專利名稱：一種無隔離環(huán)節(jié)的三相統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無隔離環(huán)節(jié)的三相統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器，屬于電力設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電能質(zhì)量問題可分為兩大類電壓質(zhì)量問題，指供電的可靠性以及供電電壓的幅值、波形、頻率的好壞等，是電力負(fù)荷所關(guān)注的；電流質(zhì)量問題，指負(fù)荷電流中的無功、諧波及負(fù)序分量的大小，是電力系統(tǒng)所關(guān)注的。這兩類問題可以利用相應(yīng)的電力電子裝置來解決，如動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器可以解決電壓質(zhì)量問題，有源電力濾波器可以解決電流質(zhì)量問題。
統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器(UPQC)結(jié)合了動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器和有源電力濾波器兩者的功能，可以同時(shí)保證負(fù)荷側(cè)的電壓質(zhì)量和系統(tǒng)側(cè)的電流質(zhì)量。UPQC通常由三個(gè)基本單元組成串聯(lián)單元、并聯(lián)單元和直流儲(chǔ)能單元。其中串聯(lián)單元作電壓補(bǔ)償之用，以解決電壓質(zhì)量問題，相當(dāng)于一臺(tái)動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器；并聯(lián)單元用作電流補(bǔ)償，來解決電流質(zhì)量問題，相當(dāng)于一臺(tái)有源電力濾波器；直流儲(chǔ)能單元由直流電容器構(gòu)成，為串聯(lián)和并聯(lián)單元所共用，向它們提供穩(wěn)定的直流電壓。由于直流電容為串并聯(lián)兩單元所共用，在傳統(tǒng)的UPQC拓?fù)渲?，為防止交流短路、直流電容直通等故障，交直流之間必須采取一定的電氣隔離，通常采用在串聯(lián)和并聯(lián)兩側(cè)分別加裝變壓器的方法來實(shí)現(xiàn)隔離，如圖1所示。變壓器的接入不僅提供了有效的隔離作用，還可以擴(kuò)大裝置的容量，使器件的選擇更加靈活。但變壓器的引入同時(shí)也會(huì)帶來諸如成本、體積、損耗、非線性、浪涌等不利因素。因此，在電壓等級(jí)較低或開關(guān)器件的容量足夠的情況下引入變壓器的缺陷將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所帶來的優(yōu)勢(shì)。
在2004年4月向我國國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局申請(qǐng)且于2005年1月公開(公開號(hào)為CN 1571235A)的清華大學(xué)的“一種采用直流儲(chǔ)能進(jìn)行電氣隔離的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器”，提出在直流單元進(jìn)行隔離的方法，該方法雖然省去了變壓器，但是每相直流母線上多用了四個(gè)開關(guān)管，且增加了控制的復(fù)雜性。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種無需采取隔離措施的三相統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器，輔以適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，該控制器能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)三相UPQC所具有的各項(xiàng)電壓補(bǔ)償和電流補(bǔ)償功能。
本發(fā)明的特征在于
所述控制器由三個(gè)完全相同的單相控制器組合而成，各控制器的串聯(lián)單元直接與電源相串，并聯(lián)單元在負(fù)荷側(cè)結(jié)成三角形結(jié)構(gòu)，所述的每相控制器包括并聯(lián)單元，包括一個(gè)由“8”、“9”兩個(gè)正向串聯(lián)的開關(guān)管組成的逆變橋和一個(gè)濾波電感“10”，該濾波電感的一端接所述開關(guān)管“8”、“9”的串接點(diǎn)，另一端接負(fù)荷線電壓的輸入端，所述逆變橋輸出的脈寬調(diào)制電壓波用來控制流過濾波電感“10”的電流(ick)，使之能夠補(bǔ)償負(fù)荷電流中的無功、諧波和負(fù)序分量并維持直流母線電壓的恒定，所述k∈{負(fù)荷線電壓的輸入端a，b，c}，下同；串聯(lián)單元，包括由兩個(gè)正向串聯(lián)的開關(guān)管“4”、“5”組成的逆變橋、由電容“1”和電感“3”組成的低通濾波器以及旁路晶閘管“2”，所述的濾波電感“3”的一端接所述的開關(guān)管“4”和開關(guān)管“5”的串接點(diǎn)，所述濾波電容