基于单级变换模块级联式变流器的新型静止无功补偿器的制作方法

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本发明涉及电力系统静止无功补偿器的新型构造方法，属于电能质量控制技术中动态无功补偿控制技术领域。

背景技术：

随着电力电子装置的应用日益广泛，以及电力系统非线性负载的大量接入，供电电能质量问题日显突出，因此近年来，以电力电子变流器为核心的电能质量控制技术引起越来越多的关注。对于电力系统中应用的谐波抑制装置和无功补偿装置的研究已经成为目前电气工程领域最受重视的研究领域之一，这些电能质量控制装置公认作用是，能够提高供电系统和负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗，稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。

根据连接方式不同，电力系统补偿方式可以分为并联补偿、串联补偿和串并联混合补偿三种，其中并联补偿由于接入和切除方便，在电力系统中得到最为广泛的应用。在并联补偿应用中目前最常用的能够对电力系统中的无功功率进行连续动态补偿的典型装置是静止无功补偿器(svc)和静止无功发生器(svg)两种装置。其中静止无功补偿器(svc)通常是由晶闸管控制电抗器(tcr)加固定电容器(fc)构成(电容器通常与电感相串联同时做低频谐波滤波器用)，其优点是：可实现连续补偿，可分相调节，运行可靠，控制简单，价格便宜；其主要缺点是本身会产生大量谐波，使用中必须附加滤波装置，另外电抗器体积庞大笨重。与静止无功补偿器(svc)相比较，静止无功发生器(svg)由全控型现代电力电子器件构成，采用现代电力电子技术，在实现连续动态无功补偿的同时，还可以对电网的谐波进行有效抑制，具有动态响应速度更快，电压闪变抑制能力更强，谐波含量少，装置功耗低，体积小，重量轻(不需要庞大笨重的电抗器)等一系列优点，其主要缺点是：价格昂贵，控制复杂。从上述可知，传统常用的能够对电力系统中的无功功率进行连续动态补偿的两种典型并联补偿装置各有其不足之处。

本发明的目的是提供一种兼有上述两种并联补偿装置优点的新型静止无功补偿器电路。该新型静止无功补偿器电路由能量单方向传输的可控整流器电路构成，对于单相和三相的并联补偿器电路，可以采用一种合适的控制策略，控制可控整流器输入电流以超前于或滞后于输入电源电压的相位运行，通过与电容器的配合，为系统提供连续可调的无功功率，同时对电网的谐波进行抑制。在该新型静止无功补偿器电路中，能量单方向传输的可控整流器与若干条电容与电感相串联的支路并联联接，电容与电感相串联的支路既可以提供超前的基波无功功率，又可以滤除低次谐波，通过控制能量单方向传输的可控整流器输入电流相对于电网电压的相位，就可以达到为系统提供连续可调的无功功率的目的。通过控制能量单方向传输的可控整流器产生与电网电流谐波相位相差180度的对应谐波电流，就可以达到抑制或消除电网电流谐波的目的。

对于能量单方向传输的可控整流器，到目前为止，在工业中主要是作为单位功率因数整流器使用，当本发明专利令其输入电流以超前于或滞后于输入电源电压的相位运行时，输入电流必然会产生过零点畸变，从而导致电流thd增大，在本发明所提出的单相并联补偿器中，在控制输入电流以超前于或滞后于输入电源电压的相位运行时，可以通过对输入电流参考值的合理注入控制以及合理的选择开关模式，使输入电流的过零点畸变得到有效抑制，还可以通过对输入电流分段表达式的分析，得出thd的变化规律，从而得出输入电流超前或滞后输入电源电压的相位的可能变化范围，并最终得出最大无功补偿的范围；而在本发明所提出的三相并联补偿器中，通过合理控制能量单方向传输的三相可控整流器的输入三相电源中点与整流器中点之间电压，或通过对输入电流给定值的合理注入控制，可以使电流过零点畸变得到有效抑制或完全消除。本发明所提出的新型静止无功补偿器既具有svg动态响应速度快，谐波含量少，装置功耗低，体积小，重量轻(不需要庞大笨重的电抗器)等一系列优点，也具有svc控制简单，价格便宜(因只需少量的全控型电力电子开关器件)的优点。

技术实现要素：

为达到上述目的，本发明提供的第一种基于单级变换模块级联式变流器的新型静止无功补偿器，包括主功率电路，所述主功率电路包括单级功率变换模块，单级功率变换模块采用第一模块单元，所述第一模块单元包括单相二极管整流桥、开关器件、快恢复二极管、升压电感、隔离高频变压器及其原边滤波电容以及输出直流电容和负载，所述主功率电路包括高频滤波器和n个级联的所述第一模块单元，其中各个所述单相二极管整流桥的第二个输入端与下一个所述单相二极管整流桥的第一个输入端依次相连，级联起来的所述单相二极管整流桥剩余的两个交流输入端，即第一个所述单相二极管整流桥的第一个交流输入端与第n个所述单相二极管整流桥的第二个交流输入端，n个级联的第一模块单元经所述高频滤波器串联接入交流电网，其中，n为正整数。所述主功率电路还包括由电感(lfk)电容(cfk)串联构成的k个滤波器支路，其中k为正整数，k个滤波器支路并联接入交流电网。

为达到上述目的，本发明提供的第二种基于单级变换模块级联式变流器的新型静止无功补偿器，其中所述单级功率变换模块替换采用第二模块单元，所述第二模块单元包括单相二极管整流桥、开关器件、快恢复二极管、升压电感、隔离高频变压器及其原边滤波电容以及输出滤波电感、输出直流电容和负载。

为达到上述目的，本发明提供的第三种基于单级变换模块级联式变流器的新型静止无功补偿器，其中所述单级功率变换模块替换采用第三模块单元，所述第三模块单元包括单相二极管整流桥、开关器件和快恢复二极管、升压电感、隔离高频变压器及其原边滤波电容、辅助电感以及输出直流电容和负载。

为达到上述目的，本发明提供的第四种基于单级变换模块级联式变流器的新型静止无功补偿器，其中所述单级功率变换模块替换采用第四模块单元，所述第四模块单元包括一个单相二极管整流桥、一个由开关器件构成的h桥、快恢复二极管、升压电感、隔离高频变压器及其原边滤波电容以及输出滤波电感、输出直流电容和负载，其中，二极管整流桥直流输出侧经两并联二极管与由全控型器件组成的h桥交流侧相连，h桥直流侧并联一储能电容，h桥交流侧输出端接至隔离高频变压器原边，隔离高频变压器副边输出经二极管全波整流电路和输出滤波电感后与输出直流电容和负载相连。

为达到上述目的，本发明提供的第五种基于单级变换模块级联式变流器的新型静止无功补偿器，其中所述单级功率变换模块替换采用第五模块单元，所述第五模块单元包括两个单相二极管整流桥、一个由开关器件构成的h桥、快恢复二极管、升压电感、隔离高频变压器及其原边滤波电容和电感以及输出直流电容和负载。

为达到上述目的，本发明提供的第六种基于单级变换模块级联式变流器的新型静止无功补偿器，采用基于单级功率变换模块的级联式变流器构成三相星接变流器拓扑结构，包括构成星接变流器的三相主功率电路，所述三相主功率电路包括三个高频滤波器和三个所述基于单级功率变换模块的级联式变流器，其中所述基于单级功率变换模块的级联式变流器中n个级联的模块单元所剩余的交流输入端共六个，n为正整数，位于每相的三个交流输入端构成一组接线端，而位于每相的另三个交流输入端构成另一组接线端，其中一组接线端接到一个公共的中性点上，另一组接线端分别与三个高频滤波器之一串联接入三相电网，构成星形连接。所述三相主功率电路还包括k个三相lc滤波器，其中k为正整数，每个所述三相lc滤波器由三条电感(lfk)电容(cfk)串联支路构成，每个所述三相lc滤波器的三条电感(lfk)电容(cfk)串联支路以星接方式与三相交流电网连接。

为达到上述目的，本发明提供的第六种基于单级变换模块级联式变流器的新型静止无功补偿器，采用基于单级功率变换模块的级联式变流器替换构成三相角接变流器拓扑结构，包括构成角接变流器的三相主功率电路，所述三相主功率电路包括三个高频滤波器和三个所述基于单级功率变换模块的级联式变流器，其中所述基于单级功率变换模块的级联式变流器中n个级联的模块单元所剩余的交流输入端共六个，n为正整数，位于每相的三个交流输入端构成一组接线端，而位于每相的另三个交流输入端构成另一组接线端，其中一组接线端分别与三个高频滤波器之一串联接入三相电网，另一组接线端依次连接至三相电网中的下一相输入端，构成角形连接。所述三相主功率电路还包括k个三相lc滤波器，其中k为正整数，每个所述三相lc滤波器由三条电感(lfk)电容(cfk)串联支路构成，每个所述三相lc滤波器的三条电感(lfk)电容(cfk)串联支路以星接方式与三相交流电网连接。

为达到上述目的，本发明提供的第六种基于单级变换模块级联式变流器的新型静止无功补偿器，采用基于单级功率变换模块的级联式变流器替换构成三相双星接变流器拓扑结构，包括构成双星接变流器的三相主功率电路，所述三相主功率电路包括三个高频滤波器、六个桥臂电感和六个所述基于单级功率变换模块的级联式变流器，六个基于单级功率变换模块的级联式变流器构成对接的两组星形连接，即在每组星形连接中，所述基于单级功率变换模块的级联式变流器中n个级联的模块单元所剩余的交流输入端共六个，n为正整数，位于每相的三个所述交流输入端构成一组接线端，而位于每相的另三个所述交流输入端构成另一组接线端，所述一组接线端接到一个公共的中性点上，所述另一组接线端分别与所述桥臂电感之一的一端相连，而位于每相桥臂上的两个所述桥臂电感的另一端相互对接，并分别经三个所述高频滤波器之一接至三相电网输入端，同时，第一组星形连接中的公共中性点和第二组星形连接中的公共中性点分别与所述直流电容的两端相连，构成双星形连接。所述三相主功率电路还包括k个三相lc滤波器，其中k为正整数，每个所述三相lc滤波器由三条电感(lfk)电容(cfk)串联支路构成，每个所述三相lc滤波器的三条电感(lfk)电容(cfk)串联支路以星接方式与三相交流电网连接。

为达到上述目的，本发明提供的第七种基于单级变换模块级联式变流器的新型静止无功补偿器，采用基于单级功率变换模块的级联式变流器构成三相星接变流器拓扑结构，包括构成星接变流器的三相主功率电路，所述三相主功率电路包括三个高频滤波器和三个所述基于单级功率变换模块的级联式变流器，其中所述基于单级功率变换模块的级联式变流器中n个级联的模块单元所剩余的交流输入端共六个，n为正整数，位于每相的三个交流输入端构成一组接线端，而位于每相的另三个交流输入端构成另一组接线端，其中一组接线端接到一个公共的中性点上，另一组接线端分别与三个高频滤波器之一串联接入三相电网，构成星形连接。所述三相主功率电路还包括k个三相lc滤波器，其中k为正整数，每个所述三相lc滤波器由三条电感(lfk)电容(cfk)串联支路构成，每个所述三相lc滤波器的三条电感(lfk)电容(cfk)串联支路以角接方式与三相交流电网连接。

为达到上述目的，本发明提供的第七种基于单级变换模块级联式变流器的新型静止无功补偿器，采用基于单级功率变换模块的级联式变流器替换构成三相角接变流器拓扑结构，包括构成角接变流器的三相主功率电路，所述三相主功率电路包括三个高频滤波器和三个所述基于单级功率变换模块的级联式变流器，其中所述基于单级功率变换模块的级联式变流器中n个级联的模块单元所剩余的交流输入端共六个，n为正整数，位于每相的三个交流输入端构成一组接线端，而位于每相的另三个交流输入端构成另一组接线端，其中一组接线端分别与三个高频滤波器之一串联接入三相电网，另一组接线端依次连接至三相电网中的下一相输入端，构成角形连接。所述三相主功率电路还包括k个三相lc滤波器，其中k为正整数，每个所述三相lc滤波器由三条电感(lfk)电容(cfk)串联支路构成，每个所述三相lc滤波器的三条电感(lfk)电容(cfk)串联支路以角接方式与三相交流电网连接。

为达到上述目的，本发明提供的第七种基于单级变换模块级联式变流器的新型静止无功补偿器，采用基于单级功率变换模块的级联式变流器替换构成三相双星接变流器拓扑结构，包括构成双星接变流器的三相主功率电路，所述三相主功率电路包括三个高频滤波器、六个桥臂电感和六个所述基于单级功率变换模块的级联式变流器，六个基于单级功率变换模块的级联式变流器构成对接的两组星形连接，即在每组星形连接中，所述基于单级功率变换模块的级联式变流器中n个级联的模块单元所剩余的交流输入端共六个，n为正整数，位于每相的三个所述交流输入端构成一组接线端，而位于每相的另三个所述交流输入端构成另一组接线端，所述一组接线端接到一个公共的中性点上，所述另一组接线端分别与所述桥臂电感之一的一端相连，而位于每相桥臂上的两个所述桥臂电感的另一端相互对接，并分别经三个所述高频滤波器之一接至三相电网输入端，同时，第一组星形连接中的公共中性点和第二组星形连接中的公共中性点分别与所述直流电容的两端相连，构成双星形连接。所述三相主功率电路还包括k个三相lc滤波器，其中k为正整数，每个所述三相lc滤波器由三条电感(lfk)电容(cfk)串联支路构成，每个所述三相lc滤波器的三条电感(lfk)电容(cfk)串联支路以角接方式与三相交流电网连接。

