一端和第五电容c5的一端同时与高频隔离变压器t3原边绕组tp3的同名端连接；高频隔离变压器t3原边绕组tp3的非同名端与第九igbt管s9的集电极连接；第九igbt管s9的发射极与第十igbt管s10的发射极连接；第十igbt管s10的集电极与第五电容c5的另一端连接并作为c相静止无功补偿器的另一端；高频隔离变压器t3副边绕组ts3的同名端与第六电容c6的一端连接；第六电容c6的另一端与第十一igbt管s11的集电极连接；第十一igbt管s11的发射极与第十二igbt管s12的发射极连接；第十二igbt管s12的集电极与高频隔离变压器t3副边绕组ts3的非同名端连接。
进一步的实施例中，每个igbt管均和一个二极管并联，igbt管的集电极与二极管的阴极连接，igbt管的发射极与二极管的阳极连接。第二电容c2、第四电容c4以及第六电容c6均采用薄膜电容。
本发明基于反激式交交变换器的静止无功补偿器的基本工作原理如下：
如图1所示，a相静止无功补偿器的输入输出特性为：
其中，uoa(t)为a相静止无功补偿器的输出电压，网侧电压usa(t)＝umsinωt，n为a相静止无功补偿器高频隔离变压器副边绕组与原边绕组匝数之比，d为a相静止无功补偿器的占空比，ioa(t)为a相静止无功补偿器的输出电流，c为第二电容c2的值。
b相静止无功补偿器的输入输出特性为：
其中，uob(t)为b相静止无功补偿器的输出电压，网侧电压usb(t)＝umsin(ωt-2π/3)，n为b相静止无功补偿器高频隔离变压器副边绕组与原边绕组匝数之比，d为b相静止无功补偿器的占空比，iob(t)为b相静止无功补偿器的输出电流，c为第四电容c4的值。
c相静止无功补偿器的输入输出特性为：
其中，uoc(t)为c相静止无功补偿器的输出电压，网侧电压usc(t)＝umsin(ωt+2π/3)，n为c相静止无功补偿器高频隔离变压器副边绕组与原边绕组匝数之比，d为c相静止无功补偿器的占空比，ioc(t)为c相静止无功补偿器的输出电流，c为第六电容c6的值。
且ifa(t)、ifb(t)、ifc(t)满足公式(4)：
ifa(t)+ifb(t)+ifc(t)＝0(4)
根据式(1)、(2)、(3)、(4)，可得三相静止无功补偿器向网侧注入的无功电流表达式：
由式(5)可以看出，三相静止无功补偿器的占空比是一样的，三相静止无功补偿器注入到网侧的无功补偿电流依次相差120°。
1.无功补偿原理
式(5)表明，每相静止无功补偿器向对应相电网侧注入了一个容性电流，此容性电流相位超前对应相电网电压90°，此容性电流幅值可通过控制占空比d的值来连续调节。因此每相静止无功补偿器可看成一个容值可连续调节的可变交流电容器，可以实现向电网侧提供动态无功补偿的功能。
2.控制原理
采集三相网侧电压usa、usb、usc和三相网侧电流isa、isb、isc，将三相网侧电压送入三相锁相环模块得到电网电压相位值ωt，将三相网侧电流isa、isb、isc经下式(6)所示变换得到信号iq，将信号iq经过一个二阶butterworth低通滤波器得到无功直流分量iq，作为控制环节的指令信号，并与“0”比较后作为pi调节器的输入，pi调节器的输出经限幅环节后作为三相静止无功补偿器的占空比信号。
每个igbt管的栅极和发射极之间均接收外部电路提供的控制信号，而每个igbt管的控制信号根据电网电压极性以及占空比信号与三角载波值的大小关系来确定。
当电网电压usa大于零时，第二igbt管s2和第四igbt管s4恒导通，第一igbt管s1与第三igbt管s3高频互补导通，若占空比大于等于三角载波值，则第一igbt管s1导通，若占空比小于等于三角载波值，则第三igbt管s3导通；当电网电压小于零时，第一igbt管s1与第三igbt管s3恒导通，第二igbt管s2和第四igbt管s4高频互补导通，若占空比大于等于三角载波值，则第二igbt管s2导通，若占空比小于等于三角载波值，则第第四igbt管s4导通。
当电网电压usb大于零时，第六igbt管s6和第八igbt管s8恒导通，第五igbt管s5与第七igbt管s7高频互补导通，若占空比大于等于三角载波值，则第五igbt管s5导通，若占空比小于等于三角载波值，则第七igbt管s7导通；当电网电压小于零时，第五igbt管s5与第七igbt管s7恒导通，第六igbt管s6和第八igbt管s8高频互补导通，若占空比大于等于三角载波值，则第六igbt管s6导通，若占空比小于等于三角载波值，则第八igbt管s8导通。
当电网电压usc大于零时，第十igbt管s10和第十二igbt管s12恒导通，第九igbt管s9与第十一igbt管s11高频互补导通，若占空比大于等于三角载波值，则第九igbt管s9导通，若占空比小于等于三角载波值，则第第十一igbt管s11导通；当电网电压小于零时，第九igbt管s9与第十一igbt管s11恒导通，第十igbt管s10和第十二igbt管s12高频互补导通，若占空比大于等于三角载波值，则第十igbt管s10导通，若占空比小于等于三角载波值，则第十二igbt管s12。
