电容器组柔性投切方法及装置的制造方法
【专利摘要】本发明涉及电容器组柔性投切方法及装置，所述方法包括如下步骤：1）将无功补偿电容器组与三相电网通过一由若干变流子模块组成的柔性投切开关连接，每个变流子模块设有绝缘栅双极型晶体管；2）柔性投切开关根据电网实际需要补偿的容性无功功率的大小，计算出需要的无功电流大小，将所述无功电流与实际的无功电流作差，得到装置指令电流；3）每个变流子模块通过控制绝缘栅双极型晶体管的通断，控制流入三相电网中的实际无功电流大小，改变无功补偿电容器组两端电压，实现无功补偿电容器组的柔性投切。有益效果为：实现无功电容器组的柔性投切，对电容器本身及电网接入点处的冲击小，延长了设备的使用寿命，降低设备故障率。
【专利说明】
电容器组柔性投切方法及装置
技术领域
[0001]本发明属于电能质量治理领域，尤其涉及一种电容器组柔性投切方法及装置。
【背景技术】
[0002]并联电容器作为无功功率补偿装置，因其结构简单、成本低廉，在现行高、低压系统中都得到了广泛的应用，但从使用的情况来看，效果不够理想，这是由于所并联电容器有一定的容量，所能补偿的无功电流为某一定值时，很容易出现“过补”、“欠补”、“投切振荡”和“谐波谐振”等问题，也有人提出用8: 4:2:1进行配置，虽然能解决一部分无功欠补或过补的问题，但本质上仍然不能做到对无功补偿的实时无差跟踪，尤其是对具有较大冲击负荷(如电弧炉、冲击焊接等)的工矿企业10 kV变电所问题更为明显。同时，上述无功补偿需求量较大的企业同时也存在谐波含量超标的问题，对电网各项电能质量指标造成较大干扰，如何解决谐波和无功补偿的问题成了目前讨论的重点。
【发明内容】
[0003]本发明目的在于克服以上现有技术之不足，提供一种结合有源滤波功能的电容器组柔性投切方法及装置，其目的是改善电网或企业1KV变电站电容器组投切方式，实现无功补偿容量的无极调节，减小投切过程的母线电压波动，同时在网测谐波含量较高时兼具有源滤波的功能，提高了负载的功率因数，降低企业的生产成本，实现节能减排的目的。具体由以下技术方案实现:
所述电容器组柔性投切方法，包括如下步骤:
1)将无功补偿电容器组与三相电网通过一由若干变流子模块组成的柔性投切开关连接，每个变流子模块设有绝缘栅双极型晶体管；
2)柔性投切开关根据电网实际需要补偿的容性无功功率的大小，计算出需要的无功电流大小，将所述无功电流与实际的无功电流作差，得到装置指令电流；
3)每个变流子模块根据所述装置指令电流控制绝缘栅双极型晶体管的通断，控制流入三相电网中的实际无功电流大小，改变无功补偿电容器组两端电压，实现无功补偿电容器组的柔性投切。
[0004]所述的电容器组柔性投切方法的进一步设计在于，所述柔性投切开关采用三相级联H桥拓扑结构，所述三相级联H桥拓扑结构中的每相为所述变流子模块相互串联形成，并分别与所述三相电网中的一相连接。
[0005]所述的电容器组柔性投切方法的进一步设计在于，所述变流子模块中的绝缘栅双极型晶体管为四个分为两组，每组的两个绝缘栅双极型晶体管串联形成一个全控型开关器件，两个所述全控型开关器件并联之后再与一电容并接，每个绝缘栅双极型晶体管反并联一个二极管。
[0006]所述的电容器组柔性投切方法的进一步设计在于，在电容器组和柔性投切开关相连的三相线中两相邻相之间分别设置一个接触器，当接触器断开时，实现无功电容器组的柔性投切;当接触器闭合时，柔性投切开关实现有源滤波功能。
[0007]所述的电容器组柔性投切方法的进一步设计在于，所述变流子模块通过调制信号控制绝缘栅双极型晶体管的通断，所述调制信号为PWM信号根据所述装置指令电流通过PWM调制方法产生
