一种高压无功补偿逆变电路及补偿方法
【专利摘要】一种高压无功补偿逆变电路及补偿方法，该逆变电路包括4个并联连接的桥臂以及与桥臂并联连接的电容电路，从4个桥臂中分别引出a、b、c和n四根与电网连接的相线，从电容电路的中点引出中性线；电容电路包括串联后并联在直流母线两端的第一电容和第二电容，桥臂包括分别反并联一个二极管的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，第一开关管、第二开关管和第三开关管串联后并联在直流母线的两端，在第二、三开关管中间引出相线，第四开关管的一端连接在第一、二开关管之间，另一端连接在第一、二电容之间。本发明大大降低了开关损耗，避免了复杂的计算过程，补偿的实时性更好，改善了输出电压波形，谐波污染小。
【专利说明】一种高压无功补偿逆变电路及补偿方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种无功补偿装置，具体地说是一种高压无功补偿逆变电路及补偿方 法，属于电能质量管理【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 随着电网系统结构的日趋复杂，当系统受到较大干扰时，就可能在电压稳定薄弱 环节导致电压崩溃。随着负荷的不断增加，由于像电动机和变压器等设备都属于感性负载， 运行过程中电网需要向这些设备提供相应的无功功率，使得用户的无功需求大幅度增加， 甚至造成局部电网无功严重不足，电压水平普遍较低等情况，导致电能损耗严重。因此，电 网需要无功补偿设备来减少无功功率在电网中的流动，降低线路和变压器因输送无功功率 造成的电能损耗，达到降损节能的效果，同时保证电网电压运行平稳，提高供电的安全性、 可靠性和经济性。
[0003] 目前常用的无功补偿方法有以下几种：
[0004] (I)TBBZ分组投切，通过控制器检测电网系统的功率因素和无功，发出命令投切电 容器组，满足电网系统无功需求；在负荷变化场所，过补偿或欠补偿常见，并且常有操作过 电压及合闸涌流，对电网及电容产生冲击，涌流和过电压叠加会对变压器造成严重危害。
[0005] (2)DWZT型无功补偿，通过控制器检测电网系统的功率因数和无功，发出命令调节 调压器，输出不同的电压，从而输出不同的无功容量，调节较平滑；在负荷变化场所，过补偿 或欠补偿很少，无操作过电压和合闸涌流，对电网无冲击，对电容有保护作用，使用寿命长。
[0006] (3) TCR-SVC型无功补偿，电容器固定补偿，使用相控电抗器输出感性无功，抵消多 余的容性无功；在负荷变化场所，过补偿或欠补偿很少，无操作过电压和合闸涌流，但是自 身产生大量的谐波，对电网有污染，对变压器有很大冲击。
[0007] (4)MCR_SVC型无功补偿，电容器固定补偿，使用磁控电抗器输出感性无功，抵消多 余的容性无功；在负荷变化场所，过补偿或欠补偿很少，无操作过电压和合闸涌流，但是自 身产生谐波，对电网有污染。
[0008] (5) SVG无功补偿装置，使用大容量电力电子器件，通过一系列整流逆变，输出感 性无功和容性无功；在负荷变化场所，过补偿或欠补偿很少，无操作过电压和合闸涌流；同 时，作为最新的动态无功补偿技术，SVG能和现代计算机技术结合实现动态的计算，控制和 补偿；装置输出谐波含量低，响应时间短，可靠性高。但是，目前SVG技术还不够成熟，而应 用于其中的核心部分（多电平逆变器）也多采用对称三相三电平逆变器，其空间矢量调制 方法需要进行大量的计算，调制过程显得较为复杂，不容易理解。
【发明内容】
[0009] 针对现有技术的不足，本发明提供了一种高压无功补偿逆变电路及补偿方法，不 仅提供了应用于高压无功补偿装置SVG中采用三电平四桥臂的新型逆变电路，而且提供了 一种采用逆变技术的无功补偿方法，降低了元器件承受的最大压降以及开关频率，延长使 用寿命。
[0010] 本发明解决其技术问题采取的技术方案是：一种高压无功补偿逆变电路，其特征 是，包括4个并联连接的桥臂以及与4个桥臂并联连接的电容电路，从4个桥臂中分别引出 a、b、c和η四根与电网连接的相线，从电容电路的中点引出中性线；所述电容电路包括第 一电容和第二电容，所述第一电容和第二电容串联后并联在直流母线的两端，所述桥臂包 括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，所述的第一开关管、第二开关管和 第三开关管串联后并联在直流母线的两端，在第二开关管和第三开关管中间引出相线，所 述第四开关管的一端连接在第一开关管和第二开关管之间，另一端连接在第一电容和第二 电容之间；所述的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管分别反并联一个二极 管。
