专利名称：一种高压直挂式svg综合控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种电能综合控制装置，尤其是涉及一种基于H桥的级联型高压 直挂式SVG综合控制装置，广泛应用于各类电力系统。
背景技术：
近年来，在国家节能降耗政策的推动下，大型工矿企业的电气节能已经成为研究 的热点，而无功和谐波补偿是实现电气节能的主要途径。一方面，用电负荷日趋复杂化和 多样化，特别是为了节能及提高电力系统的运行效果，供电部门鼓励用户更换使用更快、更 高效的生产设备。比如工业系统中各种变频调速设备正在取代传统的电动机直接驱动方 式，由于各种变流器的使用所带来的无功、谐波、闪变和不平衡等稳态电磁騷扰问题已经成 为用户关注的焦点。另一方面，随着计算机、微处理器控制的精密电子和电气设备的大量 使用，这些设备对供电的可靠性依赖越来越高。工业的发展使得越来越多的电力电子设备 及其非线性负荷在电网中获得应用，这也使得谐波污染问题更加凸显出来。谐波会造成电 网污染和危害电力系统正常运行外，还会带来大量谐波损坏，浪费能源，并危害各种节电设 备。因此，对电能质量的治理在当今社会尤为重要，其中谐波、无功负序治理是电能质量问 题中的首要问题。目前的用电设备大都为感性负荷，除了向电源获取有用的有功功率外，还存在大 量的无功功率在电源和负载之间交换，导致功率因数降低，造成以下方面的不良影响(1)引起线路电流增大，使得供配电设备的容量不能充分利用，降低了系统的供电 能力；(2)电流有效值增大，使得设备和线路的功率损耗和电能损耗急剧增加；(3)线路及变压器的电压损失加大，变化加剧，使得负载端的电压质量下降；(4)对发电机而言，无功电流增大，使电机的去磁效应增加，端电压降低，使得发电 机的出力降低。目前的无功补偿装置主要有LC (电感L和电容C组成的滤波器)、TSC (Thyristor Switched Capcitor，晶闸管投切电抗器)、TCR(Thyristor Controlled Reactor，晶闸管 控制电抗器)、MCR(Magnetically Controlled Reactor，磁控电抗器)、SVG(Matic Var Generator，静止无功发生器)等，其中SVG是目前无功功率治理领域最先进的方式，其采用 全控型开关器件组成自换相逆变器辅助以小容量储能元件构成的无功补偿装置，它是柔性 交流输电系统的核心装置和核心技术之一，在电力系统中的主要作用是进行无功补偿、维 持连接点的电压的稳定、改善系统的稳态性能和动态性能。与现有的静止无功补偿装置SVC 相比具有调节速度快、运行范围宽、吸收无功连续、谐波电流小、损耗低、所用电抗器和电容 器容量及安装体积大为降低等优点。在SVG装置中，为了减少谐波、提高容量，经常采用两 电平逆变器的多重化技术。但是需要笨重、昂贵、耗能的曲折变压器，这大大增加了系统的 体积和成本、能量损耗也随之增加。电网中谐波的存在会引起以下后果[0010](1)谐波会引起电网的附加损耗。一般来说，谐波电流和基波电流相比所占比例 不大，但是谐波频率高，导线的集肤效应使得谐波电阻增加很多，因此由谐波产生的损耗也 大。(2)谐波会引起旋转电机和变压器的附加损耗。谐波对旋转电机和变压器的影响 主要是引起附加损耗过热，其次是产生机械振动、造成和谐波过电压，这些都会缩短电机或 变压器寿命，严重时还会损坏电机或变压器。(3)谐波对电力设备的危害大。谐波存在会对电力设备造成损坏，加速绝缘老化； 谐波叠加后的电压峰值会降低其绝缘性能；严重的谐波过流使得设备的损耗增加，发热加 剧。(4)谐波干扰通讯和继电保护等设备。谐波对计算机、通讯、继电保护、电表等弱点 设备进行干扰，影响正常的工作和生活。目前的谐波抑制装置有LC、APF(Active Power Filter，有源电力滤波器)两种，而 LC是无源方式，容易与系统产生谐振，只能补偿固定频率谐波。