“1”和濾波電感“3”的串接點(diǎn)接電源端，該電源端同時(shí)接所述旁路晶閘管“2”的一端，旁路晶閘管“2”的另一端與電容“1”的另一端一起接于負(fù)荷線電壓的輸入端，所述的逆變橋產(chǎn)生合適的脈寬調(diào)制電壓波來補(bǔ)償電源電壓的跌落、浪涌、諧波和負(fù)序成分，所述低通濾波器用來濾除脈寬調(diào)制電壓波中的開關(guān)諧波分量，所述旁路晶閘管在電源電壓正常時(shí)導(dǎo)通，電源電壓由它直接提供給負(fù)載，在出現(xiàn)電壓質(zhì)量問題時(shí)關(guān)斷；儲(chǔ)能單元，由兩個(gè)直流電容“6”、“7”正向串聯(lián)組成，所述直流電容“6”、“7”的串接點(diǎn)接于所述旁路晶閘管“2”的負(fù)荷端，由“6”和“7”構(gòu)成的串聯(lián)電容器同時(shí)并接了串聯(lián)單元逆變橋、并聯(lián)單元逆變橋的兩端，該儲(chǔ)能單元為所述串聯(lián)單元和并聯(lián)單元提供穩(wěn)定的直流電壓。
本發(fā)明提出的無隔離環(huán)節(jié)的三相統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器，具有下面的優(yōu)點(diǎn)1、與傳統(tǒng)的UPQC相比，沒有引入變壓器或其他隔離環(huán)節(jié)，避免了變壓器帶來的諸多不利因素，且結(jié)構(gòu)簡單，成本較低；2、儲(chǔ)能電容為串并聯(lián)單元所共用，既保證了兩單元之間的能量流動(dòng)，同時(shí)又不會(huì)發(fā)生電容直通、交流短路等故障；3、輔以適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，可以?shí)現(xiàn)傳統(tǒng)三相UPQC的各項(xiàng)功能，能夠有效解決各類電壓和電流質(zhì)量問題。
總之，本發(fā)明提出的三相統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器，既省去了隔離環(huán)節(jié)，又可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)三相UPQC的各項(xiàng)電流補(bǔ)償和電壓補(bǔ)償功能。
圖1是傳統(tǒng)的三相統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器的電路圖。
圖2是本發(fā)明提出的新型三相統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器的電路圖。
圖3(a)(b)(c)分別是發(fā)生電壓跌落期間電源線電壓和負(fù)荷線電壓、跌落期間的電源電流和負(fù)荷電流以及正常情況下電源相電壓、電源電流和負(fù)荷電流的仿真波形圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出的新型三相統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器，由三個(gè)完全相同的單相控制器組合而成，每相控制器包括(1)用于解決電流質(zhì)量問題的電流補(bǔ)償器，或稱作并聯(lián)單元，包括一個(gè)由兩個(gè)IGBT組成的逆變橋和一個(gè)濾波電感；(2)用于解決電壓質(zhì)量問題的電壓補(bǔ)償器，或稱串聯(lián)單元，包括一個(gè)由兩個(gè)IGBT組成的逆變器和一個(gè)由電容和電感組成的低通濾波器；(3)為串并聯(lián)兩個(gè)單元提供穩(wěn)定直流電壓的儲(chǔ)能單元，由上下兩個(gè)直流電容器組成，儲(chǔ)能單元兩個(gè)直流電容的連結(jié)點(diǎn)被引出接到電網(wǎng)上，作為串并聯(lián)兩單元與電網(wǎng)的公共連結(jié)點(diǎn)。
各相串聯(lián)單元與負(fù)荷相串聯(lián)，各相并聯(lián)單元在負(fù)荷側(cè)聯(lián)結(jié)成三角形結(jié)構(gòu)，各相儲(chǔ)能單元相互獨(dú)立。
當(dāng)電源側(cè)出現(xiàn)電壓質(zhì)量問題時(shí)，為了保證負(fù)荷側(cè)電壓仍為三相對(duì)稱、幅值額定的正弦量，首先需要計(jì)算出每相串聯(lián)單元輸出電壓的參考值ujrefk(k＝a，b，c，下同)，然后得出每相串聯(lián)逆變橋的輸出電壓uck的控制規(guī)律，使得串聯(lián)單元實(shí)際的輸出電壓，即每相濾波電容“1”上的電壓ujk能夠快速準(zhǔn)確地跟蹤其參考值ujrefk。uck的控制規(guī)律通過脈寬調(diào)制電壓波來實(shí)現(xiàn)。
當(dāng)負(fù)荷側(cè)出現(xiàn)電流質(zhì)量問題時(shí)，為了保證電源電流仍為三相對(duì)稱的正弦量且電源發(fā)出的功率與負(fù)荷吸收的功率相等，需要計(jì)算出合適的并聯(lián)補(bǔ)償電流值，即每相并聯(lián)單元濾波電感“10”上的電流值ick，該電流值可以通過控制并聯(lián)逆變橋的兩個(gè)開關(guān)管“8”、“9”的開關(guān)狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)。
