专利名称：一种大容量静止无功发生器的制作方法
技术领域：
本发明属大容量静止无功补偿技术领域，具体涉及一种大容量静止无功发生器。
背景技术：
国内外文献关于静止无功发生器的报道均为采用多重电压源逆变器型式，例1..A Multilevel Voltage-Source Inverter with Separate DC Sources forStatic Var Generation，Fang Zheng Peng，Senior Member，IEEE，Jih-Sheng Lai，Senior Member，IEEE，John W.McKeever，and James VanCoevering，Member，IEEE；例2.ASVG装置的实验研究与机理分析，孙元章等，电力系统自动化，第20卷1996第5期。此方案结构比较复杂，价格昂贵，甚至还会产生一定的电压谐波。
在2003年，本发明人提出了“一种大容量可控电抗器”发明专利申请(申请号为03128112.5，申请日为2003年6月5日)。理论分析和实验研究表明当α在(0-1)之间变化时，变压器一次侧AX对电网的等效阻抗在(0-Zm)之间可控变化。但它只能从电网中吸收感性无功功率，作为一种大容量的可控电器，而不能从电网中吸收容性无功功率。
上述对比文献采用多个相同的电压源逆变器串联，其电位逐个抬高，高电位会影响逆变器系统安全；采用多重化技术使系统复杂，还会产生电压谐波；采用GTO器件，响应速度慢。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种大容量静止无功发生器，其电力电子线路结构简单，它可以采用较低电压、较小电流的器件来满足高压、大电流静止无功发生器的需要，不产生电流谐波，并且响应速度快。
本发明提供的一种大容量静止无功发生器，包括电压检测单元、主控单元、电流信号给定单元、补偿电流发生单元、变压器；补偿电流发生单元由N个相同的补偿电流发生子单元构成，N≤500，其输入端与电流信号给定单元的输出端相连接，其输出端与变压器的二次侧绕组相连接，变压器的二次侧设有N个绕组，各绕组的匝数相同，几何尺寸相等，每个绕组与对应的补偿电流发生单元中的子单元相连接；变压器的一次绕组连接在电网母线上，其特征在于电压检测单元包括位于变压器一次侧母线上的电压互感器，及与电压互感器输出端相连接的电压检测部件，该单元从母线电压波形中检测出电压信号u1s，所述电压检测部件输出电压信号u1s到主控单元，主控单元根据电压信号u1s和电网需本发明装置吸收的无功功率SQ，输出与电压信号u1s频率相同的基波电流信号i2s到电流给定单元。
电流给定单元根据基波电流信号i2s，二次侧绕组数N，输出基波电流信号i2s/N到补偿电流发生单元。
补偿电流发生单元向变压器二次侧N个绕组的每个绕组中注入大小相等、相位相同的基波补偿电流 当需从电网吸收感性无功功率时，控制i2s使 滞后于 90°电角度， 也滞后于 电角度，当需从电网吸收容性无功功率时，控制i2s使 超前于 90°电角度， 也超前于 电角度；当补偿电流在感性无功电流到容性无功电流之间可控连续变化时，其从电网吸收的无功功率在感性无功功率至容性无功功率之间可控连续变化，以实现动态无功补偿。
本发明具有以下技术特点(1)本发明在变压器二次侧设置N个绕组，每个绕组配置一个相同的补偿电流发生子单元，共N个子单元，这N个子单元发生的基波补偿电流大小相等、相位相同，均为 而且 与 同相位，I1≈I2w2w1。能利用较低电压、较小电流的器件制作适用于高压、大电流工况下的静止无功发生器。当需本发明装置从电网吸收感性无功功率时，控制i2s使 滞后于 90°电角度( 也滞后于 90°电角度)，当需从电网吸收容性无功功率时，控制i2s使 超前于 90°电角度( 也超前于 90°电角度)。
(2)当负载呈容性时，本发明可以从电网吸收感性无功功率；当负载呈感性时，本发明可以从电网吸收容性无功功率，可以实现动态无功补偿。
(3)本发明将变压器一次绕组并联在电网上，在变压器二次侧N个绕组中注入大小相等、相位相同的基波补偿电流 当补偿电流在感性无功电流I2N到容性无功电流-I2N之间可控连续变化时，其从电网吸收的无功功率在感性无功功率U1I1N(≈U1I2N(w2/w1))至容性无功功率-U1I1N≈(-U1I2N(w2/w1))之间可控连续变化。
