CN101403780A - 一种动态电压恢复器实验室测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种动态电压恢复器实验室测试装置及方法，本发明装置包括一单线制主电路，电路的输入信号分为三路并联信号：第一路通过一避雷器接地；第二路信号通过旁路开关连接到电路输出端；第三路信号与一隔离刀闸串联后分为两路并联输出信号，一路输出信号直接与一晶闸管的输入端连接，另一路输出信号通过串联一DVR投切开关后与一熔断器串联，熔断器通过串联一变压器与另一熔断器串联，该熔断器的输出端与功率模块串联，功率模块输出端串联一滤波电路，滤波电路与晶闸管并联，第三路中的两路输出信号并联后与另一隔离刀闸串联后输出，第三路信号的输出端与第二路信号中旁路开关的输出端并联连接在电路输出端。本发明可以广泛用于各种自动化设备中。
Description
技术领域
本发明涉及一种测试装置及方法，特别是关于一种动态电压恢复器(DVR)实验室测试装置及方法。
背景技术
随着科学技术的发展，电脑、变频器和各种精密自动化设备获得了广泛应用。在提高生产效率的同时，它们对供电电源的电能质量也提出了更高的要求。相关调研表明，由于电压暂降导致的对电能质量的投诉问题在配电系统占有很大的比例，高科技园区、大型医院、军工单位和重要政府部门表现得尤为突出。DVR是一种静态串联型电能质量调节装置，主要用来在供电电压发生跌落、闪变、间断等电能质量问题时保证用户侧电压稳定。通过检测供电电源侧电压，给出指令信号，DVR产生补偿电压，与电源电压叠加后供给负载，从而保证用户侧电压不变。
目前，国外瑞士的ABB公司、美国的GE公司、德国的西门子公司等都已经推出了DVR或类似产品，并发布了应用报告，但对研制过程和方法鲜有提及；国内则更多集中在拓扑、控制策略和小容量原理样机研究方面，真正投入实际运行的则少之又少。DVR产品馈电回路的电压等级多为380V或10kV，为了便于区分，分别称之为低压DVR和高压DVR。高压DVR主电路拓扑主要有采用功率器件串联的两电平、二极管中性点钳位多电平、采用串联变压器的注入模式和功率单元级联多电平。其中功率级联多电平在高压变频器中已经获得了成熟应用，因此该拓扑虽然功率单元较多，但是由于不需要采用串联注入变压器，而且技术成熟，故在高压DVR中获得广泛应用。高压大容量DVR的研制，对于试验条件要求非常高，以容量较小的2MVA为例，进行现场工况模拟，需要有高压三相大容量交流电源，大容量三相交流负载，以及配套的高低压开关和各种保护设备，试验成本非常高。寻求一种简单、可靠、低成本的试验方法，已经成为研究DVR或类似装置的当务之急。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种简单、可靠、低成本的动态电压恢复器实验室测试装置及方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种动态电压恢复器实验室测试装置，其特征在于：它包括一单线制主电路，所述电路的输入信号分为三路并联信号：第一路通过一避雷器接地；第二路信号通过旁路开关连接到电路输出端；第三路信号与一隔离刀闸串联后分为两路并联输出信号，一路输出信号直接与一起保护作用的晶闸管的输入端连接，另一路输出信号通过串联一DVR投切开关后与一起保护作用的熔断器串联，所述熔断器通过串联一隔离用变压器与另一起保护作用的熔断器串联，该所述熔断器的输出端与功率模块串联，所述功率模块输出端串联一个由电容组成的滤波电路，所述滤波电路与晶闸管并联，第三路中的两路输出信号并联后与另一隔离刀闸串联后输出，第三路信号的输出端与第二路信号中旁路开关的输出端并联连接在电路输出端。
