专利名称:一种变压器隔离静止无功发生装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种电能质量治理装置，尤其是涉及一种变压器隔离型升压式移 相多重化静止无功发生装置，广泛应用于各类电力系统。
背景技术：
随着我国国民经济的高速发展，电网里感性和非线性负载不断增加，如整流器、 异步电机及电弧炉等，这些负载的不断接入使得电网电能质量持续恶化。在矿山、冶金、港 口及石化等工业负载。
解决目前电网的电能质量问题主要办法是安装FC、TSC或TCR等装置。FC为固定无 功补偿，在负载无功变化时会过补和欠补，且FC为无源滤波，滤波效果有限，对高次谐波抑 制能力不强；TSC为电容分级投切，虽然可以根据负载无功大小变化，但是它是有级调节， 而且不能连续跟踪负载变化，且同样为无源滤波，滤波效果有限；TCR采用相控电抗器加FC 方式，虽然能根据负载变化连续调节补偿容量，但TCR响应时间较长，并且TCR相控电抗器 的安装、容量一般要是补偿容量的两倍，占地面积大。此外，TCR还会向电网注入低次谐波。
以往采用的电能质量治理装置主要有FC、TSC和TCR，这些治理装置有着不少缺 点，如无实时跟踪负载变化、占地面积大、谐波抑制能力差。而SVG可连续动态的跟踪负 载的无功和谐波变化，具有很理想的治理效果，占地面积仅为TCR或TSC的三分之一左右。 但SVG需采用全控器件IGBT，单个大功率IGBT的变流模块耐压有限，其容量对于兆伏安级 的应用来说太小。并且由于IGBT开关频率受到器件自身开关频率上限的限制，大功率场合 下一般为IkHz 3kHz左右，会使SVG变流器自身产生的谐波较大，导致THD超过国标GB/ T14549-93《电能质量公用电网谐波》要求。
而采用全控器件IGBT的SVG能实时跟踪负载无功和谐波，同时还能应用于抑制闪 变和电压跌落。但由于单个IGBT模块的功率限制，目前单个IGBT变流模块的SVG的容量 很难适应工业应用的要求，因此一般采用串联或并联的方式来提高变流器容量，以下专利 申请与本方案相近。
1、现有技术1是由清华大学于2003年06月12日申请，2003年12月10日公开， 公开号为CN1461088A的中国实用新型专利申请《用于链式静止同步补偿器直流电压平衡 控制的双向变换器》主要是采用通过两个分压电容，将直流电压分成一半，采用单相H桥变 换器，通过三绕组变压器将两个单相H桥变换器输出的方波“耦合成一个交流电压输出”。 该方案采用的方波逆变，容易导致变压器饱和，虽然通过隔离电容隔离直流电流，但是这样 增加了电路的复杂性，且方波逆变的低次谐波含量大，滤波困难，很难符合电网对总谐波含 量的要求，并且是采用多绕组变压器串联方式，其变压器制造困难，成本高。该方案根据目 前SVG容量的问题提出了串联分压电容直流侧分压，隔离电容器这种设计结构作用是保护 变压不因直流偏置而饱和，双变流器的方波电压通过三绕组变压器耦合成一个交流电压， 该技术可用于级联式SVG中串联的单元模块。该方法的缺点是，其方波逆变设计由于没有 采用PWM技术，输出低次谐波含量大，难以适应输出谐波含量的要求，三绕组变压器在多个串联使用时不但占地大，而且制造难度大，生产成本高。
2、现有技术2是由刘文辉和刘文华于2005年03月16日申请，2006年07月19日 公开，公开号为CN2798390的中国实用新型专利《一种变压器隔离型静止无功发生装置的 主电路》主要是采用H桥输出侧经多绕组变压器串联隔离，直流侧电容并联在一起的方式。 该技术是通过变压器二次侧多绕组串联，使一次侧感应出电压合成，这与现有技术1类似。 该方式仍然是基于多绕组变压器串联耦合电压的原理，没使用隔离电容器，更适合采用PWM 调制方式的静止无功发生器。该方案采用多绕组变压器隔离，将二次侧多个H桥变换器的 电压耦合串联叠加到一次侧，使得输出电压得到提高，在电流一定的情况下，SVG容量得到 提高。该技术存在缺点多绕组变压器结构复杂容易出现故障，制造困难，价格昂贵，约占 SVG制造成本的1/2 1/3，多绕组变压器占地面积远远大于普通变压器，采用该种变压器 损耗增加了近50%，该种变压器的铁磁非线性特性也给控制系统设计带来了很多麻烦。
