CN100347927C

CN100347927C - 电压陷落浪涌动态补偿器

Info

Publication number: CN100347927C
Application number: CNB2004100084624A
Authority: CN
Inventors: 李国杰; 孙元章
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2004-03-12
Filing date: 2004-03-12
Publication date: 2007-11-07
Anticipated expiration: 2024-03-12
Also published as: CN1560981A

Abstract

电压陷落浪涌动态补偿器属于电力系统电压动态补偿技术领域，其特征在于：它通过一个以微处理器为核心组成的测量与控制电路，使逆变器输出的正弦电压在电压陷落和浪涌时直接串联在电源电压上，来补偿所需的电压量，从而使负载端电压不受影响，它充分利用电压陷落时系统剩下的电压量，一方面和逆变器输出的电压相加在一起，使负载端得到稳定运行的电压，另一方面对储能的直流电容进行半周期的交叉充电，达到用最少量的直流电容量来储能，同时解决了电压陷落和浪涌问题，它同时具备一次投资小、体积小的优点。

Description

电压陷落浪涌动态补偿器

技术领域

电压陷落浪涌动态补偿器属于电力系统动态电压补偿器技术领域。

背景技术

发达国家对电能质量水平的要求很高，电能质量问题不仅会给工业界带来很大的经济损失，如停工和再启动导致生产成本增加，损坏反应灵敏设备，报废半成品，降低产品质量，造成营销困难而损害公司形象及和用户的良好商业关系等，而且也会给医疗等重要用电部门的设备带来危害，引起严重的生产和运行事故，美国电力研究院(EPRI)研究显示，电能质量问题每年导致美国工业在数据，材料和生产力上的损失达300亿美元(Electric Power ResearchInstitute，1999)，在新加坡，每次电压瞬间下降都会造成超过100万新元的经济损失；随着我国高科技工业的迅速发展，对电能质量水平的要求也越来越高，电压陷落和浪涌是其中的主要问题，电压陷落和浪涌不仅会引起电力系统的电压质量问题，也会危及用电设备的安全工作，电力系统故障，大型电机启动，支路电路短路等都会引起电压陷落，电压浪涌是由闪电、接通供电系统和其他原因造成过压而引起的，大型电机和空调器是大的电压浪涌产生源，虽然电压陷落和浪涌时间短，但是它会引起工业过程的中断或停工，而所引起工业过程的停工期间远远大于电压陷落和浪涌事故的本身时间，因此所造成的损失很大，电压陷落的特征是电源电压骤然下降至10％到90％的正常电压值并持续0.5到50个周期，电压浪涌的特征是电源电压骤然上升至110％到180％的正常电压值并持续0.5到50个周期，绝大部分电压陷落和浪涌，其电压变化幅度在50％以内，且持续时间不超过500毫秒；

传统的方法，如电压调节器和浪涌抑制器并不能解决这些问题，而UPS装置虽能解决这些问题，但是其成本和运行费用都极其昂贵，为了解决上述问题，国内外对动态电压补偿器开展了研究，目前国内外电压动态补偿器的逆变器每相主要由4组IGBT构成全桥式结构，从设计上来讲，可分为两大类：

1.注入变压器方式

逆变的正弦电压通过注入的变压器串联到线路中，用变压器给直流电容充电，或用飞轮等来储能；

2.无注入变压器方式

需用蓄电池、超级储能电容或用变压器给直流电容充电；

其存在的主要问题：

1.只解决电压陷落问题；

2.对于动态电压补偿器，IGBT是最重要的元件，价格也不便宜，功率越大，IGBT就越贵，4组IGBT所占成本高；

3.注入的变压器容量和负载相关，负载越大，变压器容量就越大，这样对整个装置的体积和成本影响很大，它适合于中、高压电路。对于低压电路，不太经济实用，且还有变压器压降等问题；

