CN100442647C - 一种无变压器的串联有源交流电压质量调节器及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无变压器的串联有源交流电压质量调节器及控制方法，本发明采用PWM脉冲宽度调制技术的无耦合变压器的串联有源交流电压质量调节器的拓扑结构及其控制方法。所发明的拓扑结构中，未采用变压器对交流或直流进行耦合或隔离，而是对交流电压直接进行串联补偿。该拓扑结构配合所发明的控制方法可以对配电系统中的交流电源进行稳压和滤波，提高交流电源的供电电压质量。即使在供电电压频率波动的情况下，该有源交流电压质量控制器也具有较高的稳压能力和滤波性能。由于所发明的拓扑结构中未采用耦合变压器，从而使该拓扑结构的交流电压质量控制器具有体积小、重量轻、造价低和效率高等优点。
Description
技术领域
本发明属于电工技术领域，特别涉及一种无变压器的串联有源交流电压质量调节器及控制方法。
背景技术
随着现代科学技术的发展，一方面，造成电能质量问题的因素不断增长；另一方面，各种复杂的、精密的、对电能质量敏感的用电设备不断普及，人们对电能质量及可靠性的要求越来越高，上述问题的矛盾愈来愈突出。
电能质量问题大多可以归结为电压质量问题，特别是公共结点的电压质量问题。电网电压存在的各种干扰，如电压升高、跌落、瞬变、谐波等，将导致一些重要负载或对电压质量敏感设备的正常使用、性能降低、寿命缩短，还会造成一些生产设备无法正常运行、甚至损坏，严重的电压质量问题还有可能造成重大事故。
目前，解决电压质量问题的一个传统技术方法是采用交流稳压电源装置。交流稳压电源在工矿企业、国防科研、医疗设备、家用电器等许多方面得到了广泛应用。经过多年发展，交流稳压电源已成为电源技术的一个重要分支。
但是现有的各种交流稳压电源还存在着明显的不足。参数稳压器，它是根据稳压变压器原理电路构成的。优点：稳压范围宽，具有一定的滤波能力；电路简单，可靠性高。缺点：负载适应性差、对频率变化敏感、体积大。大功率补偿型稳压器，它主要由补偿变压器及检测控制电路等组成，没有滤波能力。净化型交流稳压器是利用可控硅移相形成可变电感，与主回路其它电感电容一起对正弦能量的储存与释放进行再分配，实现稳压，校正波形和抗干扰的功能。优点：效率高、动态响应快、抗干扰能力强，有一定滤波能力。缺点：对频率变化很敏感，负载适应能力差。
总结上述各种交流稳压电源的特点，它们的稳压性能都是非常好的，其性能基本上都是由无源参数的调整实现的，因而它们的滤波能力是非常有限的。而且无源参数对频率非常敏感，这就导致上述各种交流稳压电源在电网频率波动的情况下，稳压性能变差且很容易与电网发生谐振，不能正常工作。
现代电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置、设备等非线性负荷得到广泛的应用，电网中的电压谐波含量越来越高，对电压质量影响日益严重，上述各种交流稳压电源已不能满足目前各种对电压质量敏感负荷的需求。为此，人们提出了许多利用电力电子技术的电压质量控制装置。
对于敏感负荷端，解决电压质量问题的一种直接有效措施是在电网和敏感负荷之间加装串联有源电压质量控制器，通过向电网注入补偿电压来保证敏感用户端的电压质量。由于串联装置只需要补偿系统电压的畸变和与额定值相差部分，而大部分能量还是直接由电网提供给负载，所以，通常它们具有更高的效率。目前与此相类似的装置有串联有源电力滤波器、动态电压恢复器及统一电能质量调节器等。串联有源电压质量控制器可以针对负荷侧电压与额定值偏差较大(过压或欠压)、电压波形严重畸变、供电频率出现偏差时用来保证敏感用户侧的供电电压质量，并且能够抑制电网振荡，是一种非常理想的电压质量控制装置。