所述的滤波电路中还包括一与所述电容并联的电感。
所述功率模块是由多个功率单元构成，每个功率单元是由一交流～直流转换电路通过并联一极性电容连接到另一直流～交流转换电路构成。
所述每个功率单元包括以三相绕组通过连接六个二极管组成的三相整流电路，所述三相整流电路的共阴端串联一由一软启动晶闸管与软启动电阻并联组成的软启动电路，所述软启动电路与整流电路的共阳端并联一直流电容，所述直流电容的输出端并联一由一制动电阻串联一制动IGBT模块组成制动电路，所述制动电路的输出端并联一由一半桥IGBT模块和一半桥IGBT模块组成的单相全桥逆变拓扑电路，制动IGBT模块包括一IGBT绝缘栅极功率管和一回流二极管并联构成IGBT模块，IBGT模块串联一二极管；半桥IGBT模块包括两个IGBT模块。
所述功率模块为串联使用的三个，每个所述功率模块分别包括三个串联的功率单元，每个所述功率单元均以隔离变压器供电为输入信号，将三个功率模块的输出端串联后形成三相电。
所述功率模块中包括两个功率单元，其中一所述功率单元作为逆变电源，用来模拟实际供电电压的跌落，其中另一所述功率单元作为单相DVR使用。
一种动态电压恢复器实验室测试方法，其包括以下三种工作模式：1)零电压模式：旁路开关断开，两个隔离刀闸和一DVR投切开关闭合，若供电电压没有发生跌落，功率模块中直流～交流部分的交流侧处于短路状态，DVR功率模块输出电压为零；2)补偿模式：旁路开关断开，两个隔离刀闸和DVR投切开关闭合时，若供电电压发生跌落，一功率单元输出跌落电压经其中一所述隔离刀闸、一电感，叠加另一功率单元的单相DVR输出的电压后，经另一所述隔离刀闸给单相负载供电；3)旁路模式：当旁路开关闭合，两隔离刀闸断开时，由模拟供电的功率单元直接给负载供电。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明利用DVR本身的功率单元，外配单相变压器和单相负载，实现了在实验室对DVR的全工况试验考核，降低了研发成本，保证了DVR在各种工况下长时间运行的可靠性。2、本发明将三相DVR转换为单相DVR进行研究，可以简化试验线路和负载，降低研制、测试成本。3、本发明通过交直交转换，可以实现DVR装置与实际电网的隔离，防止试验过程中由于误操作对电网和并联其余回路负荷所造成的损坏。4、本发明充分利用软件编程的灵活性，将两个功率单元，一个作为单相幅值相位频率可调的电压跌落模拟电源，另一模块作为单相DVR来进行电压跌落补偿控制，可以精确模拟系统电压跌落和DVR补偿工况。5、本发明通过用单相DVR进行测试，使负载数量和容量降低为DVR三相功率单元的1/3，节省了电能耗费，采用电感或电容作为负载，可以进一步降低试验成本。本发明可以广泛用于各种自动化设备中。
附图说明
图1是本发明DVR的单线制主电路示意图
图2是本发明功率模块的功率单元示意图
图3是本发明高压DVR的功率模块示意图
图4是本发明全工况模拟测试系统示意图
图5是本发明单相DVR工作在零电压模式时的用户供电回路示意图
图6是本发明单相DVR工作在补偿模式时的负载供电回路示意图
图7是本发明补偿模式时的电路仿真波形示意图
图8是本发明单相DVR工作在旁路模式时的供电回路示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
DVR装置功率单元的拓扑主要有三相半桥和三相全桥。三相半桥拓扑适用于三相电网平衡系统；当三相电网不平衡时，其控制性能变差，甚至会发生故障，考虑高压DVR装置的容量较大且供电电源大部分时间三相不平衡，实际装置多采用三相全桥结构。本发明也是采用三相全桥结构。
