一种基于H桥级联的大容量电容器组投切装置的制作方法

发电;变电;配电装置的制造技术一种基于h桥级联的大容量电容器组投切装置技术领域1.本发明涉及无功补偿设备技术领域，尤其是涉及一种基于h桥级联的大容量电容器组投切装置。背景技术：2.并联电容器组以其结构简单、装置可靠、成本低廉等优点，是目前变电站最常用的无功补偿装置。但由于每个电容器组容量固定，所能提供的无功电流为一固定值，当电网负荷发生变化时，易出现“过补偿”、“欠补偿”和“谐振”等问题。为使电容器组补偿容量与当前负荷相匹配，需通过断路器控制投入电容器组的数量，目前常用的断路器有真空断路器和sf6断路器两种。真空断路器频繁通断时易发生密封性下降等缺陷，sf6断路器在开断电流时，sf6气体会发生电解，产生毒性物质，因此断路器都有一定的开断次数。如何解决上述电容器组补偿容量难以动态控制，断路器在频繁开断下易发生损坏等问题，已成为目前研究的重点。3.在中国专利文献上公开的“无功补偿电路及无功补偿装置”，其公开号为cn107482640a，公开日期为2017-12-15，包括：电容器；用于投切电容器的投切开关，投切开关与电容器串联，投切开关包括并联的电磁继电器、磁保持继电器，电磁继电器为常开状态，磁保持继电器为常闭状态；控制器，与电磁继电器、磁保持继电器分别连接；当控制器输出正向驱动电流时，电磁继电器先于磁保持继电器闭合，电容器接入电路；当控制器停止输出正向驱动电流时，电磁继电器断开，磁保持继电器保持闭合状态，电容器保持接入电路状态；当控制器输出反向驱动电流时，磁保持继电器断开，电容器与电路断开。但是该技术是对装置投切部分的技术改进来延长使用寿命；由于每个电容器组容量固定，所能提供的无功电流为一固定值，然而当电网负荷发生变化时，所需的补偿容量也随负荷变化而变化，因此仍然需要频繁进行投切进行调节，并没有解决对电容器组补偿容量进行动态控制的问题。技术实现要素：4.本发明是为了克服现有技术中不投切电容器组时无功补偿容量不变易导致过补偿及欠补偿的问题，以及投切电容器组时随负荷变化投切过于频繁从而降低使用寿命的问题；提供了一种基于h桥级联的大容量电容器组投切装置，作为串联在低压母线和电容器组之间幅值、相位可控的电压源，根据负荷变化动态调节输出电压，间接调节电容器组两端电压，使电容器组发出的无功电流随负荷变化而变化。5.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于h桥级联的大容量电容器组投切装置，包括：整流模块，所述整流模块依次通过软起滤波模块和变压器连接低压母线，包括若干整流单元；级联逆变模块，所述级联逆变模块与整流模块之间连接有储能模块，包括若干级联逆变单元；电容器组回路，级联逆变单元的输出端连接耦合变压器的输入端，耦合变压器的输出端并联有旁路断路器并接入电容器组回路，电容器组回路通过软起模块连接低压母线；控制器，用于检测低压母线和电容器组回路的状态并向整流模块和级联逆变模块输出调制信号。6.本发明中电容器组投切装置主要包括整流模块和级联逆变模块两个部分，整流模块通过三相变压器和软起滤波模块连接低压母线，三相变压器将低压母线电压转变为380v低压，整流模块将380v低压整流成投切装置所需直流电压并给储能模块充电；储能模块为级联逆变模块提供能量；级联逆变单元通过改变级联h桥的数量调节输出电平数，以适应不同变电站低压母线电压不同的问题；级联逆变单元输出的交流电压经lcl滤波后通过耦合变压器耦合至电容器组回路；整流模块和级联逆变模块在控制器的控制下协同工作。