3、现有技术3是由上海交通大学于2005年09月01日申请，2006年02月22日公 开，公开号为CN1738144A的中国实用新型专利申请《单相变压器四重化IGBT型动态无功补 偿器》针对单相电路，提出以逆变输出侧串联的方式，逆变输出侧采用多绕组变压器串联隔 离，四重变流器的直流电容并联。其技术应用于三相电路时三个相的变流器共用一组直流 电容与《一种变压器隔离型静止无功发生装置的主电路》一致。该方案同样是基于多绕组 变压器串联耦合电压的原理，不同的是该方案主要针对单相电路。该方案针对SVG容量提 升的问题，其方法是单相多绕组变压器串联叠加小功率变流器电压，使得输出电压得到提 高，SVG容量得到提高。该种方法不可避免的要用到多绕组变压器，这种变压器的缺点，使 得SVG的效率降低和成本增加，不利于SVG的大规模工程化应用。
4、现有技术4是由华中科技大学于2004年07月31日申请，2005年03月02日公 开，公开号为CN1588745A的中国实用新型专利《一种大容量静止无功发生器》针对大功率 无功补偿，提出静止无功发生器采用多绕组变压器隔离，再根据所需补偿的电流在多绕组 变压器的二次侧的N个绕组注入无功电流。该方案同样是基于多绕组变压器串联耦合电压 的原理，不同之处在于该方案提出的是N个绕组，没有限定绕组数量。该方案采用多绕组变 压器隔离，在其N个绕组中注入补偿所需的无功电流，从而实现SVG的提升。
5、现有技术5是由北京思源清能电气电子有限公司、清华大学于2009年08月14 日申请，2010年01月06日公开，公开号为CN 101621202A的中国实用新型专利申请《高压 链式静止同步补偿器的控制器》针对链式结构的静止同步补偿器和静止无功发生器，提出 了一种高压链式结构的数字控制器。该方案是一个针对多绕组变压器隔离链式静止无功发 生器的控制器，主要解决的是链式静止无功发生器的控制硬件电路设计问题。该方案是根 据链式结构变压器隔离型SVG的控制需求，提出了一种控制硬件设计方案，这种方案适用 于链式结构，并局限于控制系统硬件设计内容。
6、现有技术6是由西安赛博电气有限责任公司于2005年08月02日申请，2006年 09月27日公开，公开号为C拟821993的中国实用新型专利《多重化电路结构和控制方法的 有源电力滤波器》针对有源滤波器提出了一种并联多重化电路结构，该结构通过移相多重 提高了等效开关频率，使得APF可以输出较大电流并取得更好的谐波补偿效果。该方案采 用CPS SPWM方式，使两重错开180°的相位，该方案控制针对的是谐波治理，其全部模块共 用同一组储能直流环节。方案采用并联的主电路方式，全部变流器共用一个储能单元，控制采用DFT谐波电流算法，和CPS-SPWM调制方式。该种方法存在以下局限，首先，该方案的控 制采用DFT算法不能适用于对负载无功的检测，没有相应的控制方法控制各重变流器合理 的分配无功，各重所发出的无功电流若没有合理分配会导致无功过补或者欠补，从而影响 SVG补偿性能；其次，由于各重没有采用独立的储能直流电容，如果其中一重变流器损坏， 需要将所有模块退出运行，把所有接触器跳开，并将共用电容电量通过放电电阻消耗掉，而 且在更换新的变流器之前采用该方案的SVG将无法继续工作，这不仅使SVG可靠性下降，并 且故障维修时间变长维护更加困难。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种并联多重变流器，使总输出电流得到提升，然后通 过变压器隔离升压，使输出电压抬升用户电网电压的变压器隔离静止无功发生装置，解决 大功率SVG开关频率低，输出功率不足，变流器间直流侧不独立引起的变流器可靠性下降 及损坏设备更换不便的技术问题。
本实用新型具体提供了一种变压器隔离静止无功发生装置的具体实施方式
，一种 变压器隔离静止无功发生装置，包括电流互感器、电压互感器、升压变压器、SVG启动装 置、RC滤波支路、模块电流互感器、输出电抗器和变流器单元，不少于两重的变流器单元输 出端连接输出电抗器，输出电抗器用于抑制变流器开关频率附近的谐波电流，输出电抗器 输出电流经RC滤波支路滤去高次谐波，再经过由输出端电阻和接触器构成的SVG启动装置 后，各重变流器单元的输出在低压母线处并联，合成总电流后通过升压变压器把电压提升 到电网电压，各模块连接有模块电流互感器，在低压母线上连接有低压侧电压互感器和低 压侧电流互感器，在高压母线上连接有电网侧电压互感器和电网侧电流互感器。
作为本实用新型一种变压器隔离静止无功发生装置进一步的实施方式，不少于两 重的变流器单元采用相同的结构，变流器单元包括直流电容和半导体变换器，直流电容并 联在半导体变换器的两端，半导体变换器为不少于两个的半桥电路并联形成半桥式电路。
