使用电流源型交流器的无功功率补偿装置的制作方法

专利名称:使用电流源型交流器的无功功率补偿装置的制作方法
一般地说，本发明涉及一种在三相负载中检测瞬时无功电流的装置以及一种使用变流器进行无功功率补偿的装置，其中，使用了上述瞬时无功电流检测装置。更具体地说，本发明涉及一种使用一包含一电流源型变流器的、与三相负载电路相并联的电路对三相电源中的瞬时无功功率进行补偿而对变流器电路的输出电压不产生影响的装置。
有一种广泛应用的局部(local)电气系统，在这种系统中，包含电流源型变流器地变流器负载电路与包含常规三相负载的通用负载电路与一三相电源并联。上述变流器负载电路包括经由电流源型变流器与之相连接的直流负载或通过逆变电路与之相连接的诸如交流电动机之类的交流负载。在这种电气系统中，通用负载电路中有很多包含各种使功率因素下降的电抗负载，从而产生相应的无功功率，不可避免地给三相电源增加了负载。在这种情况下，人们希望无功功率可以从变流器负载电路得到补偿，因为如果这点能做到的话，由于无功功率而加在三相负载上的负载即可减轻，为了得到一给定的有效电源，供电设备的装机容量就可以减小。为了允许通过电流源型变流器来补偿无功功率，通过变流器电路对电流的控制来补偿相应于无功功率的无功电流将是富有成效的。为此，有必要检测出通用负载电路中的瞬时无功电流并使用变流器电路对瞬时无功电流进行补偿。
作为迄今所知的瞬时无功电流检测装置，可以举出在“日本电气工程师学会”杂志(PeriodicaloftheInstituteofElectricalEngineersofJapan)第103卷，第7期，第483-490页上发表的、题为“瞬时无功功率的分析及其应用”一文中的装置。这一已知的检测装置具有包括一个三相/二相转换电路在内的极其复杂的电路结构。诚然，这种已有的检测装置的优点在于，即使当电源电压的波形发生畸变时，也可以检测出瞬时无功电流。然而，一般说来，电源电压的波很少发生畸变，即使假定电源电压的波形是三相正弦波，也不会有任何显著的误差。因此，人们要求瞬时无功电流检测装置的电路结构大大简化。
还有一种检测并确定瞬时无功功率的方法，根据这种已知的方法，供电电源的每一个相电流均乘以与之相关联的、并经过90°相移的相电压，然后将分别得出的三相的乘积相加。这可参见公开号为第125035/1980(JP-A-55-12503)的日本专利申请。然而，上述公告中并不包含有关瞬时无功电流检测的内容。
作为无功功率补偿装置，迄今为止，在许多应用中，都使用电容。近年来，则趋向于使用有源滤波器。
使用电容时，仅有那些由于相位滞后而产生的无功功率可以得到补偿，可以供应的无功电流仅限于正弦波的电流。另一方面，对于使用GTO和/或晶体管的有源滤波器系统来说，由于相位超前的电流而产生的无功功率可以得到补偿，正弦波以外的波形的无功电流也能供应。
如果具有正弦波形以外的以及具有谐波成份的无功电流可以得到补偿，则电源的谐波电流成份也可以降低，因此，与使用电容作为无功功率补偿装置的情形相比，电源波形可以得到进一步的改善。为此，必须检测出无功电流的谐波成份量。然而，迄今所知的瞬时无功功率检测装置，要无时间延迟地检测无功电流相当困难，这是因为这种装置电路结构复杂，须包括一个三相/二相以及类似的转换电路。
现有技术中还有一种瞬时无功功率补偿装置，那就是发表在“日本电气工程师协会协会”杂志B106卷，第4期，第323-330页上的、题为“使用电压源型PWM(脉宽调制器)变流器的瞬时无功功率补偿装置的工作过程分析及其设计”一文中使用电压源型变流器的无功功率控制装置。然而，文中未提出任何使用电流源型变流器以及控制其输出电流将瞬时无功功率补偿至电流变流器的最大可能容量的方法或建议。