总之，本发明采用逆变器构成基波电流源，电力电子线路结构简单。每个基波电流源与变压器二次侧一个绕组相联接，构成一个小容量无功功率发生器。整个大容量静止无功发生器系统由N个相同的小容量无功功率发生器组成，相互独立，不会产生电位逐个抬高现象，因此可以采用较低电压、较小电流的器件来满足高压、大容量静止无功功率发生器的需要；本发明不产生电流谐波，因此不引起电网电压的畸变；可采用IGBT等器件，响应速度更快，更稳定。
图1为静止无功发生器的结构示意图；图2为一种具体实施方式
的结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明所说的静止无功发生器，主要由五个单元组成电压检测单元I、补偿电流发生单元II、变压器III、主控单元IV和电流信号给定单元V。
电压检测单元I包括位于变压器III一次侧两端的电压互感器2，及与电压互感器2输出端相连接的电压检测部件3。当电网电压不含有谐波时，电压检测部件3可使用电阻元件，其两端的电压为检测到的电压信号。电压检测单元I检测出变压器一次侧两端的电压信号u1s(为基波电压)，并将u1s输送到主控单元IV中。
主控单元IV根据电压信号u1s和电网需本发明装置吸收的无功功率SQ，输出与电压信号u1s频率相同的基波电流信号i2s到电流给定单元V。
电流给定单元V根据基波电流信号i2s，二次侧绕组数N，输出基波电流信号i2s/N到补偿电流发生单元II。
补偿电流发生单元II由N(N≤500)个相同的补偿电流发生子单元II’构成。补偿电流发生单元II中的每个子单元II’根据收到的基波电流信号i2s/N产生基波电流 并自动跟踪i2s/N；第k个子单元IIk’将其发生的电流 送到变压器第k个二次绕组akxk中，k＝1，2，3，……N。子单元II’输送到变压器每个二次绕组的电流大小相等、相位相同，且为基波电流。在忽略较小的空载电流时，I2＝I1(w1/w2)， 与 同相位。 与变压器一次侧两端电压 保持固定相位关系当电网需本发明装置吸收感性无功功率时，控制i2s使 滞后于 90°的电角度( 也滞后于 90°电角度)，当电网需本发明装置吸收容性无功功率时，控制i2s使 超前于U190°的电角度( 也超前于 90°电角度)。补偿电流发生子单元II’可以利用现有成熟的电流跟踪技术来实现。
变压器III，其二次侧设有N个绕组akxk，k＝1，2，3，……N。每个绕组的匝数均为w2，几何尺寸相同。
本发明从电网吸收的无功功率SQ＝U1I1，在忽略变压器一次侧较小的空载电流时，SQ＝U1I2(w2/w1)。主控单元IV控制静止无功发生器使得当补偿电流在感性无功电流I2N到容性无功电流-I2N之间可控连续变化时，其从电网吸收的无功功率在感性无功功率U1I1N(≈U1I2N(w2/w1))至容性无功功率-U1I1N≈(-U1I2N(w2/w1))之间可控连续变化，可以实现动态无功补偿。
当负载呈容性时，本发明可以从电网吸收感性无功功率；当负载呈感性时，本发明可以从电网吸收容性无功功率，以提高负载的功率因数。
图1是一种单相的静止无功发生器，三套单相静止无功发生器采用星形接法或三角形接法可以构成三相静止无功发生器，这时三相变压器可以采用三相心式结构，逆变器也可以采用三相逆变器。
当变压器一次侧电压中含有较小谐波时，可以近似认为其是基波电压；当变压器一次侧电压中含有较大谐波时，为了削减这些谐波，可在图1中的电压检测单元I的电压检测部件3中加入滤波电路，使电压检测部件3输出一次侧电压的基波电压信号。
上述静止无功发生器可以并联在电网上，此时主控单元IV用于根据电网的电压U1、负载电流IL、负载的功率因数cos等信号决定本装置应从电网吸收的无功功率。
该静止无功发生器也可以串联在电网母线上，作为串联无功补偿装置使用。
当本发明从电网吸收感性无功功率且可控连续变化时，其作用就是一台可控电抗器，因此可将其用在自动跟踪补偿消弧线圈中，作为可控电抗器。
图2为一个实施例，补偿电流发生子单元II’包括电流控制部分II’1和逆变器部分II’2。电流控制部分II’1采用三角波比较方式，包括反馈电流检测部件7、运算放大器8(例如运算放大器TL074)、PI(即比例积分)调节器12、比较器9(例如比较器LM311)、三角波发生器10。逆变器部分II’2包括逆变器4、开关频率滤波器LdCd和电流互感器TA2。
