CN101447674B - 一种具有差异化配置的电压质量综合调节装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种新型电压质量综合调节装置，其电压补偿采用高频补偿部分和低频补偿部分差异化配置结构，高频补偿部分补偿电压谐波等高频电压质量问题，低频补偿部分补偿电压暂降、波动与闪变、三相不平衡等相对频率较低的电压质量问题，因此本装置可以在实现电压暂降治理等低频电压质量问题的同时，实现电压谐波治理，并有效降低了变流器的开关损耗，实现装置的经济运行。

Description

一种具有差异化配置的电压质量综合调节装置

技术领域

本发明涉及信息安全技术领域，具体涉及一种具有差异化配置的电压质量综合调节装置。

背景技术

随着现代科学技术的发展，越来越多的工业生产过程和流水线(如半导体制造、计算机集成制造、造纸业等)依赖于对电能质量(尤其是电压质量)十分敏感的以微处理器芯片为核心的设备，这些设备对电压质量的要求很高，例如即使几个周期电压暂降都将影响这些设备正常工作。要保证高质量供电电压就必须治理电网的电压谐波，减小波形畸变，消除电压波动和闪变、各相电压的不对称等。目前虽然已经有动态电压恢复器(DVR)，固态快速切换开关(SSTS)，不间断电源(UPS)等典型电压质量治理装置，但是这些治理装置功能单一，为了减少投资和占地面积，电压质量综合调节装置成为电压质量治理装置的发展趋势。

目前大容量电压质量综合治理装置的主电路拓扑结构采用级联、多电平和多重化技术提高装置的容量，但不能很好的解决电压质量综合治理装置多种功能相互协调的问题。例如，对于电压暂降、波动与闪变、三相不平衡等相对频率较低的电压质量问题对功率器件(本申请中的功率器件是指IGBT、IGCT等全控型开关器件)的开关频率要求相对较低，而电压谐波等频率相对较高的电压质量问题对功率器件开关频率的要求较高，为了满足装置的综合治理的功能，提高所有功率器件的开关频率，极大增加了设备的开关损耗，加重了冷却设备的负担，加大了设备的成本；同时高开关频率、大容量的功率器件难以选型。实际电网中，电压谐波等高频电压质量问题容量相对较小，而电压暂降、波动与闪变、三相不平衡等相对频率较低的电压质量问题容量较大，针对此情况，本申请提出一种按照不同功能模块特性进行换流器差异化配置的方法。基于高频电压质量问题与低频电压质量问题解耦补偿的思想，在电压质量治理中，采用高频补偿部分和低频补偿部分差异化配置的拓扑结构在国内外尚未见到相同或类似的技术。

发明内容

本发明提供了一种具有差异化配置的电压质量综合调节装置，将调节装置按功能将模块分为高频补偿部分和低频补偿部分，使用高频电压质量问题与低频电压质量问题解耦补偿的方法，采用高频补偿部分和低频补偿部分差异化配置的拓扑结构，高频补偿部分与低频补偿部分按照频率高低进行分工，低频补偿部分负责补偿包括低次电压谐波、电压暂降和电压波动与闪变、三相不平衡的低频电压质量问题，高频补偿部分负责补偿高次电压谐波，对于谐波治理的具体分工可根据补偿容量与器件的开关频率来确定。

该装置采用链式结构，通过模块级联，串接于供电线路上，将调节装置按功能将模块分为高频补偿部分和低频补偿部分，

所述高频补偿部分包括一个或多个高频模块，每个模块包括储能部分、换流器和高频滤波器，储能部分为换流器提供直流电压支撑，换流器根据控制器的控制策略补偿系统电压高频谐波，高频滤波器虑除换流器的开关特征频率谐波；

所述低频补偿部分包括多个串联的低频模块，每个模块由储能部分、换流器和滤波器组成，储能部分为换流器提供直流电压支撑，换流器根据控制器的控制策略补偿系统频率较低的电压质量，滤波器虑除换流器的开关特征频率谐波。