本发明的第一个目的在于提供一种能检测三相负载电路中的瞬时无功电流而没有时间延迟的装置，该装置电路结构简单，毋须使用诸如三相/二相转换电路之类的结构复杂的电路。
本发明的第二个目的旨在提供一种作为包括常规的三相负载的通用负载电路的无功功率补偿装置，并且与一个三相电源以及一包括一个与所述通用负载电路相配合的电流源型变流器的变流器负载电路相并联而构成一电气系统，其中，对无功功率的补偿是通过检测瞬时无功电流以及根据检测到的瞬时无功电流去控制电流源型变流器的开关元件而得以实现的。
根据本发明的第一个方面，提供了一种用于检测三相负载瞬时无功电流的装置，该装置包括产生分别对应于由三相供电电源提供给三相负载的相电流的三相电流信号的第一装置，相电流信号的瞬时值指示出与三相负载相电流相关联的瞬时值。产生具有分别与三相电源的相电压相差90°相位差的三相正弦波信号的第二装置，用于产生对应于分别将三相电流信号的相电流信号的瞬时值与对应相的正弦波信号的瞬时值相乘后的积相加之和的等效信号的第三装置，根据所述“和”等效信号和所述三相正弦波信号确定所述三相负载的每一相中的瞬时无功电流的第四装置。
根据本发明的第二个方面，提供了一种通过使用在一个电气系统中的电流源型三相变流器电路对提供给通用负载电路的无功功率进行补偿的装置，在所述电气系统中，包括所述电流源型三相变流器的变流器负载电路以及包括通常三相负载的通用负载电路与一个三相电源相连接，该装置包括用于确定第一值，即与变流器的输出电流控制一起选择的控制系数所应采取的值，以便使所述变流器产生所需的输出电流的第一装置，用于产生与提供给通用负载电路的瞬时无功功率有关的信号的第二装置，用于确定控制系数所应采用的第二值、以便根据与瞬时无功功率相关的信号来补偿瞬时无功功率的第三装置，用于根据所述第一和第二值来控制所述电流源型变流器的开关元件的第四装置。
下面，简要说明一下本发明的一个实施例的附图，其中，
图1是根据本发明的一个实施例的瞬时无功电流检测装置的电路结构的方框图;
图2是根据本发明的另一个实施例，通过使用电流源型变流器来补偿三相负载电路中的无功功率的装置的电路结构方框图;
图3展示了具有与三相电源相连接的电流源型变流器的负载电路;
图4A和4B是用于说明构成如图3所示的电流源型变流器的主要部分的开关元件的工作原理的示意图;
图5展示了如图2中所示的瞬时无功电流检测装置的电路结构;
图6展示了如图2中所示的算术运算单元的工作流程图。
现在，描述根据本发明的一个典型的实施例的三相负载的瞬时无功电流检测装置。在本例中，假定三相负载中的各个相电流互相平衡而无零相序电流流动。鉴于这种情形在通常的三相负载中非常普遍，因而上述假定并不对本发明的价值产生任何影响。
现请参见图1，三相电压分别由eu、ev和ew来表示，线电压的有效值由Ea表示，u相的电角度由2πft来表示(其中，f表示电源频率)。这样，三相电压eu、ev和ew间的下列关系将成立

在这些条件下，以及在零相序电流为0的假设下，三相电流iu、iv、iw间将满足下面的表达式(2)
iu+iv+iw＝0……(2)
当相电流iu、iv、iw的有效值由I来表示而与相应的相电压的位相位差由α来表示，则下列关系式成立

更具体地说，相电流iu、iv和iw可由下列表达式来表示

由表达式(1)和(4)，可得出电功率P的表达式为
P＝eu·iu+ev·iu+ew·iw
＝2/·Ea·I[cosα｛sin2θ+sin2(θ-2/3·π)｝
+sin2(θ-4/3·π)+sinα｛sinθ·cosθ
+sin(θ-2/3·π)cos(θ-2/3·π)｝