而APF其原理与SVG类似， 也是采用全控型开关器件组成自换相逆变器辅助以小容量储能元件构成，能快速跟踪补偿 各次谐波，并一致系统谐振，是目前谐波治理领域最先进的方式。目前主要使用的是变压器 多重化方式，或者多个APF直接并联或分布式补偿以实现较大容量的补偿。由于是工作在 低压侧，受变压器的影响，对高压侧谐波源补偿的及时性受到影响，对高压侧谐波的补偿效 果有限。APF具备无功功率和谐波同时补偿的功能，但由于APF进行谐波补偿，所需的器件 的开关频率高，受器件容量的限制，基本无无功功率输出的能力，更难以满足大容量无功补 偿的需求。负序电流是电网治理的另一个对象。负序电流使得旋转电机产生逆向旋转磁场， 导致转子产生谐波电流，电机热功率增大，功率降低；负序还容易导致电力系统以负序为启 动的继电保护误动作；负序造成电力系统容量和设备容量利用率低，还造成附加损耗，造成 电压不对称，降低发电机和电动机出力等不良影响。目前治理负序常用的方式有分相投切 的TSC、分相控制的TCR和SVG，由于SVG采用有源器件，其反应速度快，治理效果好。目前，补偿设备功能单一，主要偏向于一个方向，要么以无功功率为主，兼顾部分 谐波，要么以谐波为主，兼顾部分无功功率。现有技术方案的一种典型代表是以多种补偿 器进行组成以达到综合补偿的目的，如APF和TSC的组合。由哈尔滨威瀚电气设备股份有 限公司于2010年07月31日申请，2010年12月08日公开，公开号为CN101908767A的中 国实用新型专利申请《无功谐波综合补偿装置》，提出了一种包括晶闸管控制的电容性无源 补偿器和IGBT控制的有源补偿器，如
图1所示。虚框内左边为TSC，右边为三相共直流侧 APF。其所述的晶闸管控制的电容型无功补偿器是为了满足大容量补偿和补偿精度的要求， 根据需要设置多组电容支路，通过对电容支路的投切控制，进行容性无功的分组投切，实现 无功功率补偿；所述的IGBT控制的有源补偿器基于电压源逆变器(VSC，Voltage Sourced Converters)，通过对各种IGBT的快速通断控制，发出所需要的无功和谐波电流。这种组 合是利用无源补偿器进行无功补偿，有源补偿器进行谐波抑制，两者组合以解决大容量、成 本、补偿精度和可靠性的矛盾。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种不需变压器而实现高压侧电能治理的综合控 制装置，即一种同时具备SVG和APF功能，基于H桥级联的高压直挂式级联逆变器 HSVG (Η-Bridge Static Var Generator，H桥静止无功发生器)综合控制装置，该综合控制 装置解决了结构复杂、高成本和大容量、高补偿精度和可靠性之间的矛盾。本实用新型具体提供了一种高压直挂式SVG综合控制装置的具体实施方式
，一种 高压直挂式SVG综合控制装置，与电网相连，高压直挂式SVG综合控制装置的每一相均包括 LC滤波支路，连接电抗和H桥单元串联支路，H桥单元串联支路与连接电抗串联再与LC滤 波支路并联，LC滤波支路包括电感和电容，H桥单元串联支路包括N个相串联的H桥单元， N > 2，每一个H桥单元包括由四个功率元件组成的桥式电路。作为本实用新型一种高压直挂式SVG综合控制装置进一步的实施方式，桥式电 路的功率元件为IGBTansulated Gate Bipolar ^Transistor，绝缘栅双极型晶体管)或 IGCT(Integrated Gate-Commutated Thyristor，集成门极换流晶闸管)。同时，桥式电路的 两端并联有电容。