本发明通过控制电容器组两端电压实现系统所需容性无功电流的无级调节，在减少电容器组投入电网所引起冲击电流的同时，减少了断路器频繁投切所引起的安全隐患。7.作为优选，所述整流单元为h桥整流电路，由两组晶体管支路并联后再与一个电容并联组成；每组晶体管支路包括两个串联的绝缘栅双极型晶体管；每个绝缘栅双极型晶体管的集电极和发射极之间反向并联有一个二极管；所述电容的两端为整流单元的输入端，连接软起滤波模块。8.本发明中h桥整流电路将从低压母线经过变压和滤波过后的交流电压整流成投切装置需要的直流电压输入到储能模块中储存电能，绝缘栅双极型晶体管的基极连接控制器，通过控制器输出的调制信号来控制晶体管开关器件的通断，从而达到整流的效果。9.作为优选，所述软起滤波模块包括若干软起滤波电路，软起滤波电路用于连接变压器的输出端和整流单元的输入端；所述软起滤波电路由串联的软起电路和电感组成，软起电路由电阻串联继电器之后再与继电器并联组成。10.本发明中软起模块包括有若干个软起电路，其软起电路的结构与软起滤波电路中的软起电路相同，软起电路用于减小装置启动时的电流突变，在装置启动瞬间，软起电路连通电阻，限制启动电流的大小，当达到一定时间后，再连通与电阻并联的继电器来实现平滑启动，降低启动电流避免过流，从而起到保护装置电路的作用。11.作为优选，所述级联逆变单元由若干个h桥逆变电路级联组成，所述h桥逆变电路的连接结构与整流单元的h桥整流电路相同；每个h桥逆变电路通过储能模块对应连接有整流单元的h桥整流电路。12.本发明中h桥逆变电路的连接结构和h桥整流电路的相同，逆变电路中的每个绝缘栅双极型晶体管的基极同样连接控制器，通过控制器输出的调制信号来控制晶体管开关器件的通断，从而达到将直流电压逆变为交流电压的效果，同时级联逆变单元输出的电平数可以通过级联的h桥逆变电路数量来决定，因此可以根据变电站低压母线的实际需要来设计h桥级联个数，适用范围更广。13.作为优选，所述储能模块包括若干个电容，每个电容的两端同时连接h桥整流电路的输出端和h桥逆变电路的输入端。本发明中电容的数量、h桥整流电路的数量以及h桥逆变电路的数量都相同，因此电容作为储存电能的部分接收从对应的h桥整流电路传输的电能并为对应的h桥逆变电路供电。14.作为优选，所述级联逆变单元的输出端和耦合变压器的输入端之间还连接有lcl滤波器。本发明中在级联逆变单元和耦合变压器之间设置lcl滤波器，可以滤除整流单元和级联逆变单元中产生的谐波以及其他干扰噪声，使特定的交流电压通过，从而使得输出的交流电压更加平滑。15.作为优选，所述变压器为三相变压器，所述耦合变压器为单相变压器。本发明中低压母线是三相电网，三相变压器分别对三相电网的每一相进行变压，从而使得每一相和电容器组之间都对应串联有一组投切装置，每组投切装置中输出的交流电都通过单相变压器耦合到电容器组回路中，电容器组回路同样分为三条支路，每条支路都通过软起电路连接低压母线中的一相。16.本发明具有如下有益效果：本发明的投切装置可以视为串联在低压母线和电容器组之间幅值、相位可控的电压源，根据负荷变化动态调节输出电压，间接调节电容器组两端电压，使电容器组发出的无功电流随负荷变化而变化，从而实现电容器输出补偿无功电流的无级调节，减少了电路频繁投切开断易发生故障的问题；当电容器组投入电网时，能通过控制器控制投切装置的输出电压与变电站低压母线电压相同，使得电容器组两端电压为零，从而减少电容器组投入时对电网接入点的冲击；本发明中的级联逆变单元采用多个h桥逆变电路级联而成，能根据变电站低压母线的实际需要设计级联的逆变电路个数，适用范围广，同时通过多个h桥逆变电路级联形成的输出端和耦合变压器配合进行调节，可以不受单个绝缘栅双极型晶体管的电流限制，从而控制更大容量的电容器组。