但是，现有大多数串联有源电压质量控制器都采用变压器与电网进行耦合或隔离，以便将系统所需补偿电压耦合到电网或与电网进行电气隔离。变压器体积大，造价高，成为了装置的主要部件。并且制造变压器最基本的重要材料铁、铜等是不可再生资源，我国的矿产资源未来将全面短缺，将增加对进口的依赖程度。因而变压器未来将越来越少，也越来越贵。所以研制无变压器耦合或隔离的串联有源交流电压质量控制器，不论从提高装置效率，减小装置的体积、造价，还是节约资源均具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术不足，提供一种无变压器的串联有源交流电压质量调节器及控制方法，本发明具有体积小、重量轻、造价低和效率高的优点。
本发明的技术方案是这样实现的：包括电源、充电回路、储能装置、逆变装置、旁路开关、输出滤波装置、负载、控制系统；充电回路由滤波电感Lf1和可控硅组成，滤波电感Lf1的一端与电源VS相连，另一端与可控硅的阳极相连；可控硅的阳极与另一个可控硅的阴极相连，可控硅的阴极与储能装置第一电容器C1的正极相连；另一个可控硅的阳极与储能装置第二电容器C2的负极相连。
所述的充电回路的滤波电感Lf1的一端与电源VS相连，另一端与第一绝缘栅双极晶体管V7的集电极相连；第一绝缘栅双极晶体管V7的集电极与第二绝缘栅双极晶体管V8的发射极相连，第一绝缘栅双极晶体管V7的发射极与第一二极管V5的阳极相连；第一二极管V5的阴极与储能装置的第一电容器C1正极相连；第二绝缘栅双极晶体管V8的集电极与第二二极管V6的阴极相连；第二二极管V6的阳极与储能装置的第二电容器C2负极相连。
由检测的电源电压VS、给定的额定负载电压VN和移相控制器输出的移相控制信号作为瞬时电压生成器的输入，其输出是负载瞬时参考电压Vref，负载瞬时参考电压Vref与负载电压VL之差作为调节器的输入，其输出与输出滤波装置中的电感Lf2的电流ILf2之差作为调节器的输入，电源电压VS与负载瞬时参考电压Vref之差形成的前馈信号与调节器的输出共同构成脉冲宽度调制PWM控制器的输入信号，控制逆变装置；PWM控制器的输出结果再经过输出滤波装置滤波与负载回路得到负载电压VL。
本发明采用PWM脉冲宽度调制技术的无耦合变压器的串联有源交流电压质量调节器的拓扑结构及其控制方法。所发明的拓扑结构中，未采用变压器对交流或直流进行耦合或隔离，而是对交流电压直接进行串联补偿。该拓扑结构配合所发明的控制方法可以对配电系统中的交流电源进行稳压和滤波，提高交流电源的供电电压质量。即使在供电电压频率波动的情况下，该有源交流电压质量控制器也具有较高的稳压能力和滤波性能。由于所发明的拓扑结构中未采用耦合变压器，从而使该拓扑结构的交流电压质量控制器具有体积小、重量轻、造价低和效率高等优点。
本发明还有有如下特点：
(1)对交流电压质量进行调节和控制的储能装置3和逆变装置4是串联在电源1和负载7之间，因而仅对引起电压质量问题的偏差进行控制，也就是部分逆变控制，所需要处理的能量小，因而构成交流电压质量控制器的体积小、变换效率高。
(2)储能装置3和逆变装置4是直接串联在电源1和负载7之间，未经变压器隔离或耦合，因而构成交流电压质量控制器的结构简单、体积小、重量轻、成本低、效率高。
(3)充电回路2采用了可控的方式，这里采用第一可控硅V3和第二可控硅V4，可以根据负载所需电压对储能装置3的充电状况进行控制，提高装置效率，这是本发明的一个最大特点。
(4)当充电回路2、储能装置3、逆变装置4及输出滤波装置6中任何一个出现故障，串联有源交流电压质量控制器不能常工作时，控制旁路开关5使其闭合，可将电源1的能量未经调节直接输出到负载7，保证负载7的电能不中断，这是一个应急措施。
附图说明
图1是本发明一种单相拓扑结构图；
图2是本发明控制系统框图；
图3是本发明三相拓扑结构
图4是本发明另一种单相拓扑结构图。
附图是本发明的具体实施例；