作为本实用新型一种高压直挂式SVG综合控制装置进一步的实施方式，高压直挂 式SVG综合控制装置包括综合控制装置，综合控制装置输入为高压直挂式SVG综合控制装 置发出的电流IC的三相瞬时值，母线电流IS的三相瞬时值，高压直挂式SVG综合控制装置 有源部分电流ISVG的三相瞬时值和各个模块的直流侧电压，得到参考电压波形，综合控制 装置输出三相电压参考波形，经过180° /N的单极倍频调制，产生3N路三角波，与参考电压 的瞬时值及其反值比较得到6N路脉冲以触发各个H桥单元，产生电压PWM波，PWM电压通 过连接电抗，产生相应的谐波、无功和负序电流。作为本实用新型一种高压直挂式SVG综合控制装置进一步的实施方式，综合控制 装置包括基波正序无功控制模块、负序电流控制模块和谐波控制模块，其中基波正序无功控制模块进行基波正序无功控制，输出补偿正序无功和直流侧电压 所需的电压参考波；负序电流控制模块进行负序电流控制，输出补偿负序功率所需的电压参考波；谐波控制模块进行谐波控制，输出补偿负序功率所需的电压参考波。作为本实用新型一种高压直挂式SVG综合控制装置进一步的实施方式，基波正序 无功控制模块包括基波正序电流检测模块，所述的负序电流控制模块包括负序电流检测模 块，所述的谐波控制模块包括谐波电流检测模块，其中基波正序电流检测模块进行基波正序电流检测，输入为待检测的三相电流，输出 三相正序电流；负序电流检测模块进行负序电流检测，输入为待检测的三相电流，通过计算得到 三相负序电流；谐波电流检测模块进行谐波电流检测，输入为待检测的三相电流，通过计算得到N 次谐波的直流分量。作为本实用新型一种高压直挂式SVG综合控制装置进一步的实施方式，基波正序 电流检测模块、负序电流检测模块和谐波电流检测模块组成检测装置，检测装置包括多频 锁相模块。
5[0030]作为本实用新型一种高压直挂式SVG综合控制装置进一步的实施方式，SVG包括H 桥单元串联支路和连接电抗，选择相等容量的SVG与LC滤波支路并联，LC滤波支路设置成 固定次谐波滤除装置。一种对高压直挂式SVG综合控制装置进行综合控制的方法的具体实施方式
，包括 综合控制步骤，综合控制步骤包括(1)检测高压直挂式SVG综合控制装置发出的电流IC的三相瞬时值i。a、i。b、icc ； 检测母线电流IS的三相瞬时值isa、isb、is。；检测高压直挂式SVG综合控制装置有源部分电 流ISVG的三相瞬时值isvga、isvgb、isvg。；采集各个模块的直流侧电压，求出各相N个直流侧的 电压和 Uad、Ubd、Ucd ；(2)基波正序无功控制过程进行基波正序无功控制，得到补偿正序无功和直流 侧电压所需的电压参考波Va+、Vb+、vc+ ；(3)负序电流控制过程进行负序电流控制，得到补偿负序功率所需的电压参考 波m(4)谐波控制过程进行谐波控制，得到补偿负序功率所需的电压参考波νΛ、Vbh, Vch ；(5)根据以下公式，将上述计算得到的Va+、Vb+、V。+，Va_、Vb_、V。_和νΛ、Vbh、Vch相加， 得到参考电压波形<、u:、U;ua=Va++Va_+Vah·,ub=Vb++Vb_+Vbh；uc=Vc++Vc_+Vch；进行180° /N的单极倍频调制，产生3N路三角波，与参考电压的瞬时值<、t/b、Uc 及其反值-<、-<、-<比较得到6Ν路脉冲以触发各个H桥单元，产生电压PWM波，PWM电压 通过连接电抗，产生相应的谐波、无功和负序电流。作为一种高压直挂式SVG综合控制方法进一步的实施方式，基波正序无功控制过 程进一步包括以下步骤(1)对isa、isb、is。进行正序DQ分解后得到DQ坐标下的isdl+和iSql+，将isdl+和iSql+ 进行低通滤波后得到基波正序电流的有功分量和无功分量的直流值isql+ ；(2)对isvga、isvgb, isvgc进行正序DQ分解后得到DQ坐标下的isvgd和iSVM，将isvgd和 isvgq进行低通滤波后得到基波正序电流的有功分量和无功分量的直流值；(3)对UM、UBD, Ucd求和与参考电压％进行比较，其中％为每个H桥单元直流侧控 制电压冗的3N倍，即^ =3N-U，对UAD+UBD+UCD与冗的差进行PI调节后以控制整个直流侧 的电压控制所需有功电流i。