附图说明17.图1是本发明投切装置的连接示意图；图2是本发明实施例中投切装置的连接示意图；图3是本发明实施例中整流单元的电路图；图4是本发明实施例中级联逆变单元的电路图；图5是本发明实施例中软起滤波电路和软起电路的电路图；图6是本发明另一个实施例中整流单元和级联逆变单元的电路图；图中：1、变压器；2、软起滤波模块；3、整流模块；31、整流单元；4、储能模块；5、级联逆变模块；51、级联逆变单元；6、lcl滤波器；7、耦合变压器；8、旁路断路器；9、软起模块；10、电容器组；11、低压母线；12、控制器。具体实施方式18.下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。19.如图1和2所示，一种基于h桥级联的大容量电容器组投切装置，包括：整流模块3，整流模块依次通过软起滤波模块2和变压器1连接低压母线11，包括若干整流单元31；级联逆变模块5，级联逆变模块与整流模块之间连接有储能模块4，包括若干级联逆变单元51；电容器组回路，级联逆变单元的输出端通过lcl滤波器连接耦合变压器7的输入端，耦合变压器的输出端并联有旁路断路器8并接入电容器组回路，电容器组回路通过软起模块9连接低压母线；电容器组回路中连接有若干电容器组10；控制器12，用于检测低压母线和电容器组回路的状态并向整流模块和级联逆变模块输出调制信号。20.整流单元为h桥整流电路，由两组晶体管支路并联后再与一个电容并联组成；每组晶体管支路包括两个串联的绝缘栅双极型晶体管igbt；每个绝缘栅双极型晶体管的集电极和发射极之间反向并联有一个二极管；电容的两端为整流单元的输入端，连接软起滤波模块。21.软起滤波模块包括若干软起滤波电路，软起滤波电路用于连接变压器的输出端和整流单元的输入端；软起滤波电路由串联的软起电路和电感组成，软起电路由电阻串联继电器之后再与继电器并联组成。22.级联逆变单元由若干个h桥逆变电路级联组成， h桥逆变电路的连接结构与整流单元的h桥整流电路相同；每个h桥逆变电路通过储能模块对应连接有整流单元的h桥整流电路。储能模块包括若干个电容，每个电容的两端同时连接h桥整流电路的输出端和h桥逆变电路的输入端。23.变压器为三相变压器，耦合变压器为单相变压器。24.本发明中电容器组投切装置主要包括整流模块和级联逆变模块两个部分，整流模块通过三相变压器和软起滤波模块连接低压母线，三相变压器将低压母线电压转变为380v低压，整流模块将380v低压整流成投切装置所需直流电压并给储能模块充电；储能模块为级联逆变模块提供能量；级联逆变单元通过改变级联h桥的数量调节输出电平数，以适应不同变电站低压母线电压不同的问题；级联逆变单元输出的交流电压经lcl滤波后通过耦合变压器耦合至电容器组回路；整流模块和级联逆变模块在控制器的控制下协同工作。本发明通过控制电容器组两端电压实现系统所需容性无功电流的无级调节，在减少电容器组投入电网所引起冲击电流的同时，减少了断路器频繁投切所引起的安全隐患。25.本发明中h桥整流电路将从低压母线经过变压和滤波过后的交流电压整流成投切装置需要的直流电压输入到储能模块中储存电能，绝缘栅双极型晶体管的基极连接控制器，通过控制器输出的调制信号来控制晶体管开关器件的通断，从而达到整流的效果。26.本发明中软起模块包括有若干个软起电路，其软起电路的结构与软起滤波电路中的软起电路相同，软起电路用于减小装置启动时的电流突变，在装置启动瞬间，软起电路连通电阻，限制启动电流的大小，当达到一定时间后，再连通与电阻并联的继电器来实现平滑启动，降低启动电流避免过流，从而起到保护装置电路的作用。