4.无注入变压器若用蓄电池来储能，其能量利用率极低，且有维护、环保等问题，一般来讲，蓄电池应用在几十分钟或几小时的设计，极短时间的多次放电会影响其寿命，用超级储能电容或飞轮来储能都很贵，无注入变压器若用直流电容来储能，则需要很大容量；若要使用尽可能少的直流电容量，则充电变压器的容量必须和负载容量相关，这样就使得整个装置的体积和成本增加；

在2000年4月向我国国家知识产权局申请且于2002年6月公开(公开号为1353880)的新加坡电力有限公司的动态串联电压补偿器及动态串联电压补偿方法，是针对电压陷落(骤降)问题而设计的，用蓄电池储能，且不说其蓄电池的维护问题，单单其蓄电池的能量利用率就非常之低(低于2％)，因而也大大增加了成本，逆变器由H型的4组IGBT构成，也增加了成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电压陷落浪涌动态补偿器；

本发明提出的电压陷落浪涌动态补偿器是直接串联到低压电网中(如380伏)，既解决了电力系统中交流电压陷落(瞬间下降)问题，又解决了电压浪涌(瞬间上升)的问题，电网电压陷落和浪涌时，其逆变器输出相应的正弦电压直接注入到电网中来补偿所需的电压量，由于绝大多数电压陷落和浪涌，其电压幅度在50％以内，且持续时间不超过500毫秒，因此，利用电压陷落时系统剩下的50％以上的电压对储能的直流电容进行交叉充电，使得所需的储能直流电容量最少，通过增加一条放电回路来吸收电压浪涌时上升的能量；在本设计中，既无体积笨重的注入变压器，又不需要充电变压器，逆变器由全控半桥型的2组IGBT构成，减少了成本，其独特的利用可控硅来控制充电回路的设计，使得充电回路快速充电且简单化；本发明的特征在于：

它由测量和控制电路以及三个单相电压陷落浪涌动态补偿器构成：

测量和控制电路，包含微处理器，可编程定时器，逻辑与或门，电源电压互感器，负载电流互感器，测量信号滤波电路，其中：

可编程定时器，它的定时信号输入端与所述微处理器的相应输出端相连；

逻辑与或门，它的两个输入端分别与所述可编程定时器的脉宽调制PWM信号输出端、所述微处理器的绝缘门栅极晶体管，即IGBT的闭锁信号输出端相连；

电源电压互感器，即PT，所述电源电压互感器的输入端与电源电压相连，所述电源电压互感器的输出端与测量信号滤波电路对应的输入端相连；

负载电流互感器，即CT，所述负载电流互感器的输入端与负载电流相连，所述负载电流互感器的输出端与测量信号滤波电路对应的输入端相连；

所述测量信号滤波电路的输出端与微处理器对应的测量信号输入端相连；

三个单相电压陷落浪涌动态补偿器，每个单相电压陷落浪涌动态补偿器含有主可控硅，充电可控硅，放电支路，储能支路，逆变器，其中：

主可控硅，由两个可控硅反并联构成，它与负载共同串接于电源回路中，它的控制端与所述微处理器的主可控硅控制信号输出端相连；

充电可控硅，由两个可控硅正向串接而成，它们的连接点与电源的中线相连；各可控硅的控制端分别与所述微处理器的充电可控硅控制信号输出端相连；

放电支路，由放电电阻、受控于所述微处理器的放电开关串接而成，其中所述放电开关为MOSFET或IGBT；

储能支路，由两个储能电容串接而成，它们的连接点与主可控硅和电源连接的那点相连；

逆变器，由两个绝缘门栅极晶体管，即IGBT，串接而成，上述两个绝缘门栅极晶体管的连接点与两个储能电容的连接点之间依次串接着滤波电感和滤波电容，该滤波电感和滤波电容之间的连接点经过一个继电器或接触器的常开触点与主可控硅和负载相连的那个接点相连；所述的逆变器是同时和储能支路、放电支路以及充电可控硅并联的；各个绝缘门栅极晶体管的控制端与上述逻辑与或门的控制IGBT信号输出端相连。