作为本实用新型一种变压器隔离静止无功发生装置进一步的实施方式，变压器隔 离静止无功发生装置包括控制装置，控制装置包括信号采集模块、无功计算模块、无功分配 模块、双闭环控制模块和调制模块，信号采集模块通过电网侧电压互感器和电网侧电流互 感器采集高压侧电压和电流信号，无功计算模块根据采集到的电压和电流信号，实时计算 出SVG应补偿的无功电流，再由无功分配模块通过双闭环控制模块和调制模块平均分配给 各个变流器单元。
作为本实用新型一种变压器隔离静止无功发生装置进一步的实施方式，控制模块 包括有功控制环节，无功控制环节和dq变换环节，有功控制环节为双闭环反馈控制环节， 包括电流反馈内环和电压反馈外环，直流侧电压ud。反馈给控制模块构成电压反馈外环，有 功电流id反馈加PI调节器构成电流反馈内环；无功控制环节为电流闭环控制，分配给变流 器单元的无功量A经比例环节K，产生电流无功分量基准信号i…反馈信号为变流器单元 电流无功分量、反馈信号经与基准信号比较后经过PI控制环节调节，校正后的信号经dq 变换环节反变换为三相信号，然后再与移相三角波比较通过调制模块进行调制，最后输出 给变流器模块，使变流器模块输出三相电流。
作为本实用新型一种变压器隔离静止无功发生装置进一步的实施方式，变流器单元的重数为四重，所述半导体变换器包括四个并联半桥电路。
作为本实用新型一种变压器隔离静止无功发生装置进一步的实施方式，调制模块 采用CPS-SPWM调制模式，在四重变流器单元并联时，每重变流器单元的CPS-SPWM信号依次 错开90°相位。
作为本实用新型一种变压器隔离静止无功发生装置进一步的实施方式，不少于两 重的变流器单元共用一个控制装置。
一种对变压器隔离静止无功发生装置进行控制的方法的具体实施方式
，一种变压 器隔离静止无功发生装置控制方法，包括以下步骤
a.控制装置的信号采集模块通过电网侧电压互感器和电网侧电流互感器采集高 压侧电压和电流信号；
b.无功计算模块根据采集到的电压和电流信号，实时计算出SVG应补偿的无功电 流；
c.无功分配模块将SVG应补偿的无功电流值作为变流器单元的无功电流指令值 平均分配给各个变流器单元；
d.控制模块根据直流侧电压ud。反馈值，分配给变流器单元的无功量％结合有功 电流分量id和变流器单元电流无功分量、，经过控制之后输出校正后的信号，再经过dq反 变换为三相电流信号；
e.三相电流信号与移相三角波比较进行CPS-SPWM调制，CPS-SPWM调制信号输出 给变流器单元，使变流器单元输出三相电流。
作为一种变压器隔离静止无功发生装置控制方法进一步的实施方式，控制模块的 控制过程包括有功控制过程和无功控制过程，有功控制过程采用双闭环反馈控制方式，直 流侧电压ud。反馈给控制装置构成电压反馈外环，有功电流id反馈加PI调节器构成电流反 馈内环；无功控制过程采用电流闭环控制，分配给变流器单元的无功量A经比例环节K，产 生电流无功分量基准信号，反馈信号为变流器单元的电流无功分量、反馈信号、与基 准信号‘比较后经过PI控制环节调节，输出校正后的信号。
作为一种变压器隔离静止无功发生装置控制方法进一步的实施方式，三相电流信 号与移相三角波比较进行CPS-SPWM调制时，在四重变流器单元并联时，每重变流器单元的 CPS-SPWM信号依次错开90°的相位。
通过实施本实用新型一种变压器隔离静止无功发生装置的具体实施方式
，在主电 路并联多重变流器，使总的输出电流得到提升，避免了使用多绕组变压器，提高了 SVG的容 量。通过变压器隔离升压，使输出电压抬升用户电网电压。同时，不但使SVG具备滤除更高 次谐波的能力，而且提升了系统的冗余工作能力。
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例 或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅 是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提 下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实用新型一种变压器隔离静止无功发生装置应用于单相系统的电路原理图；
图2是本实用新型一种变压器隔离静止无功发生装置控制装置的系统结构组成 框图；