27.本发明中h桥逆变电路的连接结构和h桥整流电路的相同，逆变电路中的每个绝缘栅双极型晶体管的基极同样连接控制器，通过控制器输出的调制信号来控制晶体管开关器件的通断，从而达到将直流电压逆变为交流电压的效果，同时级联逆变单元输出的电平数可以通过级联的h桥逆变电路数量来决定，因此可以根据变电站低压母线的实际需要来设计h桥级联个数，适用范围更广。28.本发明中电容的数量、h桥整流电路的数量以及h桥逆变电路的数量都相同，因此电容作为储存电能的部分接收从对应的h桥整流电路传输的电能并为对应的h桥逆变电路供电。29.本发明中在级联逆变单元和耦合变压器之间设置lcl滤波器，可以滤除整流单元和级联逆变单元中产生的谐波以及其他干扰噪声，使特定的交流电压通过，从而使得输出的交流电压更加平滑。30.本发明中低压母线是三相电网，三相变压器分别对三相电网的每一相进行变压，从而使得每一相和电容器组之间都对应串联有一组投切装置，每组投切装置中输出的交流电都通过单相变压器耦合到电容器组回路中，电容器组回路同样分为三条支路，每条支路都通过软起电路连接低压母线中的一相。31.实施例一，如图2所示，是由两个h桥逆变电路级联组成的级联逆变单元构成的投切装置示意图，该级联逆变单元可以输出的电平数为5个。低压母线的三相连接三相变压器的输入端，三相变压器的输出端连接有六个软起滤波电路，每个软起滤波电路的输出端都连接有一个h桥整流电路的输入端，每个h桥整流电路的输出端都接在用于储能的电容的两端并连接h桥逆变电路的输入端，两个级联的h桥逆变电路以及对应相连的两个电容和两个h桥整流电路共同组成一组投切装置串联在低压母线的一相与电容器组回路之间，电容器组回路分为三条支路通过三个串联的软起电路连接低压母线的三相。级联逆变单元的输出端通过lcl滤波器连接耦合变压器的输入端，耦合变压器的输出端串联在电容器组回路的一条支路中，耦合变压器的输出端并联有旁路断路器。控制器，图中未标出，用于检测低压母线和电容器组回路的状态并向整流模块和级联逆变模块输出调制信号。32.如图3所示是h桥整流电路的示意图，电容c1的一端连接晶体管g1的集电极、晶体管g3的集电极、二极管d1的负极和二极管d3的负极，并且作为输入端in连接软起滤波电路的电感；晶体管g1的发射极连接二极管d1的正极、晶体管g2的集电极和二极管d2的负极；晶体管g3的发射极连接二极管d3的正极、晶体管g4的集电极和二极管d4的负极；电容c1的另一端连接晶体管g2的发射极、晶体管g4的发射极、二极管d2的正极和二极管d4的正极并接地；晶体管g1的发射极和晶体管g3的发射极作为输出端连接储能用电容的两端。所有晶体管的基极都连接控制器。33.如图4所示是两个h桥逆变电路组成级联逆变单元的示意图，电容c2的两端和电容c3的两端分别连接在两个储能用电容的两端；电容c2的一端连接晶体管g5的集电极、晶体管g7的集电极、二极管d5的负极和二极管d7的负极；晶体管g5的发射极连接二极管d5的正极、晶体管g6的集电极和二极管d6的负极；晶体管g7的发射极连接二极管d7的正极、晶体管g8的集电极和二极管d8的负极；电容c2的另一端连接晶体管g6的发射极、晶体管g8的发射极、二极管d6的正极和二极管d8的正极并接地；电容c3的一端连接晶体管g9的集电极、晶体管g11的集电极、二极管d9的负极和二极管d11的负极；晶体管g9的发射极连接二极管d9的正极、晶体管g10的集电极和二极管d10的负极；晶体管g11的发射极连接二极管d11的正极、晶体管g12的集电极和二极管d12的负极；电容c3的另一端连接晶体管g10的发射极、晶体管g12的发射极、二极管d10的正极和二极管d12的正极并接地；晶体管g5的发射极与晶体管g11的发射极相连，晶体管g7的发射极和晶体管g9的发射极作为输出端连接lcl滤波器的输入端。