如图1所示，本发明包括适用于高压、低压DVR的单线制主电路，单线制主电路的输入信号分为三路并联信号：第一路通过一保护作用的避雷器F接地；第二路信号通过旁路开关QF1连接到电路输出端；第三路信号与一隔离刀闸QS1串联后分为两路并联输出信号，一路输出信号直接与一保护作用的晶闸管Pscr的输入端连接，另一路输出信号通过串联一DVR投切开关QF2后与一保护作用的熔断器Fs串联，熔断器Fs通过串联一隔离用变压器T与另一起保护作用的熔断器Fr串联，熔断器Fr的输出端与功率模块串联，功率模块的输出端串联一个由一电感L和一电容C并联组成的滤波电路LC，滤波电路LC与晶闸管Pscr并联，两路输出信号并联后与另一隔离刀闸QS2串联组成完整的第三路信号的输出，第三路信号的输出端与第二路信号的旁路开关QF1的输出端并联连接在主电路输出端。
上述电路适用于低压DVR装置，如果用于高压DVR装置中，通常可以省去电感L。
上述实施例中，功率模块是由多个功率单元构成，每个功率单元是由一交流～直流转换电路通过并联一极性电容连接到另一直流～交流转换电路构成。
如图2所示，功率单元包括以三相绕组a1、b1、c1通过连接六个二极管D1～D6组成三相整流电路，三相整流电路的共阴端串联一由一软启动晶闸管S1与软启动电阻R1并联组成的软启动电路，软启动电路与整流电路的共阳端并联一直流电容，直流电容的输出端并联一由一制动电阻R2串联一制动IGBT模块S3组成的制动电路，制动电路的输出端并联一由一半桥IGBT模块S2和一半桥IGBT模块S4组成的单相全桥逆变拓扑电路。在本实施例中，制动IGBT模块S3包括一IGBT绝缘栅极功率管S3和一回流二极管D8并联构成IGBT模块，IBGT模块串联一二极管D7；半桥IGBT模块S2包括两个IGBT模块S21、S22，半桥IGBT模块S4包括两个IGBT模块S41、S42。
上述实施例中，当用作高压DVR时，本发明利用低压DVR的功率单元构造高压DVR，高压DVR的功率模块中每相串联的功率单元数目取决于用户电压等级，如图3所示，以三个功率模块串联为例，每个功率模块各包括三个功率单元，每个功率模块的三个功率单元串联后输出，各功率模块均包括以隔离变压器供电为输入信号，输入信号a1、b1、c1，a2、b2、c2和a3、b3、c3均与各功率单元的三个功率单元输入端连接，将三个功率模块的输出端串联后形成U、V、W三相电，U、V、W三相电与供电电压串联后给用户供电。在本实施例中，所有的功率单元均相同。
上述实施例中，无论是高压DVR还是低压DVR，核心部分均为功率单元部分，因此对DVR装置的研制和测试也就主要演变为功率单元进行研制和测试。
如图2所示，分析功率单元示意图可知，这是一个广泛采用的单相逆变电源电路。其工作流程为：变压器隔离后的三相绕组a1、b1、c1通过二极管D1～D6构成的三相整流桥完成交～直流转换，三相整流桥和由软启动晶闸管S1、软启动电阻R1构成的软启动电路后对直流电容C1进行充电，以提供进入补偿模式时需要的能量。制动IGBT模块S3和制动电阻R2构成了制动电路，以防止DVR补偿启动时，发生能量倒灌现象，损坏功率单元。半桥IGBT模块S2和半桥IGBT模块S4构成了单相全桥逆变拓扑电路，完成直～交流转换后输出。