下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。
具体实施方式
参照图1所示，它是由电源1、充电回路2、储能装置3、逆变装置4、旁路开关5、输出滤波装置6、负载7及控制系统8组成，其连接关系如图1所示。充电回路2与电源1相连，逆变装置4的一端与储能装置3的一端相连；逆变装置4一端与储能装置3相连，另一端与输出滤波装置6相连；输出滤波装置6一端与逆变装置4相连，另一端与负载7相连；旁路开关5一端与电源1相连，另一端与负载7相连；控制系统8与电源1、充电回路2、储能装置3、逆变装置4、旁路开关5、输出滤波装置6、负载7各个部分相连，对上述各部分进行检测、保护和控制。其中，充电回路2由滤波电感Lf1和第一可控硅V3和第二可控硅V4组成，可以对充电状况进行控制，充电回路2的滤波电感Lf1的一端与电源VS相连，另一端与第一可控硅V3的阳极相连；第一可控硅V3的阳极与第二可控硅V4的阴极相连，第一可控硅V3的阴极与第一电容器C1的正极相连；第二可控硅V4的阳极与第二电容器C2的负极相连。储能装置3由第一电容器C1和第二电容器C2构成，其中第一电容器C1的正极与逆变装置4的绝缘栅双极晶体管V1的集电极相连，第一电容器C1的负极与电源7的一端相连；第二电容器C2的正极与第一电容器C1的负极相连，第二电容器C2的负极与逆变装置4的绝缘栅双极晶体管V2的发射极相连。逆变装置4由全控型电力电子器件绝缘栅双极晶体管V1和绝缘栅双极晶体管V2构成，如绝缘栅双极晶体管IGBT，其内含反并联二极管，其中绝缘栅双极晶体管V1的发射极与绝缘栅双极晶体管V2的集电极相连。输出滤波装置6由输出滤波装置中的电感Lf2和滤波电容Cf构成，其中的输出滤波装置中的电感Lf2的一端与绝缘栅双极晶体管V2的集电极相连，另一端与滤波电容Cf的一端相连；滤波电容Cf另一端与输出滤波装置中的电感Lf2相连，负载ZL并联在滤波电容Cf上。旁路开关5可以是机械开关，如接触器，也可以是快速的电力电子开关，如双向可控硅等，一端与电源相连，另一端与负载相连。负载与滤波电容Cf的两端相连。
充电回路2采用了可控的方式，这里采用第一可控硅V3和第二可控硅V4，可以根据负载所需电压对储能装置3的充电状况进行控制，提高装置效率，当电源1的电压高于负载7所需额定电压时，关闭充电回路2，此时，储能装置3上的电压由逆变装置4控制。当电源1的电压低于负载7所需额定电压时，通过对充电回路2的控制，对储能装置3补充有功功率，维持储能装置3上逆变装置4所需的直流电压。另外，当电源1的电压低于负载7所需额定电压，而负载7的功率因数小于1(感性)时，若电源1所能提供的最大有功功率大于负载7所需的有功功率和装置本身的各种损耗时，也可关闭充电回路2。这时通过对逆变装置4的控制，适当提高电源1侧的功率因数，可以对储能装置3充电，对储能装置3补充有功功率能够维持逆变装置4所需直流电压。
该拓扑结构可以根据电源1和负载额定电压之间的电压偏差，通过对逆变装置4和充电回路2的控制，自动调整储能装置3上的直流电压大小，满足对负载7的电压质量补偿控制的目的。也就是根据负载7所需补偿量的大小，自动调整储能装置3上的直流电压大小，满足负载电压质量控制的需要，这样可以大大减小逆变装置4中电力电子器件绝缘栅双极晶体管V1和绝缘栅双极晶体管V2的开关应力、干扰和噪声，减小装置损耗，提高装置效率。这也是与现有电压质量控制器储能装置上的维持直流电压恒定不变的一个最大区别。显然，当负载所需补偿量很小时，现有电压质量控制器的问题就非常突出。
参照图2所示，由检测的电源电压VS、给定的额定负载电压VN和移相控制器12输出的移相控制信号作为瞬时电压生成器13的输入，其输出是负载瞬时参考电压Vref。负载瞬时参考电压Vref与负载电压VL之差作为第一调节器14的输入，其输出与输出滤波装置中的电感Lf2的电流ILf2之差作为第二调节器15的输入。电源电压VS与负载瞬时参考电压Vref之差形成的前馈信号与第二调节器15的输出共同构成PWM(脉冲宽度调制)控制器16的输入信号，控制逆变装置4。PWM控制器16包含控制逆变装置4。PWM控制器16的输出结果再经过滤波与负载回路17得到负载电压VL。