d,f ；(4)对母线电压Vabe进行DQ分解并滤波后，得到DQ坐标下的uD_feedba。k和uQ_feedback ； (5)根据 led-ref、？仆^，Isql +、^圳，Up—feedback， 锁相值sin-cosl和连接电抗La、Lb、Lc在DQ坐标 下的值WL，通过双PI解耦控制得到DQ坐标下的电压usdl+和uS(11+，并对usdl+和Ustll+进行DQ 反变换得到补偿正序无功和直流侧电压所需的电压参考波Va+、Vb+、V。+。作为一种高压直挂式SVG综合控制方法进一步的实施方式，负序电流控制过程进 一步包括以下步骤[0048](1)对 ila = isa-ica,ilb = isb-i。b、ile = isc"icc 进行负序 DQ 分解后得到 DQ 坐标下 的isdl-和iS(11-，将isdl-和iSql-进行低通滤波后得到基波负序电流的有功分量和无功分量的 直流值isdl_和isql-；(2)根据isdl_和isql_和连接电抗La、Lb、Lc在DQ坐标下的值WL，计算得到DQ坐 标下的电压Usdl-和US(11_，并对usdl_和uS(11_进行DQ反变换即得补偿负序功率所需的电压参 考波m作为本实用新型一种高压直挂式SVG综合控制方法进一步的实施方式，谐波控制 过程进一步包括以下步骤(1)对 ila = isa_ica、ilb = isb_icb、ilc = isc-icc 进行各次谐波的 DQ 分解，即根据谐 波次数确定其属性是正序还是负序，联合谐波次数所确定的锁相sin-cosN进行对于DQ分 解，得到ildN和ilqN;(2)根据ildN、ilqN和连接电抗La、Lb、Lc在DQ坐标下的值NWL，计算得到DQ坐标 下的电压Ultffl和11_，并对Ultffl和U1qn进行DQ反变换得到补偿负序功率所需的电压参考波
Vgh、Vbh、Vch。作为一种高压直挂式SVG综合控制方法进一步的实施方式，综合控制步骤进一步 包括检测步骤，检测步骤包括(1)采集需要分析的电流ia、ib、ic ；(2)基波正序电流检测过程进行基波正序电流检测，通过计算得到三相正序电
、声 1 ‘ ‘ ‘
171L 丄 ai +、丄 bl+、丄 cl+ ；(3)负序电流检测过程进行负序电流检测，通过计算得到三相负序电流i' al_、 / · /
1 bl-、1 cl-；(4)谐波电流检测过程进行谐波电流检测，通过计算得到N次谐波的直流分量
IdN、IqN ；综合控制方法进一步包括多频锁相值计算步骤，多频锁相值计算步骤包括通过 对电网电压进行锁相得到基波的角频率瞬时值《t ；通过基波的角频率瞬时值《t乘以谐 波的次数N，得到Ncot的值，求出sin-cosN的值。作为一种高压直挂式SVG综合控制方法进一步的实施方式，基波正序无功控制过 程包括基波正序电流检测过程，基波正序电流检测过程进一步包括以下步骤ia、ib、i。通过带通滤波器处理得到其基波部分、、、、。，然后通过公式(3)矩阵 变换得到DQ坐标的正序电流的有功和无功直流分量；
ld\+
^ιηηω
ζο^ηω
η{ηω -H
ζο%{ηω - οο^{ηω - 通过对公式(3)计算取得的正序有功和无功分量
—)31π、hiJclIdl +、1ql+
(3)
进行低通滤波，并通过
dl+
Λ 1'
Ql +
，作为无功电流的控制量；
乘以系数K对衰减的幅值进行修正后得到i 再对无功进行控制调节后得到DQ坐标的有功电流和无功电流量
dl +
、1
Ql +
根
据公式⑷对Γ
dl+、
Ql +
进行DQ反变换得到abc坐标的三相正序电流i ‘
al+、