+sin(θ-4/3·π)·cos(θ-4/3·π)]
＝·Ea·I·cosα+0……(5)
从上列表达式中可以看出，分别由表达式(4)的第一项所给出的相电流分量iup、ivp和iwp系对电功率的产生有贡献的有效部分，而表达式(4)的第二项相对于相应的相电压有90°的位相差，因而分别表示无功电流部分。
在单相系统的情形中，无功功率在一个周期内的积分变为零。因此，当电功率在短于一个周期的时间间隔内变化时，“无功功率”这一概念并无任何积极的或明显的意义。相反，在三相电源系统中的情形下，则存在着无功电流的瞬时值。
通过将一用于检测和吸收无功电流的电路连接在电源之上，仅有瞬时有效相电流iup、ivp和iwp能流向电源。流向电源的相电流与相应的源电压同相。因此，电源的容量仅需足以提供与有效功率相应的电流即可。
因此，本发明的关键在于检测由表达式(4)第二项所给出的瞬时无功电流。为此，必须确定公共部分·I·sinθ，这是通过确定无功功率Q而得以实现的。在这种情形中，下列表达式成立
Q/(·Ea)＝iucosθ+ivcos(θ-2/3·π)+iwcos(θ-4/3·π)
＝·I[cosα｛sinθ·cosθ+sin(θ-2/3·π)·cos(θ-2/3·π)
+sin(θ-4/3·π)·cos(θ-4/3·π)｝
+{sinα(cos2θ+cos2(θ-2/3·π)+cos2(θ-4/3·π｝]
＝0+3/2·I·sinα……(6)
换言之，首先确定Q/(·Ea)式并乘以·Isin α，所得的乘积分别乘以cos θ，cos(θ-2/3·π)以及cos(θ-4/3·π)，从而分别确定三相瞬时无功电流iuq、ivq和iwq。
现请参见图1，图中参考字母L表示三相负载，该负载要求包括瞬时无功电流分量在内的三相电流。该负载由三相电流iu、iv和iw供电，其中，电流iu和iv分别由电流互感器CTu和CTv测得。参考字母SP代表一个同步脉冲发生器，该发生器在u相电压每一个过零点根据u-v相间电压值产生一个脉冲，然后，将如此产生的脉冲加到正弦波发生器SG上去，然后，SG分别产生由cos θ，cos(θ-2/3·π)和cos(θ-4/3·π)表示的三相正弦波，θ在过零点脉冲出现的时刻的值被设为0。通过和表达式(1)比较可以看出，这些正弦波与电源电压相差90°的相位。
加法器A1的一个附加功能是根据iw＝-(in+iv)来确定相电流in。通过将以这种方式确定的三相电流的瞬时值分别通过乘法器M1、M2和M3乘以与瞬时三相电流值在同一时刻出现的三相正弦波的相应的相位的瞬时值，并随后通过加法器A2将由此得到的乘积加起来，这样，就可确定表达式(6)中3/2·I·sin θ项的值。然后，通过将由此确定的值乘以系数2/3就可确定·I·sin α的值，该值再分别通过乘法器M4和M5乘以cos θ和cos(θ-2/3·π)，这样，就可通过加法器A3确定两相瞬时无功电流iuq和ivq。将加法器A3的和输出倒相，就可以确定另一相瞬时无功电流iwq。
当电流互感器CTu和CTv中的每一个都采用一个A/D转换器时，图1中虚线框中所示的电路可以以数字电路DS的形式来实现，并且最好由一微处理器构成。
在图1所示的实施例的情形中，一相的瞬时无功电流iw可由另两相的瞬时无功电流iu和iv通过算术运算予以确定。然而，毋须赘言，无功电流iw也可通过互感器CTu和CTv之外的另一个电流互感器予以确定。还须指出的是，由于·I·sin α为已知，瞬时无功电流iwq也可通过乘上cos(θ-4/3·π)予以确定。
下面将描述通过一个变流器负载电路来补偿三相负载的无功功率的装置，所述变流器负载电流包括一个与三相负载相并联的电流源型变流器，该装置中使用了参照图1描述过的瞬时无功电流检测器。