下面舉一個(gè)仿真實(shí)例來驗(yàn)證本發(fā)明提出的三相統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器的有效性。采用PSCAD/EMTDC仿真軟件包，電源線電壓額定值為380V，頻率為50Hz，負(fù)荷為非線性且不平衡的。電源電壓在0.8s到1.5s之間發(fā)生了跌落，附圖3給出了跌落期間和正常情況下電源電壓、負(fù)荷電壓、電源電流和負(fù)荷電流的波形。可見負(fù)荷電壓始終為三相對(duì)稱、幅值額定的正弦波，電源電流基本為對(duì)稱正弦量，說明本發(fā)明提出的電能質(zhì)量控制器可以有效地解決各類電能質(zhì)量問題。
權(quán)利要求
1.一種無隔離環(huán)節(jié)的三相統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器，其特征在于，所述控制器由三個(gè)完全相同的單相控制器組合而成，各控制器的串聯(lián)單元直接與電源相串，并聯(lián)單元在負(fù)荷側(cè)結(jié)成三角形結(jié)構(gòu)，所述的每相控制器包括并聯(lián)單元，包括一個(gè)由(8)、(9)兩個(gè)正向串聯(lián)的開關(guān)管組成的逆變橋和一個(gè)濾波電感(10)，該濾波電感的一端接所述開關(guān)管(8)、(9)的串接點(diǎn)，另一端接負(fù)荷線電壓的輸入端，所述逆變橋輸出的脈寬調(diào)制電壓波用來控制流過濾波電感(10)的電流(ick)，使之能夠補(bǔ)償負(fù)荷電流中的無功、諧波和負(fù)序分量并維持直流母線電壓的恒定，所述k∈{負(fù)荷線電壓的輸入端a，b，c}，下同；串聯(lián)單元，包括由兩個(gè)正向串聯(lián)的開關(guān)管(4)、(5)組成的逆變橋、由電容(1)和電感(3)組成的低通濾波器以及旁路晶閘管(2)，所述的濾波電感(3)的一端接所述的開關(guān)管(4)和開關(guān)管(5)的串接點(diǎn)，所述濾波電容(1)和濾波電感(3)的串接點(diǎn)接電源端，該電源端同時(shí)接所述旁路晶閘管(2)的一端，旁路晶閘管(2)的另一端與電容(1)的另一端一起接于負(fù)荷線電壓的輸入端，所述的逆變橋產(chǎn)生合適的脈寬調(diào)制電壓波來補(bǔ)償電源電壓的跌落、浪涌、諧波和負(fù)序成分，所述低通濾波器用來濾除脈寬調(diào)制電壓波中的開關(guān)諧波分量，所述旁路晶閘管在電源電壓正常時(shí)導(dǎo)通，電源電壓由它直接提供給負(fù)載，在出現(xiàn)電壓質(zhì)量問題時(shí)關(guān)斷；儲(chǔ)能單元，由兩個(gè)直流電容(6)、(7)正向串聯(lián)組成，所述直流電容(6)、(7)的串接點(diǎn)接于所述旁路晶閘管(2)的負(fù)荷端，由(6)和(7)構(gòu)成的串聯(lián)電容器同時(shí)并接了串聯(lián)單元逆變橋、并聯(lián)單元逆變橋的兩端，該儲(chǔ)能單元為所述串聯(lián)單元和并聯(lián)單元提供穩(wěn)定的直流電壓。
2.如權(quán)利要求1所述的三相電能質(zhì)量控制器，其特征在于，其中組成并聯(lián)單元和串聯(lián)單元的開關(guān)管為絕緣柵雙極性晶閘管、門極可關(guān)斷晶閘管、集成門極換向晶閘管中的任何一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種無隔離環(huán)節(jié)的三相統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器，屬于電力設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于，它由三個(gè)完全相同的單相控制器組合而成，每個(gè)控制器包括并聯(lián)單元，包括一個(gè)由兩個(gè)開關(guān)管組成的逆變橋和一個(gè)濾波電感；串聯(lián)單元，包括一個(gè)由兩個(gè)開關(guān)管組成的逆變橋和一個(gè)由電容、電感組成的濾波器；儲(chǔ)能單元，由上下兩組直流電容串聯(lián)組成，兩組電容間的引出線作為串并聯(lián)兩單元與電網(wǎng)的公共連接線。本發(fā)明避免了由串并聯(lián)單元共用儲(chǔ)能部分而引起的電容直通、交流短路等故障，所以無需采取隔離措施。各相串聯(lián)單元與電源相串聯(lián)，各相并聯(lián)單元在負(fù)荷側(cè)結(jié)成三角形，各相儲(chǔ)能單元相互獨(dú)立。輔之以適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，它可以有效解決各類電能質(zhì)量問題，又具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02J3/16GK1848585SQ200610011810
公開日2006年10月18日 申請(qǐng)日期2006年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月28日
發(fā)明者李國杰, 張謝平 申請(qǐng)人:清華大學(xué)