如所述的电容器组柔性投切方法，提供一种结合有源滤波功能的电容器组柔性投切装置，所述装置与三相电网连接，包括电容器组、柔性投切开关，所述电容器组的每相通过所述柔性投切开关与三相电网连接，所述柔性投切开关包含有若干用于接收调制信号的变流子模块，所述变流子模块根据所述调制信号调整输出端电压。
[0008]所述的电容器组柔性投切装置的进一步设计在于，所述电容器组为三相星形连接的电容器组。
[0009]所述的电容器组柔性投切装置的进一步设计在于，所述柔性投切开关采用三相级联H桥拓扑结构，所述三相级联H桥拓扑结构中的每相由若干所述变流子模块串联而成，并分别与所述三相电网中的一相连接，所述柔性投切开关的三相出线分别对应地与电容器组的三相相连。
[0010]所述的电容器组柔性投切装置的进一步设计在于，电容器组和柔性投切开关间的三相线分别为A相、B相以及C相，在A相和B相之间、B相和C相之间分别接有一个接触器。
[0011]所述的电容器组柔性投切装置的进一步设计在于，所述变流子模块采用H桥拓扑结构，包括四个绝缘栅双极型晶体管、四个二极管以及一个电容，两个所述绝缘栅双极型晶体管为一组串联形成一个全控型开关器件，两个所述全控型开关器件并联之后再与所述电容并接，每个绝缘栅双极型晶体管反并联一个所述二极管。
[0012]所述的电容器组柔性投切装置的进一步设计在于，还包括调制控制模块，所述调制控制根据PWM调制方法控制产生所述调制信号，并生成用于控制接触器开合的控制信号。
[0013]本发明的优点如下:
本发明的结合有源滤波功能的电容器组柔性投切方法及装置可实现无功电容器组的柔性投切，对电容器本身及电网接入点处的冲击小，延长了设备的使用寿命，降低设备故障率。
[0014]更为优选地，较之传统的晶闸管投切电容器装置，H桥级联柔性开关型无功补偿电容器用高集成度的功率开关模块代替大容量机械开关，可极大地减小设备整体体积和占地面积，从而降低设计及生产成本。
[0015]更为优选地，通过在电容器与柔性投切开关间添设接触器，使得该装置在接触器导通时实现无功补偿功能，兼具了目前SVG动态响应快、无功可无级调节及传统无功补偿电容器组工作稳定可靠等优点。在实现有源滤波功能时，整体性能指标能够超过传统整流桥拓扑结构的APF有源滤波器。整个装置为级联多电平拓扑结构，其交流输出电压谐波含量低，保证了整个无功补偿回路的电流谐波畸变率较低，工作时噪音小。相比于传统的无功补偿装置，补偿容量较大时它的成本更低，工程人员在现场安装也更加方便。
【附图说明】
[0016]图1是本发明结合有源滤波功能的电容器组柔性投切装置结构示意图。
[0017]图2为本发明中柔性投切开关结构示意图。
[0018]图3为本发明中柔性投切开关的变流子模块结构示意图。
[0019]图中:1.柔性投切开关，2电抗器，3.三相电网，4.电容器组，5.软启动开关，6.电网负载，7.变流子模块，8.接触器，9.绝缘栅双极型晶体管，10.电容器，11.二极管。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明:
本实施例的结合有源滤波功能的电容器组柔性投切方法，包括如下步骤:I)将无功补偿电容器组与三相电网通过一由若干变流子模块组成的柔性投切开关连接，每个变流子模块设有绝缘栅双极型晶体管。2)柔性投切开关根据电网实际需要补偿的容性无功功率的大小，计算出需要的无功电流大小，将无功电流与实际的无功电流作差，得到装置指令电流。
3)每个变流子模块根据所述装置指令电流控制绝缘栅双极型晶体管的通断，控制流入三相电网中的实际无功电流大小，改变无功补偿电容器组两端电压，实现无功补偿电容器组的柔性投切。
[0021]进一步地，柔性投切开关采用三相级联H桥拓扑结构，三相级联H桥拓扑结构中的每相为变流子模块相互串联形成，并分别与三相电网中的一相连接。