由检测的电源电压VS与负载瞬时参考电压Vref之差作为调节器9的输入，调节器9输出与第一电容器C1或第二电容器C2的直流电压之差作为调节器10的输入。调节器10的输出分两路，一路作为充电回路控制器11的输入，另一路作为移相控制器12的输入。充电回路控制器11的输出信号对充电回路2的可控硅进行控制，调节第一电容器C1和第二电容器C2的直流电压。充电回路控制器11包含充电回路2。移相控制器12的输出可以得到移相控制信号并作为瞬时电压生成器13的一个输入。
控制原理：
所发明的无耦合变压器的串联有源交流电压质量控制器的控制需要检测的量有：电源电压VS(图1中的ab间电压)、负载电压VL(图1中的cb间电压)、第一电容器C1电压VD1(图1中的da间电压)、第二电容器C2电压VD2(图1中的ae间电压)、负载电流IL、输出滤波装置中的电感Lf2的电流ILf2。
系统控制原理如下：
(1)基本控制方法是：通过检测电源电压VS、负载电压VL、第一电容器C1电压VD1和第二电容器C2电压VD2，由电源电压与负载所需额定参考电压相比较获得所需的补偿电压指令，根据补偿电压指令的大小、正负和第一电容器C1、第二电容器C2上的电压大小及变化率对无耦合变压器的串联有源交流电压质量控制器进行控制。控制系统结构图如图2所示，图中，VN为给定的额定负载电压有效值，如220V。
(2)由电源电压VS、给定额定负载电压VN和移相控制器12输出的移相控制信号在瞬时电压生成器13中形成负载瞬时参考电压Vref，第一调节器14、第二调节器15和电源电压VS与负载瞬时参考电压Vref之差形成的前馈信号共同构成对逆变装置4控制的PWM(脉冲宽度调制)控制器16的控制信号，再经过滤波与负载回路17得到负载电压VL。负载电压VL与输出滤波装置中的电感Lf2的电流ILf2构成双闭环控制，负载电压VL为外环，输出滤波装置中的电感Lf2的电流ILf2为内环。
(3)电源电压VS和负载瞬时参考电压Vref之差经过调节器9形成第一电容器C1和第二电容器C2的直流参考电压，该直流参考电压将会随电源电压VS的变化而变化，为保证电压质量控制器装置的性能提供合适的直流电压值。根据直流第一电容器C1和第二电容器C2电压的变化，调节器10既可以控制移相控制器12，也可以控制充电回路控制器11对充电回路2的可控硅进行控制。
(4)控制系统还包括保护、驱动、隔离电路等电路。
参照图3所示，由三个图1所示的单相基本电路拓扑结构分别与三相电源相连就可以构成低压配电系统用的三相四线制系统，控制系统也是采用三套图2所示的控制系统框图，对三相系统分别独立控制。其中，V11、V21、V12，V22、V13、V33是绝缘栅双极晶体管；V31、V41、V32、V42、V33、V43是可控硅；Lf11、Lf12、Lf13、Lf21、Lf22、Lf23是滤波电感；C11、C21、C12、C22、C13、C23、Cf1、Cf2、Cf3是电容；K1、K2、K3是旁路开关；VSA、VSB、VSC是电源；ZLA、ZLB、ZLC是负载。