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
结合图1所示，一种基于反激式交交变换器的静止无功补偿器，包括三相静止无功补偿器主功率电路，其中每个单相静止无功补偿器主功率电路均包括依次连接的输入滤波器、反激式交交变换单元和无功补偿电容器。所述三相静止无功补偿器主功率电路包括a相静止无功补偿器主功率电路、b相静止无功补偿器主功率电路和c相静止无功补偿器主功率电路，a相静止无功补偿器主功率电路的一端连接至a相电网侧与a相无功负载之间的传输线上，b相静止无功补偿器主功率电路的一端连接至b相电网侧与b相无功负载之间的传输线上，c相静止无功补偿器主功率电路的一端连接至c相电网侧与c相无功负载之间的传输线上，a相静止无功补偿器主功率电路的另一端分别与b相静止无功补偿器主功率电路和c相静止无功补偿器主功率电路的另一端连接。
a相静止无功补偿器的输入滤波器包括第一电感l1和第一电容c1；a相静止无功补偿器的反激式交交变换单元包括第一igbt管s1、第二igbt管s2、第三igbt管s3、第四igbt管s4以及高频隔离变压器t1；a相静止无功补偿器的高频隔离变压器t1包括高频隔离变压器t1原边绕组tp1和高频隔离变压器t1副边绕组ts1；a相静止无功补偿器的无功补偿电容器包括第二电容c2；
所述第一电感l1的一端作为a相静止无功补偿器的一端，第一电感l1的另一端和第一电容c1的一端同时与高频隔离变压器t1原边绕组tp1的同名端连接；高频隔离变压器t1原边绕组tp1的非同名端与第一igbt管s1的集电极连接；第一igbt管s1的发射极与第二igbt管s2的发射极连接；第二igbt管s2的集电极与第一电容c1的另一端连接并作为a相静止无功补偿器的另一端；高频隔离变压器t1副边绕组ts1的同名端与第二电容c2的一端连接；第二电容c2的另一端与第三igbt管s3的集电极连接；第三igbt管s3的发射极与第四igbt管s4的发射极连接；第四igbt管s4的集电极与高频隔离变压器t1副边绕组ts1的非同名端连接。
b相静止无功补偿器的输入滤波器包括第二电感l2和第三电容c3；b相静止无功补偿器的反激式交交变换单元包括第五igbt管s5、第六igbt管s6、第七igbt管s7、第八igbt管s8以及高频隔离变压器t2；b相静止无功补偿器的高频隔离变压器t2包括高频隔离变压器t2原边绕组tp2和高频隔离变压器t2副边绕组ts2；b相静止无功补偿器的无功补偿电容器包括第四电容c4；
所述第二电感l2的一端作为b相静止无功补偿器的一端，第二电感l2的另一端和第三电容c3的一端同时与高频隔离变压器t2原边绕组tp2的同名端连接；高频隔离变压器t2原边绕组tp2的非同名端与第五igbt管s5的集电极连接；第五igbt管s5的发射极与第六igbt管s6的发射极连接；第六igbt管s6的集电极与第三电容c3的另一端连接并作为b相静止无功补偿器的另一端；高频隔离变压器t2副边绕组ts2的同名端与第四电容c4的一端连接；第四电容c4的另一端与第七igbt管s7的集电极连接；第七igbt管s7的发射极与第八igbt管s8的发射极连接；第八igbt管s8的集电极与高频隔离变压器t2副边绕组ts2的非同名端连接。
c相静止无功补偿器的输入滤波器包括第三电感l3和第五电容c5；c相静止无功补偿器的反激式交交变换单元包括第九igbt管s9、第十igbt管s10、第十一igbt管s11、第十二igbt管s12以及高频隔离变压器t3；c相静止无功补偿器的高频隔离变压器t3包括高频隔离变压器t3原边绕组tp3和高频隔离变压器t3副边绕组ts3；c相静止无功补偿器的无功补偿电容器包括第六电容c6；
所述第三电感l3的一端作为c相静止无功补偿器的一端，第三电感l3的另一端和第五电容c5的一端同时与高频隔离变压器t3原边绕组tp3的同名端连接；高频隔离变压器t3原边绕组tp3的非同名端与第九igbt管s9的集电极连接；第九igbt管s9的发射极与第十igbt管s10的发射极连接；第十igbt管s10的集电极与第五电容c5的另一端连接并作为c相静止无功补偿器的另一端；高频隔离变压器t3副边绕组ts3的同名端与第六电容c6的一端连接；第六电容c6的另一端与第十一igbt管s11的集电极连接；第十一igbt管s11的发射极与第十二igbt管s12的发射极连接；第十二igbt管s12的集电极与高频隔离变压器t3副边绕组ts3的非同名端连接。
相对于传统基于逆变器拓扑的静止无功补偿器，本发明的静止无功补偿器无需大电解电容，使用的无功补偿电容器为薄膜电容器，整个装置价格更低，易模块化制造，同时采用高频隔离变压器实现了无功补偿电容器和三相三线制电网侧的电气隔离，提高了装置的可靠性；相对于基于高频隔离式推挽正激直接交交变换器的静止无功补偿器，本发明的静止无功补偿器所用的功率开关管数量、电感数量以及变压器绕组数均较少，通过对开关管实施脉宽调制，在电网电压等级、变压器变比以及无功补偿电容器均相同时，整个装置的无功补偿电流调节范围更广。