[0022]变流子模块采用H桥拓扑结构，变流子模块中的绝缘栅双极型晶体管为四个分为两组，每组的两个绝缘栅双极型晶体管串联形成一个全控型开关器件。两个全控型开关器件并联之后再与一电容并接，每个绝缘栅双极型晶体管反并联一个二极管。
[0023]在电容器组和柔性投切开关相连的三相线中两相邻相之间分别设置一个接触器，当接触器断开时，实现无功电容器组的柔性投切。当接触器闭合时，柔性投切开关实现有源滤波功能。在实现有源滤波功能时，整体性能指标能够超过传统整流桥拓扑结构的APF有源滤波器。整个装置为级联多电平拓扑结构，其交流输出电压谐波含量低，保证了整个无功补偿回路的电流谐波畸变率较低，工作时噪音小。
[0024]变流子模块通过调制信号控制绝缘栅双极型晶体管的通断，调制信号为PWM信号根据装置指令电流通过PWM调制方法产生。
[0025]根据上述方法提供一种结合有源滤波功能的电容器组柔性投切装置，如图1，该装置主要由柔性投切开关1、电抗器2、软启动开关5、调制控制模块和电容器组4组成。三相电网3连接电网负载6，柔性投切开关I通过三相进线与三相电网3相连，在电容器组4和柔性投切开关I相连的三相线A相和B相之间、B相和C相之间分别接有一个接触器8，由调制控制模块给出的接触器控制信号控制接触器通断，以实现电容器组柔性投切工作模式和多电平级联开关有源滤波工作模式的切换。电容器组4中为三个星形连接的电容器，柔性投切开关I的三相出线分别与三个电容器相连。在本实施例中，电容器组4中每组的电容器为I个，但本发明并不止于此，电容器组4中每组电容器的数量可根据电容器组4单组容量大小确定。三相电网3的每一相分别依次连接有软启动开关5和电抗器2，电抗器2再与柔性投切开关I相连。其中，软启动开关5用于减小装置启动时的电流突变，为电阻串联继电器再与继电器并联而成。在接收到启动指令后，装置启动瞬间，软启动开关5连通电阻，限制启动电流的大小；当达到一定时间后，连通与电阻并联的一继电器，将此电阻旁路，以实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸，起到保护装置电路的作用。电抗器是一电感元件，用于减小输出电压的毛刺，起到滤波的作用。
[0026]如图2，本实施例的柔性投切开关I采用三相H桥级联桥拓扑结构，三相级联H桥拓扑结构中的每相为三个变流子模块7相互串联形成，之后每相分别通过电抗器2与三相电网3中的一相连接。
[0027]如图3，柔性投切开关I中的变流子模块7为H桥拓扑结构，由两组全控型开关器件绝缘栅双极型晶体管并联之后再与电容器9并联组成。每组全控型开关器件绝缘栅双极型晶体管由两个全控型开关器件绝缘栅双极型晶体管8串联形成。
[0028]绝缘栅双极型晶体管8的基极经驱动电路与调制控制模块连接(图中未示出)，控制模块调制电流产生开关控制信号。开关控制信号为调制后的经过驱动电路驱动的信号，实现开关器件的通断。驱动电路的作用是改变控制模块输出的控制信号的电压电流水平，使其达到控制IGBT的要求。在正常工作状态下，变流子模块7之间保持有一个相对不变的正向电压(正向电压由电容器9维持，防止变流子模块7直流侧电压出现较大波动，影响变流子模块7交流侧电压输出性能)。当变流子模块7正向导通时，电流流经变流子模块7的H桥拓扑结构中左上角与右下角的绝缘栅双极型晶体管8;反向导通时，电流流经变流子模块7的H桥拓扑结构中左下角与右上角的绝缘栅双极型晶体管8。以正向导通变换为反向导通的电流流向变换的瞬间为例，此时左下角与右上角的绝缘栅双极型晶体管8还没有正常工作，电流流向不可能瞬间反相，这时需要左下角与右上角的绝缘栅双极型晶体管8反并联的二极管10提供正向残余电流的导通回路，起续流作用。当正向电流为零，左下角与右上角的绝缘栅双极型晶体管8达到导通条件后，此时形成反相电流回路;此时所有二极管承受的均为反相电压，不会导通。