图3是本实用新型一种变压器隔离静止无功发生装置控制装置控制模块部分的 系统控制原理框图；
图4是本实用新型一种变压器隔离静止无功发生装置应用于三相系统的电路原 理图；
其中20、30、40、50-变流器单元，21、31_直流电容，22、32_半导体变换器，23、33、 43,53-输出电抗器，24,34,44,54-模块电流互感器，25、35、45、55_RC滤波支路，26-SVG启 动装置，7-低压母线，8-低压侧电压互感器，9-低压侧电流互感器，10-升压变压器，11-电 网侧电压互感器，12-电网侧电流互感器，13-控制装置，14-信号采集模块，15-无功计算模 块，16-无功分配模块，17-控制模块，18-调制模块，171-有功控制环节，172-无功控制环 节，173-dq变换环节。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部 的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提 下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
作为本实用新型一种变压器隔离静止无功发生装置的具体实施方式
，为了提高 SVG的容量，解决单个变流器单元输出电压和电流限制，如图1所示是本实用新型应用在单 相电路中的变压器隔离静止无功发生装置的一种典型实施方式。如图1所示，20、30、40、50 为变流器单元，21、31为直流电容，22、32为半导体功率器件，23、33、43、53为输出电抗器， 24,34,44,54为模块电流互感器，25、35、45、55为RC滤波支路，26为SVG启动装置，7为低 压母线，8为低压侧电压互感器，9为低压侧电流互感器，10为升压变压器，11为电网侧电压 互感器，12为电网侧电流互感器，13为控制装置。
其中，以第一重变流器单元为例，21为变流器单元的直流电容。可以看出，各重变 流器直流侧采用独立的直流电容，之间没有电气联系。22为变流器的半导体变换器，半导体 变换器的电路形式为半桥式电路，作为一种较佳的实施方式，为了提高输出容量，采用IPM 模块中的4个半桥电路并联。其中，并联数可设计容量需要改变使用。一个模块包括变流 器单元、输出电抗器、模块电流互感器、RC滤波支路和SVG启动装置。23为各模块的输出电 抗器，其作用是抑制变流器开关频率附近的谐波电流。24为各模块的电流互感器，采样各模 块电流，并将电流信号传递给控制装置。5为RC滤波器支路，其作用是滤除SVG单重变流器 开关频率附近的谐波电压。6为SVG启动装置，7为低压母线，8为变压器的低压侧电压互感 器，9为变压器的低压侧电流互感器，10为升压变压器；11为电网侧的电压互感器；12为电 网侧的电流互感器。
本实用新型的具体实施方式
采用多重完全相同的变流器单元并联，图1中所示为 四重变流器单元。实际使用中并不局限于四重，可以是两重、三重，也可以是四重以上并联。 通过集中的控制装置控制各模块载波移相一定的角度，如在采用四重变流器单元模块并联时，每重变流器单元的CPS-SPWM信号依次错开90°，每组变流器单元都有自己的电流互感 器和电压互感器实现移相多重化。变流器单元输出端连接输出电抗器后，经RC滤波支路滤 去高次谐波，再经过由输出端电阻和接触器构成SVG启动装置，各重变流器单元的输出在 低压交流母线处并联，合成低次谐波含量较小的总电流，然后通过升压变压器10把电压提 升到电网电压。由于经过升压变压器10隔离降低了 SVG变流器侧的电压等级，从而变流器 柜体的绝缘设计只需按低电压等级计算。在SVG系统发生短路故障时，升压变压器能从一 定程度上抑制短路电流。
作为一种典型的实施方式，所有变流器单元共用一个公共的SVG控制装置13，以 第一重A相电流控制为例，通过采集图1中流互CTlA的二次侧信号，把第一重的A相变流 器输出电流的实时波形信号反馈给控制装置，用以实现第一重A相电流实时控制，四个变 流器采用多重三角波移相控制，每重变流器都使用同一个电流无功分量信号。