从电压检测单元I输出的电压信号u1s(为基波电压)输出到主控单元IV，主控单元IV根据u1s和电网需本本发明装置吸收的无功功率SQ，输出电流信号i2s(为基波电流)到电流信号给定单元V，电流信号给定单元V根据i2s产生给定电流信号i2s/N输出到运算放大器8的“+”端子；反馈电流检测部件7从电流互感器TA2接收电流i2/N的信号，产生反馈电流信号i1f，i1f被输出到运算放大器8的“-”端子，运算放大器8对输入信号i2s/N与i1f的差进行放大得到输出信号ei，并将ei输送到PI调节器12，由PI调节器12得到输出信号epi，PI调节器12将输出信号epi送到比较器9的“+”端子，三角波发生器10输出固定频率(例如为8kHz)的幅值一定的三角波电压信号到比较器9的“-”端子，由比较器9输出一系列幅值为+1(当epi大于三角波电压部分)或0(当epi小于三角波电压部分)的宽度变化的脉冲信号，即驱动信号iPWM。驱动信号iPWM驱动逆变器4中的触发电路，逆变器4输出正弦波电流i2/N到变压器的一个二次侧绕组中，滤波器LdCd滤除开关频率。控制i2s使变压器从电网吸收的无功功率SQ在感性无功功率U1I2N(w2/w1)至容性无功功率-U1I2N(w2/w1)之间可控连续变化，可以实现动态无功补偿。
本领域一般技术人员可以根据上述公开的内容可以采用多种具体方式对本发明加以实现。
权利要求
1.一种大容量的静止无功发生器，包括电压检测单元、主控单元、电流信号给定单元、补偿电流发生单元、变压器；补偿电流发生单元由N个相同的补偿电流发生子单元构成，N≤500，其输入端与电流信号给定单元的输出端相连接，其输出端与变压器的二次侧绕组相连接，N个子单元均产生大小相等、相位相同的基波补偿电流i2/N；变压器的二次侧设有N个绕组，各绕组的匝数相同，几何尺寸相等，每个绕组与对应的补偿电流发生单元中的子单元相连接；变压器的一次绕组连接在电网母线上，其特征在于电压检测单元(I)包括位于变压器(III)一次侧母线上的电压互感器(2)，及与电压 互感器(2)输出端相连接的电压检测部件(3)，该单元从母线电压波形中检测出电压信号u1s，所述电压检测部件(3)输出的电压信号u1s输出到主控单元(IV)；主控单元(IV)根据电压信号u1s和电网需本发明装置吸收的无功功率SQ，输出与电压信号u1s频率相同的基波电流信号i2s到电流给定单元(V)；电流给定单元(V)根据基波电流信号i2s，二次侧绕组数N，输出基波电流信号i2s/N到补偿电流发生单元(II)；补偿电流发生单元(II)跟踪电流信号i2s/N，向变压器二次侧N个绕组的每个绕组中注入大小相等、相位相同的基波补偿电流 当需从电网吸收感性无功功率时，控制i2s使 滞后于 90°电角度， 也滞后于 90°电角度，当需从电网吸收容性无功功率时，控制i2s使 超前于 90°电角度， 也超前于 90°电角度；当补偿电流在感性无功电流到容性无功电流之间可控连续变化时，其从电网吸收的无功功率在感性无功功率至容性无功功率之间可控连续变化，以实现动态无功补偿。
2.根据权利要求1所述的大容量静止无功发生器，其特征在于所述补偿电流发生个子单元(II’)包括电流控制部分(II’1)和逆变器部分(II’2)；电流控制部分(II’1)采用三角波比较方式，包括反馈电流检测部件(7)、运算放大器(8)、PI调节器(12)、比较器(9)、三角波发生器(10)；逆变器部分(II’2)包括逆变器(4)、开关频率滤波器(LdCd)和电流互感器(TA2)；电流信号给定单元(V)根据i2s产生给定电流信号i2s/N输出到运算放大器(8)的“+”端子；反馈电流检测部件(7)从电流互感器(TA2)接收电流i2/N的信号，产生反馈电流信号i1f，i1f被输出到运算放大器(8)的“-”端子，运算放大器(8)对输入信号i2s/N与i1f差进行放大得到输出信号ei，并将ei输送到PI调节器(12)，由PI调节器(12)得到输出信号epi、并送到比较器(9)的“+”端子，三角波发生器(10)输出三角波电压信号到比较器(9)的“-”端子，由比较器(9)输出一系列幅值为+1或0的宽度变化的脉冲信号iPWM；驱动信号iPWM驱动逆变器(4)中的触发电路，逆变器4输出正弦波电流i2/N到变压器的一个二次侧绕组中，滤波器(LdCd)滤除开关频率，控制i2s使变压器从电网吸收的无功功率在感性无功功率U1I2N(w2/w1)至容性无功功率-U1I2N(w2/w1)之间可控连续变化，以实现动态无功补偿。
全文摘要
本发明公开了一种大容量静止无功发生器，包括电压检测单元、主控单元、电流信号给定单元、补偿电流发生单元、变压器。变压器一次绕组联接在电网上，在变压器二次侧N个绕组中注入大小相等、相位相同的基波补偿电流；当需从电网吸收感性无功功率时，控制i
文档编号H02J3/18GK1588745SQ20041006066
公开日2005年3月2日 申请日期2004年7月31日 优先权日2004年7月31日
发明者陈乔夫 申请人:华中科技大学