[0011] 所述的a、b、c和η四根相线分别通过一个电感与电网连接。
[0012] 所述开关管包括IGBT晶体管。
[0013] 所述第一电容和第二电容的电容相等。
[0014] 本发明还提供了一种高压无功补偿方法，采用上述权利要求所述的高压无功补偿 逆变电路对电网进行高压无功补偿，其特征是，
[0015] 所述高压无功补偿逆变电路包括4个并联连接的桥臂以及与4个桥臂并联连接的 电容电路，从4个桥臂中分别引出a、b、c和η四根与电网连接的相线，从电容电路的中点 引出中性线；所述电容电路包括第一电容和第二电容，所述第一电容和第二电容串联后并 联在直流母线的两端，所述桥臂包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管， 所述的第一开关管、第二开关管和第三开关管串联后并联在直流母线的两端，在第二开关 管和第三开关管中间引出相线，所述第四开关管的一端连接在第一开关管和第二开关管之 间，另一端连接在第一电容和第二电容之间；所述的第一开关管、第二开关管、第三开关管 和第四开关管分别反并联一个二极管；所述电容电路中的第一电容和第二电容的电容电压 相等；
[0016] 所述补偿方法包括以下步骤：
[0017] 检测电网系统需要补偿的无功电流值；
[0018] 记录通过电流滞环控制器得到的信号值；
[0019] 分别计算并记录不对称逆变电路的64个开关矢量作用后电网系统无功变化情 况；
[0020] 将电网系统的无功情况与之前记录的信号值进行比较，选取进行无功补偿控制的 开关矢量；
[0021] 通过三维空间矢量调制方法产生16路脉宽调制波形，并利用产生的16路脉宽调 制波形控制桥臂开关管的通断进行无功补偿。
[0022] 所述选取进行无功补偿控制的开关矢量的过程为：对于一电网电压VI，用与两电 平相同的方法得到滞环输出信号Sl及S2,同时分别计算64个开关矢量作用后电网系统无 功的变化情况，并电网系统无功的变化情况与滞环输出情况进行比较，选择合适的开关矢 量。
[0023] 所述三维空间矢量调制方法包括以下步骤：
[0024] 将三电平四桥臂逆变系统进行统一建模，形成三维空间矢量坐标系；
[0025] 对于给定的参考电压进行归一化处理，并对归一化处理后的量进行取整；
[0026] 通过空间几何关系来判断处理后的电压位于哪个空间四面体；
[0027] 利用对应的空间四面体的矢量来合成参考矢量。
[0028] 所述三维空间矢量坐标系的形成过程如下：
[0029] 每个桥臂的开关函数定义为如式（1)所示：
【权利要求】
1. 一种高压无功补偿逆变电路，其特征是，包括4个并联连接的桥臂以及与4个桥臂并 联连接的电容电路，从4个桥臂中分别引出a、b、c和η四根与电网连接的相线，从电容电路 的中点引出中性线；所述电容电路包括第一电容和第二电容，所述第一电容和第二电容串 联后并联在直流母线的两端，所述桥臂包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开 关管，所述的第一开关管、第二开关管和第三开关管串联后并联在直流母线的两端，在第二 开关管和第三开关管中间引出相线，所述第四开关管的一端连接在第一开关管和第二开关 管之间，另一端连接在第一电容和第二电容之间；所述的第一开关管、第二开关管、第三开 关管和第四开关管分别反并联一个二极管。
2. 根据权利要求1所述的一种高压无功补偿逆变电路，其特征是，所述的a、b、c和η 四根相线分别通过一个电感与电网连接。
3. 根据权利要求1所述的一种高压无功补偿逆变电路，其特征是，所述开关管包括 IGBT晶体管。
4. 根据权利要求1所述的一种高压无功补偿逆变电路，其特征是，所述第一电容和第 二电容的电容相等。
5. -种高压无功补偿方法，采用上述权利要求所述的高压无功补偿逆变电路对电网进 行高压无功补偿，其特征是， 所述高压无功补偿逆变电路包括4个并联连接的桥臂以及与4个桥臂并联连接的电容 电路，从4个桥臂中分别引出a、b、c和η四根与电网连接的相线，从电容电路的中点引出中 性线；所述电容电路包括第一电容和第二电容，所述第一电容和第二电容串联后并联在直 流母线的两端，所述桥臂包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，所述的 第一开关管、第二开关管和第三开关管串联后并联在直流母线的两端，在第二开关管和第 三开关管中间引出相线，所述第四开关管的一端连接在第一开关管和第二开关管之间，另 