bl +权利要求1.一种高压直挂式SVG综合控制装置，与电网相连，其特征在于高压直挂式SVG综合 控制装置的每一相均包括LC滤波支路，连接电抗和H桥单元串联支路，H桥单元串联支路 与连接电抗串联再与LC滤波支路并联，LC滤波支路包括电感和电容，H桥单元串联支路包 括N个相串联的H桥单元，N ^ 2,每一个H桥单元包括由四个功率元件组成的桥式电路。
2.根据权利要求1所述的一种高压直挂式SVG综合控制装置，其特征在于所述桥式 电路的功率元件为IGBT或IGCT。
3.根据权利要求1或2所述的一种高压直挂式SVG综合控制装置，其特征在于所述 高压直挂式SVG综合控制装置(1)包括综合控制装置(12)，所述综合控制装置(12)输入为 高压直挂式SVG综合控制装置发出的电流IC的三相瞬时值，母线电流IS的三相瞬时值，高 压直挂式SVG综合控制装置有源部分电流ISVG的三相瞬时值和各个模块的直流侧电压，得 到参考电压波形，综合控制装置(1 输出三相电压参考波形，经过180° /N的单极倍频调 制，产生3N路三角波，与参考电压的瞬时值及其反值比较得到6N路脉冲以触发各个H桥单 元，产生电压PWM波，PWM电压通过连接电抗，产生相应的谐波、无功和负序电流。
4.根据权利要求3所述的一种高压直挂式SVG综合控制装置，其特征在于所述的综 合控制装置(12)包括基波正序无功控制模块(6)、负序电流控制模块(7)和谐波控制模块 ⑶，其中基波正序无功控制模块(6)进行基波正序无功控制，输出补偿正序无功和直流侧电压 所需的电压参考波；负序电流控制模块(7)进行负序电流控制，输出补偿负序功率所需的电压参考波；谐波控制模块(8)进行谐波控制，输出补偿负序功率所需的电压参考波。
5.根据权利要求4所述的一种高压直挂式SVG综合控制装置，其特征在于所述的基 波正序无功控制模块(6)包括基波正序电流检测模块(9)，所述的负序电流控制模块(7)包 括负序电流检测模块(10)，所述的谐波控制模块(8)包括谐波电流检测模块(11)，其中基波正序电流检测模块(9)进行基波正序电流检测，输入为待检测的三相电流，输出 三相正序电流；负序电流检测模块(10)进行负序电流检测，输入为待检测的三相电流，通过计算得到 三相负序电流；谐波电流检测模块(11)进行谐波电流检测，输入为待检测的三相电流，通过计算得到 N次谐波的直流分量。
6.根据权利要求5所述的一种高压直挂式SVG综合控制装置，其特征在于所述的基 波正序电流检测模块(9)、负序电流检测模块(10)和谐波电流检测模块(11)组成检测装置 (13)，所述检测装置(1 包括多频锁相模块。
7.根据权利要求1，2，4至6中任一权利要求所述的一种高压直挂式SVG综合控制装 置，其特征在于选择相等容量的SVG与LC滤波支路并联，所述的LC滤波支路设置成固定 次谐波滤除装置。
专利摘要本实用新型公开了一种高压直挂式SVG综合控制装置，高压直挂式SVG综合控制装置与电网相连，每一相均包括LC滤波支路，连接电抗和H桥单元串联支路，H桥单元串联支路与连接电抗串联再与LC滤波支路并联，LC滤波支路包括电感和电容，H桥单元串联支路包括N个相串联的H桥单元，N≥2，每一个H桥单元包括由四个功率元件组成的桥式电路。本实用新型所描述的技术方案采用基于同步多旋转坐标的检测，并能对无功电流、负序电流和谐波电流进行综合控制，具有结构简单、响应速度快、输出电压波形好、控制灵活、便于模块化制造等多种优点。
文档编号H02J3/01GK201928035SQ20112007381
公开日2011年8月10日 申请日期2011年3月18日 优先权日2011年3月18日
发明者刘华东, 唐建宇, 张定华, 彭勃, 曹洋, 王卫安, 罗仁俊, 范伟, 蓝德劭, 谭胜武, 邱岳烽, 钟强, 黄欢, 黄燕艳, 黄超 申请人:株洲变流技术国家工程研究中心有限公司