[0029]基于H桥级联的电容器组柔性投切开关I，运用H桥(HBridge)模块化多电平变流技术。当接触器8关断，相当于在普通电容器组4与电网之间串联H桥级联柔性开关，此时装置工作在无功补偿模式下。通过改变该H桥级联的柔性投切开关I的输出电压大小，来改变无功补偿电容器组两端电压大小，而电容器的容抗大小仅与电网角频率相关，不会跟随接入端的电压变化，因此电容器组的输出无功电流大小便可实现无级调节，即实现了无功补偿电容器组的柔性投切。所以，将H桥级联并加以HVM控制，可实现控制级联H桥结构输出的电压大小和波形。
[0030]当H桥级联的柔性投切开关I两端电压减小时，普通电容器组4两端电压增大，其无功电流也相应增大，相当于电容器组4投入运行；当H桥级联的柔性投切开关I两端电压增大时，普通电容器组4两端电压减小，其无功电流也相应减小，相当于电容器组4退出运行。因此可知，通过H桥级联柔性开关I电路输出电压的无极柔性调节，可间接控制无功补偿电容器组4两端的电压，从而实现电容电流大小可控，即实现了无功补偿电容器组的柔性投切功會K。
[0031]H桥级联的柔性投切开关I的控制模块根据电网实际需要补偿的容性无功功率的大小，计算出需要的无功电流大小，将此电流与实际的无功电流(即流过本装置的电流)作差，得到装置指令电流，利用PWM调制方法产生PffM波，该PWM波控制每个变流子模块7中绝缘栅双极型晶体管8的通断，来控制流入电网中的实际无功电流大小，进而改变该柔性投切开关在整个电路中的分压，达到改变无功补偿电容器组两端电压的目的，最终实现无功补偿电容器组的柔性投切。在本发明中，对电流的调制可以但不局限于PWM调制方法。
[0032]当接触器8导通，相当于在普通电容器组4在整个主电路中被旁路掉，此时H桥级联的柔性投切开关I三相出线端被短路在一起构成星形连接电路。这时，H桥级联的柔性投切开关I连同控制模块和与之串联的电感2、软启动装置5—同构成多电平有源滤波器。H桥级联的柔性投切开关I的控制模块根据电网以需要补偿的谐波电流的大小为指令电流，利用PffM调制方法产生PWM波，该PffM波控制每个变流子模块7中绝缘栅双极型晶体管8的通断，来控制流入电网中的谐波补偿电流大小，进而抵消电网负载测产生的谐波电流，达到改善电网电压因谐波含量超标而畸变的目的。本发明中，可通过控制电路控制指令的改写，使柔性投切开关的带载能力完全用来进行谐波的补偿，相比传统有源滤波装置拥有更大的补偿能力。在本发明中，对电流的调制可以但不局限于PWM调制方法。
[0033]本发明的电容器组柔性投切装置能够适用于大部分的传统电容器组改造及新建变电站的无功补偿及有源滤波解决方案，对电网的电能质量要求比较高的地区，该电容器组柔性投切装置比较明显，解决了常见的普通电容器组带来的电压波动及功率因数偏低等问题，提高了电网的功率因数，改善电网污染，保证了电能的质量。同时对整个柔性投切装置进行模块化制作和调试，可根据变电站的实际电容器容量和无功需求进行调整和扩充，在不替换传统电容器的情况下，极大地缩短了电容器组改造的时间，降低了造价和空间成本。从原理角度出发，与其他投切方式不同的是，柔性投切装置两端的电压与输出无功功率的大小成反比，柔性投切装置各器件所需的耐压值更低，成本更少。相比于传统投切方式，模块化的柔性投切装置所需空间更小，可整合至一个开关柜内。由于该柔性投切装置整合了有源滤波功能，这为一些以前不具备谐波治理条件和设备、同时又有电容器组投切方式改造需求的场所提供了一种新的思路和选择。