图3是晶体管型三相全波电流变流器的电路结构框图。图中U1，U2，V1，V2;W1和W2分别表示开关元件，其中每一个均可由诸如包括互相串联的一个三相管和一个二极管的反向截止晶体管组件构成。在图中，为简便起见，只画出了晶体管，注有下标“1”的晶体管处于正极性一侧，而注有下标“2”的晶体管则处于负极性一侧。直流电流I经由变流器的直流在它的上面，通过一直流电抗器L接有负载Ld。负载Ld可以是诸如直流电动机或通过一逆变器连接的三相感应电动机。
一电源产生相互平衡的三相正弦波电压eu，ev和ew。当u相电压的相位角由θ来表示时，这些相电压eu，ev和ew可由上述表达式(1)给出。
现在，将参照图4A和4B对构成电流源型变流器的主要部分的开关元件进行描述。图4A分别说明三相电压电源的相电压波形eu、ev和ew。为描述方便起见，考虑时间间隔T1(对应于电角度范围0°-60°)，其中，只有V相电压是负的，而u相和v相电压均为正的。在该时间间隔T1内，开关元件V2导通。而开关元件u1，v1和w1的导通是按下述方式控制的当上述时间间隔分成多个小间隔△T时，每个小间隔△T中的开关元件的导通时间由在该小间隔△T内出现的相应的相电压的瞬时值予以确定。更具体地说，假定相位角θ的过零点如图4A所示。那么，由表达式(1)，小间隔△T内的相电压的瞬时值可由下式予以确定
eu＝K·sinθ1
ev＝K·sin(θ1- 2/3 π)
ew＝K·sin(θ1- 4/3 π)
其中，K表示由相间电压有效值确定的常数。因此，图4B表示的开关元件u1、v1和W1导通时分别对应的时间间隔tu、tv和tw可分别由下式给出;
tu＝K1·sinθ1
tv＝K1·sin(θ1- 2/3 π)
tw＝K1·sin(θ1- 4/3 π)
其中，K′代表可根据电流源型变流器的输出电流的期望值来确定的系数。
从前面所述可以看出，在小间隔△T的tu和tw期间内，在u和w相中，正极性的电流从电源流向负载，而在v相中，负极性的电流将从负载流向电源。在期间tv中，只有循环电流可以通过储存在电抗器L中的能量的作用，在由负载Ld和开关元件V1和V2所组成的闭环中流动，而没有电流从电源流向负载Ld。换言之，当只有在电源和负载之间有电流时，可以有把握地说，在u和w相中，在tu和tw期间内，正极性的电流从电源流向负载，而在相同期间内，v相中流过的是负极性的电流。
这里，将对有关术语下个定义。在每一相中正极性的电流从电源流向负载期间与间隔△T之比将被称为正占空系数，而负电流流过的期间与小间隔△T之比则称为负占空系数。u、v和w相中的占空系数γu、γv和γw(在本实施例中，可以把它们看作与开关元件u、v和w的占空系数等价)可由下式表示

以及，
γu+γv+γw＝0……(8)
上述说明是基于这样一个假定的，即在小间隔△T中的每个开关元件的导通时间与在小间隔△T中相关联的相电压的瞬时值成正比。然而，实际上，每个开关元件的导通时间间隔可以这样来确定，即它与对应于△T时间内相对于θ的相移为α的时刻的相应相电压的瞬时值成正比，即，与在所述的实施例中，如图4A中所示的相位角(θ+α)相应的相电压的瞬时值成正比。时间间隔T2、T3……等等的关系与T1相似。当表达式(7)中出现的K′/△T用γ来表示时，开关元件的占空系数一般可由下式来表达

从上述定义占空系数的表达式(7)中显然可以看出，γ值不会超过“1”。此外，应指出，将上述表达式(9)所给出的占空系数乘以在γ＝1小时相应相电流的振幅I所得出的值表示，相应的相中的电源电流。因此，当相间电压的有效值用Ea来表示时，那一时刻的电功率P与u相电压的电压无关，而由下列表达式(10)给出