参照图4所示，在图1所示的单相基本电路拓扑结构中，充电回路2是由滤波电感Lf1和第一可控硅V3和第二可控硅V4组成的，其他部分结构同断时刻进行控制，因而充电回路2的响应速度将受到限制。为了提高充电回路2的响应速度，本发明提出了图4所示的单相基本电路的改进拓扑结构，即单相拓扑结构二。该单相拓扑结构仅对图1所示的单相基本电路拓扑结构中的充电回路2进行了改进，将可控硅器件改为第一绝缘栅双极晶体管(IGBT)V7和第二绝缘栅双极晶体管V8和第一二极管V5和第二二极管V6，其它与图1所示的单相基本电路拓扑结构完全相同。相应地，其控制系统与图2所示的控制系统除充电回路控制器11对充电回路2的可控硅控制改变为对IGBT控制外，其它也完全相同。此时充电回路2的连接关系为：滤波电感Lf1的一端与电源VS相连，另一端与第一绝缘栅双极晶体管V7的集电极相连；第一绝缘栅双极晶体管V7的集电极与第二绝缘栅双极晶体管V8的发射极相连，第一绝缘栅双极晶体管V7的发射极与第一二极管V5的阳极相连；第一二极管V5的阴极与第一电容器C1的正极相连；第二绝缘栅双极晶体管V8的集电极与第二二极管V6的阴极相连；第二二极管V6的阳极与第二电容器C2的负极相连。
同样，由三个图4所示的单相基本电路改进拓扑结构分别与三相电源也可以构成低压配电系统用的三相四线制系统，这与图1所示的单相基本电路拓扑结构分别与三相电源构成图3所示的三相四线制系统类似。
Claims (3)
1、一种无变压器的串联有源交流电压质量调节器，包括电源(1)、充电回路(2)、储能装置(3)、逆变装置(4)、旁路开关(5)、输出滤波装置(6)、负载(7)、控制系统(8)，其特征在于，充电回路(2)由滤波电感Lf1和第一可控硅V3和第二可控硅V4组成，滤波电感Lf1的一端与电源VS相连，另一端与第一可控硅V3的阳极相连；第一可控硅V3的阳极与第二可控硅V4的阴极相连，第一可控硅V3的阴极与储能装置(3)第一电容器C1的正极相连；第二可控硅V4的阳极与储能装置(3)第二电容器C2的负极相连。
2、一种无变压器的串联有源交流电压质量调节器，包括电源(1)、充电回路(2)、储能装置(3)、逆变装置(4)、旁路开关(5)、输出滤波装置(6)、负载(7)、控制系统(8)，其特征在于，充电回路(2)由滤波电感Lf1、第一绝缘栅双极晶体管V7、第二绝缘栅双极晶体管V8、第一二极管V5和第二二极管V6组成，滤波电感Lf1一端与电源VS相连，另一端与第一绝缘栅双极晶体管V7的集电极相连；第一绝缘栅双极晶体管V7的集电极与第二绝缘栅双极晶体管V8的发射极相连，第一绝缘栅双极晶体管V7的发射极与第一二极管V5的阳极相连；第一二极管V5的阴极与储能装置(3)的第一电容器C1正极相连；第二绝缘栅双极晶体管V8的集电极与第二二极管V6的阴极相连；第二二极管V6的阳极与储能装置(3)的第二电容器C2负极相连。
3、无变压器的串联有源交流电压质量调节器的控制方法，由检测的电源电压VS、给定的额定负载电压VN和移相控制器(12)输出的移相控制信号作为瞬时电压生成器(13)的输入，其输出是负载瞬时参考电压Vref，负载瞬时参考电压Vref与负载电压VL之差作为第一调节器(14)的输入，其输出与输出滤波装置(6)中的电感Lf2的电流ILf2之差作为第二调节器(15)的输入，电源电压VS与负载瞬时参考电压Vref之差形成的前馈信号与第二调节器(15)的输出，共同构成脉冲宽度调制PWM控制器(16)的输入信号，控制逆变装置(4)；PWM控制器(16)的输出结果再经过输出滤波装置(6)滤波与负载回路(17)得到负载电压VL，其特征在于：由检测的电源电压VS与负载瞬时参考电压Vref之差作为调节器(9)的输入，调节器(9)的输出与第一电容器C1或第二电容器C2的直流电压之差作为调节器(10)的输入，调节器(10)的输出分两路，一路作为充电回路控制器(11)的输入，另一路作为移相控制器(12)的输入；充电回路控制器(11)的输出信号，对充电回路(2)的可控硅进行控制，调节第一电容器C1和第二电容器C2的直流电压，充电回路控制器(11)包含充电回路(2)；移相控制器(12)的输出得到移相控制信号并作为瞬时电压生成器(13)的一个输入。
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