本发明的DVR的测试方法包括的工作模式主要有：零电压模式、补偿模式、旁路模式。功率单元工作在零电压模式和补偿模式的区别主要表现在两半桥IGBT模块S2、S4上，零电压模式时，两半桥IGBT模块S2、S4的两支上管或下管同时导通，两半桥IGBT模块S2、S4逆变输出电压为零；补偿模式时，两半桥IGBT模块S2、S4逆变输出电压为补偿电压，与跌落后的供电电压相加后保证用户侧电压不变。当DVR工作在补偿模式时，供电电压必须要能够产生电压跌落现象，因此，本发明利用功率单元(如图2所示)，通过软件调整，将功率单元分别设计为单相幅值相位频率可调的电压跌落模拟电源和单相DVR来进行电压跌落补偿控制。
如图4所示，本实施例的功率模块中设置了两个功率单元1、2，功率单元1和功率单元2完全相同，利用功率单元1，通过软件调整，将其设计为电压幅值和跌落时间可调的逆变电源，用来模拟实际供电电压的跌落，由三相供电电压经整流逆变后产生；利用功率单元2，通过软件编程设计为单相DVR使用，通过实现DVR的三种工作模式，对单相用户负载Z供电，完成对功率单元2的测试。从而构成了既可以模拟供电电压跌落，又能够对作为单相DVR的功率单元进行全工况模拟测试的系统。在全工况模拟测试系统中，由于功率单元2的供电是由功率单元1逆变产生的单相电源，为提高其补偿能力，增设单相变压器T1，一方面实现了功率单元2与功率单元1的电气隔离，另一方面提升了功率单元2的供电电压，保证了功率单元2的直流电压与三相整流时具有相同的幅值。
零电压模式：如图5所示，当旁路开关QF1断开，两个隔离刀闸QS1、QS2和一DVR投切开关QF2闭合时，若供电电压没有发生跌落，此时DVR投切开关QF2闭合为保证功率模块中直流侧电容两端维持稳定的直流电压，提供补偿时必需的能量，功率模块中直流～交流部分的交流侧处于短路状态，DVR功率模块输出电压为零，DVR工作在零电压模式。功率单元1输出的电压一方面经一隔离刀闸QS1、一电感L、短路后的功率单元2和另一隔离刀闸QS2给单相负载Z供电；另一方面，DVR投切开关QF2闭合，通过单相变压器T1给功率单元2的直流电容提供直流电压，保证该直流电容两端维持稳定的直流电压，提供进入补偿模式时需要的能量。
补偿模式：如图6所示，当旁路开关QF1断开，两个隔离刀闸QS1、QS2和DVR投切开关QF2闭合时，若供电电压发生跌落，DVR进入补偿模式。功率单元1输出跌落电压经一隔离刀闸QS1、一电感L，叠加功率单元2的单相DVR输出的电压后，经另一隔离刀闸QS2给单相负载Z供电，保证用户侧电压不发生变化。
对补偿模式进行电路仿真，如图7所示，电路仿真的波形为，Usys是对应功率单元1输出的带有短时供电电压发生跌落时的电压波形；U dvr是对应功率单元2的输出电压波形，当供电电压没有发生跌落时，功率单元2的输出电压为零，当供电电压发生跌落时，功率单元2的输出电压为补偿电压，供电电压恢复后，功率单元2的输出电压又变成零，即U_dvr输出电压波形表现为零电压、补偿电压、零电压；Uload是负载两端的电压波形，即用户侧电压波形，为功率单元1输出的带有短时跌落的电压与功率单元2提供的跌落电压之和，保证了用户侧电压波形不发生变化。
旁路模式：如图8所示，当旁路开关QF1闭合，两隔离刀闸QS1和QS2断开时，DVR工作在旁路模式，由模拟供电电源即功率单元1直接给负载Z供电。此时可以对DVR进行定期维护和检修，而不会影响到用户侧供电。
从上述介绍可以看出，利用DVR的一个功率单元作为模拟电压跌落的供电电源，一个功率单元作为单相DVR装置，可以实现三相全桥DVR装置的全工况模拟，并且可以对DVR功率单元进行相关的电气性能试验、老化试验和散热试验，实现了功率模块在出厂前的全工况考核。
Claims (10)