因为该交流功率须与直流功率相一致，因此，直流输出电压Ed可以根据下式予以确定
另一方面，无功功率q可根据下式予以确定
上述表达式表示，可以通过控制占空系数γ，并将相位角α置于θ(零)来控制输出电压，而无功功率则可通过控制系数γ并将α置于π/2而得以控制。
当控制直流输出电压Ed的占空系数用γd来表示，控制无功功率的系数用γq来表示时，直流输出电压和无功功率取期望值时的占空系数γ和相位角α分别由下列表示式(13)和(14)表示
……(13)
α＝tan-1(γq)/(γd) ……(14)
然而，应该理解，α不象在一般情况中那样落在π/2至-π/2的范围内，而是按照占空系数γq和γd的极性在π至-π的范围内变化。
在电流源型变流器的情形中，用于控制输出电压的占空系数γd可从电流指令值与输出电流值的差值通过算术运算导出。
用于控制无功功率的占空系数γq可以取被补偿的无功功率α等于根据表达式(12)确定的q值(假定sin α＝1)时的γ的值，即，
图5所示为用于检测三相负载电路中的无功功率的装置。图中，参考字母qd表示无功电流检测电路，该电路大致与图1中所示的那个电路相同，只是其输出电路结构略有不同而已。因此，从前文结合图1的描述中可以看出，图5中电路输出端出现的输出值可以通过下式来表示
因此，通过将电路输出端的上述输出值通过除法器D除以变流器的输出电流I，就可得到表达式(15)中所定义的占空系数γq。
根据上述原理，有可能提供一种使用一个与负载相并联的、包含一个电流源型三相变流器的变流器电路来补偿三相负载的无功功率的装置。这种装置的一个典型的实施例如图2所示。图中，参考字母In表示包括六个晶体管开关元件u1、……w2的变流器主电路。电流控制电路I的作用在于将由电流互感器CTd测得的直流电流I与电流指令Is相比较以便通过算术运算确定随后将加到算术运算单元C上去的占空系数γd，然后再根据表达式(13)和(14)，从占空系数γd和γq分别确定占空系数γ和相位角α。
在图2中，符号Pc表示用于产生控制变流器主电路的脉冲信号的一个电路，该电路Pc由一微处理器构成并且具有系数γ、相位角α以及由同步脉冲发生器SP所产生的同步脉冲信号作为它的输入。
u相电压的电角度θ可根据同步脉冲信号予以确定，将其加上α后得到“θ+α”，然后，通过确定“Sin(θ+α)和“sin(θ+α-2/3·π)”项并将其乘上系数
，就可确定由表达式(9)所确定的占空系数。
将由此确定的占空系数乘上一载流子时间(对应于图4A中所示的小间隔△T)，就可以确定一个相应的脉冲持续时间。当两相的脉冲持续时间确定下来以后，剩下一相的脉冲持续时间即可根据上述表达式(8)从所述两相的脉冲持续时间导出。在导通期内，输入电流为0，分别在正负端的属于同一相的开关晶体管元件可以在斩波次数尽可能小的情况下被触发。
上述功能可以借助于一个单片微处理器轻而易举地完成。
如上文所述，系数
不允许超过“1”。因此，如果根据表达式(6)计算得到的
的值超过“1”，就必须将
值限制为“1”。在本例中，算术运算单元C所进行的算术运算如图6的流程图所示。更具体地说，当根据表达式(13)由γd和γq所确定的γ值超过“1”时，占空系数分量γd或γq必须减小。在这种情形下，应指出，如果将占空系数γd减小，就不能再得到必需的直流输出电压了，致使直流电流I不能按照电流指令Is的控制而变化。在这种情况下，应将无功功率分量γq减小以使γ值不超过“1”。换言之，通过使γq的值等于将γ值限制到“1”，相应的α的值则根据下式确定
在上述表达式中，乘上(γq/｜γq｜)的目的在于精确地确定α的象限。