如图2所示，变压器隔离静止无功发生装置包括控制装置13，控制装置包括信号 采集模块14、无功计算模块15、无功分配模块16、双闭环控制模块17和调制模块18，信号 采集模块14通过电网侧电压互感器11和电网侧电流互感器12采集高压侧电压Us和电流 信号Is，无功计算模块15根据采集到的电压和电流信号，使用无功电流提取算法实时计算 出SVG应补偿的无功电流，再由无功分配模块16通过双闭环控制模块17和调制模块18平 均分配给各个变流器单元，作为各变流器单元的无功电流指令值。
下面结合具体实例将控制过程介绍如下。当SVG有N重变流器单元并联时，以第 一重变流器单元控制为例，设SVG所需发出总的无功为(^sve,则第一重变流器单元实际所需 发出无功可根据下式计算
权利要求
1.一种变压器隔离静止无功发生装置，其特征在于包括电流互感器、电压互感器、升 压变压器、SVG启动装置、RC滤波支路、模块电流互感器、输出电抗器和变流器单元，不少于 两重的变流器单元输出端连接输出电抗器，经RC滤波支路滤去高次谐波，再经过由输出端 电阻和接触器构成的SVG启动装置后，各重变流器单元的输出在低压母线处并联，合成总 电流后通过升压变压器把电压提升到电网电压，各模块连接有模块电流互感器，在低压母 线上连接有低压侧电压互感器和低压侧电流互感器，在高压母线上连接有电网侧电压互感 器和电网侧电流互感器。
2.根据权利要求
1所述的一种变压器隔离静止无功发生装置，其特征在于所述不少 于两重的变流器单元采用相同的结构，变流器单元包括直流电容和半导体变换器，直流电 容并联在半导体变换器的两端，半导体变换器为不少于两个的半桥电路并联形成半桥式电 路。
3.根据权利要求
1或2所述的一种变压器隔离静止无功发生装置，其特征在于所述 变压器隔离静止无功发生装置包括控制装置，控制装置包括信号采集模块、无功计算模块、 无功分配模块、双闭环控制模块和调制模块，信号采集模块通过电网侧电压互感器和电网 侧电流互感器采集高压侧电压和电流信号，无功计算模块根据采集到的电压和电流信号， 实时计算出SVG应补偿的无功电流，再由无功分配模块通过双闭环控制模块和调制模块平 均分配给各个变流器单元。
4.根据权利要求
3所述的一种变压器隔离静止无功发生装置，其特征在于所述控制 模块包括有功控制环节，无功控制环节和dq变换环节，有功控制环节为双闭环反馈控制环 节，包括电流反馈内环和电压反馈外环，直流侧电压ud。反馈给控制模块构成电压反馈外 环，有功电流id反馈加PI调节器构成电流反馈内环；无功控制环节为电流闭环控制，分配 给变流器单元的无功量A经比例环节K，产生电流无功分量基准信号i一反馈信号为变流 器单元电流无功分量、反馈信号经与基准信号比较后经过PI控制环节调节，校正后的信 号经dq变换环节反变换为三相信号，然后再与移相三角波比较通过调制模块进行调制，最 后输出给变流器模块，使变流器模块输出三相电流。
5.根据权利要求
4所述的一种变压器隔离静止无功发生装置，其特征在于所述变流 器单元的重数为四重，所述半导体变换器包括四个并联半桥电路。
6.根据权利要求
5所述的一种变压器隔离静止无功发生装置，其特征在于所述调制 模块采用CPS-SPWM调制模式，每重变流器单元的CPS-SPWM信号依次错开90°相位。
7.根据权利要求
4或5所述的一种变压器隔离静止无功发生装置，其特征在于所述 不少于两重的变流器单元共用一个控制装置。
专利摘要
本实用新型公开了一种变压器隔离静止无功发生装置，包括电流互感器、电压互感器、升压变压器、SVG启动装置、RC滤波支路、模块电流互感器、输出电抗器和变流器单元，不少于两重的变流器单元输出端连接输出电抗器，经RC滤波支路滤去高次谐波，再经过由输出端电阻和接触器构成的SVG启动装置后，各重变流器单元输出在低压母线处并联，合成总电流后通过升压变压器把电压提升到电网电压，各模块连接有模块电流互感器，低压母线连接有低压侧电压互感器和电流互感器，高压母线连接有电网侧电压互感器和电流互感器。本实用新型描述的静止无功发生装置提高了输出电流和SVG容量，不但使SVG具备滤除更高次谐波的能力，而且提升了系统冗余度。
文档编号H02J3/18GKCN201937279SQ201120077723
公开日2011年8月17日 申请日期2011年3月22日
发明者余军, 刘华东, 吴选保, 周方圆, 周靖, 张定华, 朱建波, 李青山, 王卫安, 王才孝, 胡前, 胡晓东, 莫添珍, 蔡蔚, 谭胜武, 邱文俊, 黄燕艳, 龙礼兰 申请人:株洲变流技术国家工程研究中心有限公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan