一种基于小电容的单相静止无功发生器及控制方法技术

一种基于小电容的单相静止无功发生器及控制方法，包括IGBT晶体管T1～T4、直流电容XC，IGBT晶体管T1～T4分别反向并联有二极管D1～D4。IGBT晶体管T1与IGBT晶体管T2串联，构成第一桥臂，串联的连接点为a；IGBT晶体管T3与IGBT晶体管T4串联，构成第二桥臂，串联的连接点为b。第一桥臂、第二桥臂分别与直流电容XC并联；连接点a、连接点b分别与单向电网的火线L和零线N相连，连接点a与火线L之间连接有限流电抗器XL。本发明专利技术一种基于小电容的单相静止无功发生器及控制方法，包括电路结构和控制方式，它采用IGBT控制且易扩展，能够补充三相STATCOM在补偿容量方面的不足，并能达到优化无功控制效果的目的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及控制电网无功平衡领域，具体涉及一种基于小电容的单相静止无功发生器及控制方法。
技术介绍
安装无功补偿设备是控制电网无功平衡的主要方式，它也是保障电网安全、稳定和可靠运行的关键设备，主要包括：静态无功补偿器(SVC)和静止无功发生器(STATCOM)。目前，SVC一般采用晶闸管控制，具有可控容量大、控制简单等优点，但补偿精度低、响应速度慢、谐波含量高；STATCOM一般采用绝缘栅双极晶体管(IGBT)控制，其补偿效果好、电流谐波含量低，但补偿容量不高、控制较复杂。显然，二者的优缺点具有典型对称的特点，其本质原因在于采用了不同的半导体开关。
技术实现思路
为了提高补偿器的综合性能，本专利技术提出了一种基于小电容的单相静止无功发生器及控制方法，包括电路结构和控制方式，它采用IGBT控制且易扩展，能够补充三相STATCOM在补偿容量方面的不足，并能达到优化无功控制效果的目的。本专利技术所采用的技术方案是：一种基于小电容的单相静止无功发生器电路拓扑，包括IGBT晶体管T1～T4、直流电容XC，IGBT晶体管T1～T4分别反向并联有二极管D1～D4。IGBT晶体管T1与IGBT晶体管T2串联，构成第一桥臂，串联的连接点为a；IGBT晶体管T3与IGBT晶体管T4串联，构成第二桥臂，串联的连接点为b。第一桥臂、第二桥臂分别与直流电容XC并联；连接点a、连接点b分别与单向电网的火线L和零线N相连，连接点a与火线L之间连接有限流电抗器XL。一种基于小电容的单相静止无功发生器调制方法，先采样直流电容XC电压Ucap，与高频等幅值三角载波Ucar.求积，得到具有正弦包络线特点的三角载波Vcar.，其次设置参考电压VREF或-VREF，分别作为第一桥臂、第二桥臂上两组IGBT晶体管的调制波，从而得到栅极Ⅰ～Ⅳ的控制信号GⅠ～GⅣ，驱动四只IGBT晶体管依次导通，最后得到输出电压Vout。一种基于小电容的单相静止无功发生器控制方法，过对电网电压Ugrid和电流Igrid的监测，计算无功功率，在与设定参考电压或功率因数XREF求差，获得误差控制量error；再采用比例积分控制PI，得到调制信号VREF；最后采用改进的正弦调制方法，得到四只IGBT晶体管的控制信号GⅠ～GⅣ，驱动装置响应电网的无功变化，实现无功稳定控制。一种基于小电容的单相静止无功发生器电路拓扑，应用于电网电压稳定控制或功率因数校正领域，将电压或功率因数误差量转化为无功调整量，再控制开关按特定规律通断，从而实现电压或功率因数的动态调节。本专利技术一种基于小电容的单相静止无功发生器及控制方法，与传统STATCOM和SVC相比，其主要优点包括以下三个方面：(1)：选用较小直流电容，电路结构简单，易控制，具有较高的功率密度和运行可靠性；(2)：采用全控型半导体开关IGBT，装置的可控性强，有利于提高动态无功控制效果；(3)：可扩展性强，易于多组并联或在三相系统中按Y/Δ方式连接，无功补偿容量大。(4)：本专利技术是基于对STATCOM和SVC优缺点的深入分析，提出的一种综合解决方案，它既具有前者控制精度高、响应速度快的优点，又能够像后者一样易于扩展，提升补偿容量，从而提高装置的综合补偿能力。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明：图1为本专利技术的电路拓扑与控制方法图。图2为本专利技术开关调制方法与输出电压关系图。图3为本专利技术的控制框图。具体实施方式一种基于小电容的单相静止无功发生器及控制方法，如图1所示，包括电路拓扑、调制方式和控制策略三个部分，具体阐述如下：(1)、电路结构部分包括IGBT晶体管T1～T4(含反并联二极管D1～D4)和直流电容XC，半导体开关均为绝缘栅双极晶体管(简称IGBT)。IGBT晶体管Tx与二极管Dx(x＝1～4)按常规的方法反并联，前两组与后两组分别串联构成两只桥臂，各桥臂和直流电容XC互为并联关系，其中点a和b分别与单相电网的火线L和零线N相连，且a与L间连接一只限流电抗器XL。