1、一种动态电压恢复器实验室测试装置，其特征在于：它包括一单线制主电路，所述电路的输入信号分为三路并联信号：第一路通过一避雷器接地；第二路信号通过旁路开关连接到电路输出端；第三路信号与一隔离刀闸串联后分为两路并联输出信号，一路输出信号直接与一起保护作用的晶闸管的输入端连接，另一路输出信号通过串联一DVR投切开关后与一起保护作用的熔断器串联，所述熔断器通过串联一隔离用变压器与另一起保护作用的熔断器串联，该所述熔断器的输出端与功率模块串联，所述功率模块输出端串联一个由电容组成的滤波电路，所述滤波电路与晶闸管并联，第三路中的两路输出信号并联后与另一隔离刀闸串联后输出，第三路信号的输出端与第二路信号中旁路开关的输出端并联连接在电路输出端。
2、如权利要求1所述的一种动态电压恢复器实验室测试装置，其特征在于：所述的滤波电路中还包括一与所述电容并联的电感。
3、如权利要求1所述的一种动态电压恢复器实验室测试装置，其特征在于：所述功率模块是由多个功率单元构成，每个功率单元是由一交流～直流转换电路通过并联一极性电容连接到另一直流～交流转换电路构成。
4、如权利要求2所述的一种动态电压恢复器实验室测试装置，其特征在于：所述功率模块是由多个功率单元构成，每个功率单元是由一交流～直流转换电路通过并联一极性电容连接到另一直流～交流转换电路构成。
5、如权利要求1或2或3或4所述的一种动态电压恢复器实验室测试装置，其特征在于：所述每个功率单元包括以三相绕组通过连接六个二极管组成的三相整流电路，所述三相整流电路的共阴端串联一由一软启动晶闸管与软启动电阻并联组成的软启动电路，所述软启动电路与整流电路的共阳端并联一直流电容，所述直流电容的输出端并联一由一制动电阻串联一制动IGBT模块组成制动电路，所述制动电路的输出端并联一由一半桥IGBT模块和一半桥IGBT模块组成的单相全桥逆变拓扑电路，制动IGBT模块包括一IGBT绝缘栅极功率管和一回流二极管并联构成IGBT模块，IBGT模块串联一二极管；半桥IGBT模块包括两个IGBT模块。
6、如权利要求1或2或3或4所述的一种动态电压恢复器实验室测试装置，其特征在于：所述功率模块为串联使用的三个，每个所述功率模块分别包括三个串联的功率单元，每个所述功率单元均以隔离变压器供电为输入信号，将三个功率模块的输出端串联后形成三相电。
7、如权利要求5所述的一种动态电压恢复器实验室测试装置，其特征在于：所述功率模块为串联使用的三个，每个所述功率模块分别包括三个串联的功率单元，每个所述功率单元均以隔离变压器供电为输入信号，将三个功率模块的输出端串联后形成三相电。
8、如权利要求1或2或3或4所述的一种动态电压恢复器实验室测试装置，其特征在于：所述功率模块中包括两个功率单元，其中一所述功率单元作为逆变电源，用来模拟实际供电电压的跌落，其中另一所述功率单元作为单相DVR使用。
9、如权利要求5所述的一种动态电压恢复器实验室测试装置，其特征在于：所述功率模块中包括两个功率单元，其中一所述功率单元作为逆变电源，用来模拟实际供电电压的跌落，其中另一所述功率单元作为单相DVR使用。
10、一种如权利要求1～9所述的装置的动态电压恢复器实验室测试方法，其包括以下三种工作模式：
1)零电压模式：旁路开关断开，两个隔离刀闸和一DVR投切开关闭合，若供电电压没有发生跌落，功率模块中直流～交流部分的交流侧处于短路状态，DVR功率模块输出电压为零；
2)补偿模式：旁路开关断开，两个隔离刀闸和DVR投切开关闭合时，若供电电压发生跌落，一功率单元输出跌落电压经其中一所述隔离刀闸、一电感，叠加另一功率单元的单相DVR输出的电压后，经另一所述隔离刀闸给单相负载供电；
3)旁路模式：当旁路开关闭合，两隔离刀闸断开时，由模拟供电的功率单元直接给负载供电。
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