一端连接在第一电容和第二电容之间；所述的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四 开关管分别反并联一个二极管；所述电容电路中的第一电容和第二电容的电容电压相等； 所述补偿方法包括以下步骤： 检测电网系统需要补偿的无功电流值； 记录通过电流滞环控制器得到的信号值； 分别计算并记录不对称逆变电路的64个开关矢量作用后电网系统无功变化情况； 将电网系统的无功情况与之前记录的信号值进行比较，选取进行无功补偿控制的开关 矢量； 通过三维空间矢量调制方法产生16路脉宽调制波形，并利用产生的16路脉宽调制波 形控制桥臂开关管的通断进行无功补偿。
6. 根据权利要求5所述的一种高压无功补偿方法，其特征是，所述选取进行无功补偿 控制的开关矢量的过程为：对于一电网电压V1，用与两电平相同的方法得到滞环输出信号 S1及S2，同时分别计算64个开关矢量作用后电网系统无功的变化情况，并电网系统无功的 变化情况与滞环输出情况进行比较，选择合适的开关矢量。
7. 根据权利要求5所述的一种高压无功补偿方法，其特征是，所述三维空间矢量调制 方法包括以下步骤： 将三电平四桥臂逆变系统进行统一建模，形成三维空间矢量坐标系； 对于给定的参考电压进行归一化处理，并对归一化处理后的量进行取整； 通过空间几何关系来判断处理后的电压位于哪个空间四面体； 利用对应的空间四面体的矢量来合成参考矢量。
8. 根据权利要求7所述的一种高压无功补偿方法，其特征是，所述三维空间矢量坐标 系的形成过程如下： 每个桥臂的开关函数定义为如式（1)所示：
其中，m = a、b、c、n，开关管状态为1表示开通状态； 将第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管分为两组，每个桥臂的4个开关 管有4种组合方式，构成4个矢量，则该三电平四桥臂逆变电路有256个开关量； 将256个开关量中的冗余开关量去除后得到64个不同的开关矢量； 将坐标原点平移，让所有矢量都平移到正方向上，则开关矢量在三维空间形成三个大 立方体，且三个大立方体在空间上张成一个空间十二面体； 每个大立方体可细分为8个小立方体，除去两个重合的小立方体，共包含22个完整的 小立方体，除去立方体共用的顶点数，22个完整的小立方体共有64个独立的顶点，分别对 应64个不同的开关状态； 将每个小立方体用立方体的三个对角面划分为分别对应参考矢量在四面体中位置的6 个四面体，对参考矢量进行归一化处理后的所有矢量将落在空间十二面体的内部； 采用相应四面体4个顶点所对应的矢量进行参考矢量的合成，所述参考矢量的合成过 程为确定参考矢量的开关矢量后并计算开关矢量的作用时间。
9. 根据权利要求8所述的一种高压无功补偿方法，其特征是，所述确定参考矢量的开 关矢量的过程包括以下步骤： 定义对参考电压归一化处理的公式，如式2所示：
其中，i = a, b, c ; 给定三相参考电压Vref，利用归一化常数Vdc/n将参考矢量归一化到 {-(n-1)，...，（η-I)}的范围，再将归一化后的参考电压矢量平移到正方向上以简化控制过 程，得到矢量Van、V bn和Vm; 通过式3计算参考矢量所指向的小立方体的顶点坐标：
其中， VranJ VrbnJ Vrcn 为参考矢量； 坐标（a，b，c)是参考矢量指向的小立方体参考坐标系的原点坐标； 进行四面体的判断工作，从而确定参考矢量的开关矢量。
10.根据权利要求9所述的一种高压无功补偿方法，其特征是，进行参考矢量归一化处 理并得到参考矢量的坐标后，所述四面体的判断过程包括以下步骤： (1) 如果Vrtn彡Vrai+b-c，转入步骤（2)，否则转入步骤（4); (2) 如果Vran彡Vrai+a-c，则参考矢量落在四面体I中，否则转入步骤（3); (3) 如果vAn< v^+b-a，则参考矢量落在四面体II中，否则参考矢量落在四面体III中； (4) 如果Vran彡Vrai+a-c，则参考矢量落在四面体IV中，否则转入步骤（5); (5) 如果vAn彡v^+b-a，则参考矢量落在四面体V中，否则参考矢量落在四面体VI中。
【文档编号】H02M7/5387GK104393784SQ201410742796
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年12月8日 优先权日:2014年12月8日
【发明者】王肃, 张庆, 胥明凯, 王思源, 李莉, 秦昌龙, 雷霞, 雷海, 邱晓初 申请人:国家电网公司, 国网山东省电力公司济南供电公司, 西华大学