(2)、调制方法部分包括：首先采样直流电容电压Ucap.(波形一般为二倍工频的正弦半波)，与高频等幅值三角载波Ucar.求积，得到具有正弦包络线特点的三角载波Vcar.，其次设置参考电压VREF或-VREF，分别作为两只桥臂上两组半导体开关的调制波，从而得到栅极Ⅰ～Ⅳ的控制信号GⅠ～GⅣ，驱动四只IGBT晶体管依次导通，最后得到输出电压Vout。(3)控制策略部分包括：以电压的大小或功率因数为控制目标，通过采样电网电压或电流并与设定参考值求差，作为比例积分控制器(PI)的误差输入信号，获得VREF，再通过(2)所述的调制方式产生开关控制信号。工作原理：本专利技术单相静止无功发生器电路拓扑，主要应用于电网电压稳定控制或功率因数校正领域，将电压或功率因数误差量转化为无功调整量，再控制开关按特定规律通断，从而实现电压或功率因数的动态调节。具体工作原理阐述如下：如图1所示，为电路的结构和开关调制方式。容抗为XC的直流电容与全可控桥式开关模块并联，它由四只IGBT晶体管及反并联二极管组成，两桥臂上的开关分别为：T1-D1和T2-D2、T3-D3和T4-D4，其中桥臂中点a和b分别与单相电网的火线L和零线N相连，且a与L间连接一只阻抗为XL的限流电抗器。直流电容XC为较小直流电容，当输出无功功率在5kVar～10kVar内变化时，电容量C只有400uF，而现有技术一般要2000uF以上，因此，电容可减小至少4倍。图1中还显示了四只IGBT晶体管的开关的调制方式，开关状态与输出电压值的关系。具体如图2所示。假设交流电网工频为f0，直流电容电压Ucap.波形为正弦半波，且频率为2f0；初始载波Ucar.为恒定幅值的三角波，其频率为fcar.，幅值为1；将Ucap.与Ucar.相乘得到改进的载波Vcar.，其幅值按正弦半波规律变化；根据输出目标无功大小确定调制波VREF，当Vcar.>VREF时，控制T1导通，且T2关断；当Vcar.<VREF时，控制T2导通，且T1关断；另外，当Vcar.>-VREF时，控制T3导通，且T4关断；当Vcar.<-VREF时，控制T4导通，且T3关断；即得到GⅠ～GⅣ的脉宽波形。当T1和T3同时导通或T2和T4同时导通时，输出电压Vout均为0；当T1和T4同时导通时，输出电压Vout＝Ucap.；当T2和T3同时导通时，输出电压Vout＝-Ucap.。令N＝fcar./f0，当N＝20(或等于20整数倍)时，如图2所示，在一个载波周期[Tk,Tk+1]内，可近似认为电容电压大小保持不变。因此，Ucap与Vout的平均电压之比恒等于导通脉宽之比，即VREF与Ucap.的幅值之比等于(τ1+τ2)/Tcar.。如图3所示，为本专利技术的控制框图。首先通过对电网电压Ugrid和电流Igrid的实时检测，并将其用于计算无功功率、电压幅值或功率因数，设输出量为X；将X与参考量XREF(具体为电压幅值或单位功率因数)求差，输出误差量error；再采用比例积分控制(PI)，得到调制信号VREF；最后，采用图2所示的调制方法，输出四只IGBT的控制信号GⅠ～GⅣ，驱动STATCOM，实现电网无功控制。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于小电容的单相静止无功发生器电路拓扑，其特征在于：包括IGBT晶体管T1～T4、直流电容XC，IGBT晶体管T1～T4分别反向并联有二极管D1～D4，IGBT晶体管T1与IGBT晶体管T2串联，构成第一桥臂，串联的连接点为a；IGBT晶体管T3与IGBT晶体管T4串联，构成第二桥臂，串联的连接点为b；第一桥臂、第二桥臂分别与直流电容XC并联；连接点a、连接点b分别与单向电网的火线L和零线N相连，连接点a与火线L之间连接有限流电抗器XL。

【技术特征摘要】
1.一种基于小电容的单相静止无功发生器电路拓扑，其特征在于：包括IGBT晶体管T1～T4、直流电容XC，IGBT晶体管T1～T4分别反向并联有二极管D1～D4，IGBT晶体管T1与IGBT晶体管T2串联，构成第一桥臂，串联的连接点为a；IGBT晶体管T3与IGBT晶体管T4串联，构成第二桥臂，串联的连接点为b；第一桥臂、第二桥臂分别与直流电容XC并联；连接点a、连接点b分别与单向电网的火线L和零线N相连，连接点a与火线L之间连接有限流电抗器XL。2.采用如权利要求1所述一种基于小电容的单相静止无功发生器电路拓扑的单相静止无功发生器调制方法，其特征在于：先采样直流电容XC电压Ucap，与高频等幅值三角载波Ucar.求积，得到具有正弦包络线特点的三角载波Vcar.，其次设置参考电压VREF或-VREF，分别作为第一桥臂、第二桥臂上两...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏业文，刘国特，王辉，程江洲，黄悦华，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42