本发明一种基于单级变换模块级联式变流器的新型静止无功补偿器的优点和积极效果在于：提供一种新型的静止无功补偿器电路。该新型静止无功补偿器电路以能量单方向传输的可控整流器电路为基础构成，在该新型静止无功补偿器电路中，能量单方向传输的可控整流器与若干条电容与电感相串联的支路并联联接，电容与电感相串联的支路既可以提供超前的基波无功功率，又可以滤除低次谐波，通过控制能量单方向传输的可控整流器输入电流的相位，就可以达到为系统提供连续可调的无功功率的目的。通过控制能量单方向传输的可控整流器产生与电网电流谐波相位相差180度的对应谐波电流，就可以达到抑制或消除电网电流谐波的目的。本发明所提出的新型静止无功补偿器既具有svg动态响应速度快，谐波含量少，装置功耗低，体积小，重量轻等一系列优点，也具有svc控制简单，价格便宜的优点。

下面将结合实施例参照附图进行详细说明。

附图说明

图1是本发明基于单级变换模块级联式变流器的新型静止无功补偿器中第一模块单元的电路图；

图2是本发明基于单级变换模块级联式变流器的新型静止无功补偿器中第一实施例的电路拓扑结构图；

图3是本发明基于单级变换模块级联式变流器的新型静止无功补偿器中第二模块单元的电路图；

图4是本发明基于单级变换模块级联式变流器的新型静止无功补偿器中第二实施例的电路拓扑结构图；

图5是本发明基于单级变换模块级联式变流器的新型静止无功补偿器中第三模块单元的电路图；

图6是本发明基于单级变换模块级联式变流器的新型静止无功补偿器中第三实施例的电路拓扑图；

图7是本发明基于单级变换模块级联式变流器的新型静止无功补偿器中第四模块单元的电路图；

图8是本发明基于单级变换模块级联式变流器的新型静止无功补偿器中第四实施例的电路拓扑图；

图9是本发明基于单级变换模块级联式变流器的新型静止无功补偿器中第五模块单元的电路图；

图10是本发明基于单级变换模块级联式变流器的新型静止无功补偿器中第五实施例的电路拓扑图；

图11是本发明基于单级变换模块级联式变流器的新型静止无功补偿器中第六实施例的电路拓扑图；

图12是本发明基于单级变换模块级联式变流器的新型静止无功补偿器中第七实施例的电路拓扑图；

图13是本发明基于单级变换模块级联式变流器的新型静止无功补偿器中第八实施例的电路拓扑图；

图14是本发明基于单级变换模块级联式变流器的新型静止无功补偿器中第九实施例的电路拓扑图；

图15是本发明基于单级变换模块级联式变流器的新型静止无功补偿器中第十实施例的电路拓扑图；

图16是本发明基于单级变换模块级联式变流器的新型静止无功补偿器中第十一实施例的电路拓扑图；

具体实施方式

考虑到基于单级功率变换模块的级联式变流器，这种变流器无需使用工频移相变压器，可以使用低耐压的功率开关管在高电压下完成大功率高频隔离变换，可以使用一级功率变换电路完成ac/dc和dc/dc两级变换功能，并具有功率因数校正功能，实现单位功率因数整流，其主功率电路的拓扑结构简单，系统的工作效率高，体积小，重量轻，成本低。为此，在本发明一种基于单级变换模块级联式变流器的新型静止无功补偿器的实施例中，基于单级功率变换模块的级联式变流器是由若干个功率变换模块级联而组成一个整体的电路拓扑。

参照图1和图2，在本发明一种基于单级变换模块级联式变流器的新型静止无功补偿器的第一实施例中，主功率电路包括k个滤波器支路，高频滤波器和n个级联的第一模块单元a，其中k，n为正整数。第一模块单元(a)包括单相二极管整流桥、开关器件和快恢复二极管、升压电感、隔离高频变压器及其原边滤波电容以及输出直流电容和负载。n个第一模块单元(a)中各个单相二极管整流桥的第二接线端b与所级联的下一个第一模块单元(a)中的开关器件的第一接线端a依次相连，第一模块单元(a)级联后所剩余两个自由端，即第一个第一模块单元(a)中单相二极管整流桥的第一接线端a与第n个第一模块单元(a)中单相二极管整流桥的第二接线端b，n个级联的第一模块单元(a)经高频滤波器串联接入交流电网。