[0034]本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。
【主权项】
1.一种电容器组柔性投切方法，其特征在于包括如下步骤: 1)将无功补偿电容器组与三相电网通过一由若干变流子模块组成的柔性投切开关连接，每个变流子模块设有绝缘栅双极型晶体管； 2)柔性投切开关根据电网实际需要补偿的容性无功功率的大小，计算出需要的无功电流大小，将所述无功电流与实际的无功电流作差，得到装置指令电流； 3)每个变流子模块根据所述装置指令电流控制绝缘栅双极型晶体管的通断，控制流入三相电网中的实际无功电流大小，改变无功补偿电容器组两端电压，实现无功补偿电容器组的柔性投切； 所述柔性投切开关采用三相级联H桥拓扑结构，所述三相级联H桥拓扑结构中的每相为所述变流子模块相互串联形成，并分别与所述三相电网中的一相连接。2.根据权利要求1所述的电容器组柔性投切方法，其特征在于所述变流子模块采用H桥拓扑结构，变流子模块中的绝缘栅双极型晶体管为四个分为两组，每组的两个绝缘栅双极型晶体管串联形成一个全控型开关器件，两个所述全控型开关器件并联之后再与一电容并接，每个绝缘栅双极型晶体管反并联一个二极管。3.根据权利要求1所述的电容器组柔性投切方法，其特征在于在电容器组和柔性投切开关相连的三相线中两相邻相之间分别设置一个接触器，当接触器断开时，实现无功电容器组的柔性投切;当接触器闭合时，柔性投切开关实现有源滤波功能。4.根据权利要求1所述的结合有源滤波功能的电容器组柔性投切方法，其特征在于所述变流子模块通过调制信号控制绝缘栅双极型晶体管的通断，所述调制信号为PWM信号根据所述装置指令电流通过PWM调制方法产生。5.如权利要求1-4任一项所述的电容器组柔性投切方法的结合有源滤波功能的电容器组柔性投切装置，所述装置与三相电网连接，其特征在于，包括电容器组、柔性投切开关，所述电容器组的每相通过所述柔性投切开关与三相电网连接，所述柔性投切开关包含有若干用于接收调制信号的变流子模块，所述变流子模块根据所述调制信号调整输出端电压。6.根据权利要求5所述的电容器组柔性投切装置，其特征在于，所述电容器组为三相星形连接的电容器组。7.根据权利要求6所述的电容器组柔性投切装置，其特征在于，所述柔性投切开关采用三相级联H桥拓扑结构，所述三相级联H桥拓扑结构中的每相由若干所述变流子模块串联而成，并分别与所述三相电网中的一相连接，所述柔性投切开关的三相出线分别对应地与电容器组的三相相连。8.根据权利要求7所述的电容器组柔性投切装置，其特征在于，电容器组和柔性投切开关间的三相线分别为A相、B相以及C相，在A相和B相之间、B相和C相之间分别接有一个接触器。9.根据权利要求8所述的电容器组柔性投切装置，其特征在于，所述变流子模块采用H桥拓扑结构，包括四个绝缘栅双极型晶体管、四个二极管以及一个电容，两个所述绝缘栅双极型晶体管为一组串联形成一个全控型开关器件，两个所述全控型开关器件并联之后再与所述电容并接，每个绝缘栅双极型晶体管反并联一个所述二极管。10.根据权利要求9所述的电容器组柔性投切装置，其特征在于，还包括调制控制模块，所述调制控制根据PWM调制方法控制产生所述调制信号，并生成用于控制接触器开合的控制信号。
【文档编号】H02J3/18GK105826928SQ201610247515
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年4月20日
【发明人】王球, 周洪伟, 王菲, 杜渐, 王宝安, 陈维舟
【申请人】江苏省电力公司电力经济技术研究院, 江苏省电力公司, 南京电力工程设计有限公司, 国家电网公司