所有晶体管的基极都连接控制器。34.如图5所示，图5-a是软起滤波电路的示意图，电阻r1与继电器j1串联后再与继电器j1并联，电阻r1远离继电器j1的一端为软起滤波电路的输入端连接三相变压器的输出端，继电器j1远离电阻r1的一端连接电感l1的一端，电感l1的另一端作为软起滤波电路的输出端连接h桥整流电路的输入端in。图5-b是软起电路的示意图，电阻r2与继电器j2串联后在于继电器j2并联。35.控制器将检测到的变电站低压母线电压及负荷进行计算，算出当前电网系统所需的无功补偿电流，并根据电容器组电容值，将无功补偿电流乘以电容器组容抗值得到当前所需施加在电容器组两端的端电压，并进一步得到级联逆变模块所需的交流电压指令值；级联逆变模块中的级联逆变单元在控制器控制下，以交流电压指令值为目标，将储能单元上储能用电容输出的直流电压逆变成幅值、相位可控的交流电压，该交流电压经lcl滤波器滤波后，通过耦合变压器耦合至电容器组回路，并联在耦合变压器上的旁路断路器用于控制投切装置的投入或切除。36.实施例二、在实施例一的基础上，采用n个h桥逆变电路进行级联组成的级联逆变单元构成投切装置，此时级联逆变单元的输出电平数s与h桥逆变电路数量n满足关系式s=2n+1。如图6所示是当采用n个h桥逆变电路进行级联时的级联逆变单元、储能用电容和整流单元的连接示意图；当h桥逆变电路有n个时，对应需要有n个储能用电容、n个整流单元的h桥整流电路，同时还需要有n个软起滤波电路。每个h桥逆变电路的输入端都接有一个储能用电容并且与对应的h桥整流电路的输出端连接，h桥整流电路的输入端则通过对应的软起滤波电路连接三相变压器的输出端；n个h桥逆变电路组成的级联逆变单元的输出端则通过lcl滤波器连接耦合变压器的输入端。37.本发明的投切装置在工作时可分为三个工作步骤：1、启动：投切装置启动后，软起滤波电路通过继电器接入电阻，限制启动电流的大小，启动电流峰值过去后切入无电阻回路，整流单元将从低压母线处经过变压处理的交流电压整流成直流电压给储能单元供电。38.2、过渡：为限制电容器组投入变电站低压母线时的冲击电流，在过渡过程中，投切装置通过控制器控制级联逆变单元输出的交流电压，使得该交流电压与低压母线电压相同，软起电路在投切装置输出交流电压后，将装置输出的交流电压与电容器组串联回路投入低压母线所在电网。39.3、补偿：投切装置通过控制器检测当前变电站低压母线电压及负荷，算出当前电网系统中所需的无功补偿电流，并根据电容器组电容值，将无功补偿电流乘以电容器组容抗值得到当前所需施加在电容器组两端的端电压，并进一步得到级联逆变单元所需的交流电压指令值；级联逆变单元在控制器控制下，以交流电压指令值为目标，将储能单元上储能用电容输出的直流电压逆变成幅值、相位可控的交流电压，由于电容器组两端电压为低压母线电压与投切装置输出的交流电压之差，通过控制投切装置输出的交流电压幅值来调节电容器组两端电压，从而调节电容器组输出的无功电流。40.上述实施例是对本发明的进一步阐述和说明，以便于理解，并不是对本发明的任何限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。









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