本发明可以有利地应用于由建筑物中的升降车系统所构成的负载Ld以及该建筑物中的其他负载的瞬时无功功率需要进行补偿的场合，从而可以以协调的方式令人满意地满足建筑物中所有负载的对电源的需求。
权利要求
1、一种检测三相负载的瞬时无功电流的装置，其特征在于，它包括
用于产生分别与三相电源为所述三相负载提供的相电流相对应的三相流信号的第一装置，所述三相电流信号中的每一个的瞬时值指示与所述三相负载关联的相电流的瞬时值；
用于产生三相正弦波信号的第二装置，其中，每一相的正弦波信号与所述三相电源的相电压有90°的位相差；
用于产生与所述三相电流信号的相电流信号的瞬时值分别与相应相的所述正弦波信号的瞬时值相乘所得到的三个乘积之“和”相对应的“和”信号的第三装置；
用于根据所述“和”信号和所述三相正弦波信号确定所述三相负载的每一相中的瞬时无功电流的第四装置。
2、根据权利要求
1所述的装置，其特征在于，所述第一装置包括分别设置在两相的输入电路中的两个电流互感器，用以产生代表所述三相负载的相应的两相的电流的信号，还包括一个用于将所述信号相加的加法器。
3、根据权利要求
1所述的装置，其特征在于，所述第四装置包括用于分别将所述正弦波信号的三相信号与所述“和”信号相乘的三个乘法器。
4、根据权利要求
1所述的装置，其特征在于，所述第四装置包括用于分别将所述正弦波信号的两相信号与所述“和”信号相乘的两个乘法器以及一个用于将所述两个乘法器的输出相加的加法器。
5、在一个电气系统中，一个包括一电流源型三相变流器的变流器负载电路以及一个具有常规三相负载的通用负载电路与三相电源相并联，
一种通过所述变流器电路将一无功功率加在可述通用负载电路上以进行补偿的装置，其特征在于，用于确定一个第一值，即与所述变流器的输出电流控制一起选择的控制系数所应采取的值，以便使所述变流器产生所需的输出电流的第一装置;
用于产生与加在所述通用负载电路之上的瞬时无功功率有关的信号的第二装置;
用于为了根据与所述瞬时无功功率有关的所述信号补偿所述瞬时无功功率而确定所述控制系数所应采取的第二值的第三装置;
用于根据所述第一和第二值控制所述电流源型变流器的开关元件的第四装置。
6、根据权利要求
5所述的装置，其特征在于，所述控制系数是指示所述变流器的每一相中的开关元件导通的时间比率的占空系数。
7、根据权利要求
6所述的装置，其特征在于，所述第四装置包括通过算术运算确定所述占空系数的控制值，以及从所述占空系数的所述第一值
d和所述第二值γq确定相位角的控制值α＝tan-1(γq/γd)的算术运算单元，一个用于根据所述占空系数的所述控制值和所述相位角的所述控制值控制所述变流器的开关元件的电导通的控制电路。
8、根据权利要求
7所述的装置，其特征在于，当由算术运算确定的所述占空系数的所述控制值γ的数值超过“1”时，所述控制值γ被设定为1，而相位角的控制值α由下式确定α＝tan-1()·(γq/｜γq｜)。
专利摘要
一种检测三相负载的瞬时无功电流的装置，包括用于产生分别与三相电源为所述三相负载提供的相电流对应的三相电流信号的第一装置；用于产生三相正弦波信号的第二装置；用于产生与所述三相电流信号的相电流信号的瞬时值分别与相应的所述正弦波信号的瞬时值相乘所得到的三个乘积之“和”相对应的“和”信号的第三装置；用于根据所述“和”信号和所述三相正弦波信号确定所述三相负载的每一相中的瞬时无功电流的第四装置。
文档编号G01R19/06GK87106578SQ87106578
公开日1988年5月4日 申请日期1987年9月26日
发明者岛清哉, 叶博美, 保定夫 申请人:株式会社日立制作所