在所述主可控硅和电源之间，以及所述主可控硅和负载之间各串接着一个隔离开关。

本发明不使用注入变压器，直接串联在电压低压即380伏一侧，在正常工作下，通过可控硅向负载供电，效率高，而在电压陷落浪涌时，可保护用电设备，它省却了大容量充电变压器，由充电可控硅对储能的直流电容进行充电控制；它用很少的直流电容量来储能，储能的直流电容分成正负两组，一组提供能量给逆变器用时，另一组充电，每一组连续放电为半个交流电网周期；它还省却了一半数量的IGBT晶体管。

附图说明

图1.单相电压陷落浪涌动态补偿器电路原理框图。

图2.测量和控制电路原理框图。

图3.单相带旁路开关的电压陷落浪涌动态补偿器电路原理框图。

图4.电压陷落时串联补偿示意图。

图5.电压浪涌时串联补偿示意图。

具体实施方式

图1虚框内为单相的电压陷落浪涌动态补偿器15的设计原理图，三相可由独立的三个单相构成，补偿期间所需的能量由少量的直流电容6、7来提供，既环保又低成本，所设计的动态补偿器既能解决陷落问题，又能解决电压浪涌问题；

如图1虚框15内所示，电压陷落浪涌动态补偿器15由主可控硅1，逆变器2、3，充电可控硅4、5，直流电容6、7，交流滤波电感8，交流滤波电容9，继电器或接触器10，放电电阻11，MOSFET或IGBT放电开关12，及测量和控制电路16(见图2)构成，以下详细介绍各个组成部分：

1是一组反并联的主可控硅(小容量时，也可考虑把IGBT反串联在一起来用)，正常工作时，电源13电压通过它们提供给负载；

2和3是IGBTs(绝缘门栅极晶体管)，他们组成了逆变器，电源13电压瞬间变化超过设定值时，根据所需的电压量，逆变器输出相应的脉宽调制PWM信号；

4和5是充电可控硅，用来控制对直流电容6、7的充电；

6和7是直流电容，用来储存能量以便补偿时所需，即使在补偿期间，每隔半个周期也会得到充电；

8和9分别是交流滤波电感和电容，补偿时逆变器2和3输出的PWM信号经8和9后，得到正弦电压，该正弦电压串联到电网中来补偿所需的电压量，使负载14电压不受电源13电压的影响；

10是继电器或接触器，上电之后很快就闭合；

11和12分别是电压浪涌时的放电电阻和放电开关(开关为MOSFET或IGBT)；

13代表电源，与电源相连的L表示火线，N表示中线；

14代表负载；

再见图2～5：

上电时，由测量和控制电路16控制充电可控硅4、5来对直流电容6、7进行充电，当直流电容6、7的电压充满之后，由测量和控制电路16发出信号来闭合继电器或接触器10，正常工作时，电源13电压通过主可控硅1提供给负载14，测量和控制电路16实时监测电源13电压，当检测到电源13电压超过设定值时，断开主可控硅1，测量和控制电路16发出控制信号使逆变器2、3输出相应的PWM信号，PWM信号经交流滤波电感8和电容9后，得到所需的正弦电压，该正弦电压与电源13电压叠加在一起，使负载得到正常的电压，电压陷落和浪涌时串联补偿示意图见图4、5；

在实际应用中，如图1所示的设计可以直接串连到负载的供电电源中，也可以和旁路开关17、隔离开关18、19一起串连到负载的供电电源中以方便维护、检修，如图3所示，用三相的旁路开关和隔离开关来应用在三相系统中。

Claims

1.电压陷落浪涌动态补偿器，其特征在于：它由测量和控制电路以及三个单相电压陷落浪涌动态补偿器构成：

2.根据权利要求1所述的电压陷落浪涌动态补偿器，其特征在于：在所述主可控硅和电源之间，以及所述主可控硅和负载之间各串接着一个隔离开关。