本专利的优点：

1)装置可以同时实现电压暂降、暂升、三相不平衡和电压波动与闪变补偿以及电压谐波治理的功能；

2)对谐波电压和电压调整的解耦控制和变换器的差异化配置使装置整体损耗大大减小；降低装置出口滤波器设计难度。

附图说明

图1是依据本发明的具有差异化配置的电压质量综合调节装置的主电路结构示意图，其中：

1：三相交流电源；

2：A相高频补偿模块；

3：A相低频补偿模块；

4：B相装置，包括1，2相同结构；

5：C相装置，包括1，2相同结构；

6：变流器储能部分

L1，C1：高频模块输出滤波器；

L2，C2：低频模块输出滤波器；

La，Lb，2Lc：系统a，b，c三相电感；

具体实施方式

依据本发明的具有差异化配置的电压质量综合调节装置采用采用链式结构，通过模块级联，串接于供电线路上，装置按功能将模块分为高频补偿部分和低频补偿部分两类。图1所示为本申请介绍的装置主电路结构图。

(1)高频补偿部分：

高频补偿部分通常由一个或多个高频模块组成，每个模块由储能部分、换流器和高频滤波器组成。储能部分为换流器提供直流电压支撑；换流器根据控制器的控制策略补偿系统电压高频谐波；高频滤波器虑除换流器的开关特征频率谐波。

以系统中25次电压谐波为例，其频率为：

f₂₅＝25*50＝1250Hz

为了很好的跟踪补偿25次谐波，电压补偿装置的功率器件的开关频率为：

f_K≥10*f₂₅＝10*1250＝12.5kHz

因此补偿电压高频谐波对功率器件的开关频率要求很高。

而系统中，电压谐波的含量一般不会超过8％，甚至更低。因此以10kV系统为例：单相谐波含量：

$U_f\≤\frac{10}{\sqrt{3}}*8\%=0.47\mathrm{kV}$

U_f表示所有电压谐波的总有效值。

储能部分直流电压值：

$U_{\mathrm{DC}}\≥K*U_{f\max }=1.8*\sqrt{2}*0.47=1.2\mathrm{kV}$

K表示冗余系数；

U_fmax表示谐波电压峰值；

由此可见仅针对电压谐波进行补偿，功率器件仅选取1200V左右的小容量器件即可，避免了高频功率器件的大容量的要求。

(2)低频补偿部分：

低频补偿部分通常由多个低频模块串联组成，每个模块由储能部分、换流器和滤波器组成。储能部分为换流器提供直流电压支撑；换流器根据控制器的控制策略补偿系统频率较低的电压质量问题；滤波器虑除换流器的开关特征频率谐波。

以系统中基波电压为例，其频率为：

f₀＝50Hz

为了很好的跟踪补偿基波电压异常，电压补偿装置的功率器件的开关频率为：

f_K≥10*f₀＝10*50＝500Hz

因此补偿基波电压对功率器件的开关频率要求较低。

而系统中，电压暂降、暂升、波动与闪变、三相不平衡等基波电压的异常，电压幅值变化范围很大，以电压暂降为例：多数电压暂降幅值为20～30％，甚至更高。因此以10kV系统为例：单相电压暂降幅值为：

$U_s\≤\frac{10}{\sqrt{3}}*30\%=1.732\mathrm{kV}$

U_s表示所有电压暂降的总有效值。

储能部分直流电压值：

$U_{\mathrm{DC}}\≥K*U_{0\max }=1.8*\sqrt{2}*1.732=4.4\mathrm{kV}$

K表示冗余系数；

U_0max表示电压暂降峰值；

由此可见针对基波电压进行补偿，为了减少串联功率模块的数量，功率器件的电压和容量相应提高，而电压暂降等低频电压质量问题的低开关频率补偿要求，，避免了大容量功率器件高开关频率的要求。

综上分析，装置基于高频电压质量问题与低频电压质量问题解耦补偿的思想，采用高频补偿部分和低频补偿部分差异化配置的拓扑结构，其控制方法为：根据本装置按照功能特性进行差异化配置的特点，高频补偿部分与低频补偿部分按照频率高低进行分工。总的原则是低频补偿部分负责补偿低次电压谐波、电压暂降和电压波动与闪变、三相不平衡等低频电压质量问题；高频补偿部分负责补偿高次电压谐波；对于谐波治理的具体分工可根据补偿容量与器件的开关频率来定。

这样由于系统中高次电压谐波的含量较低，高频补偿部分与低频补偿部分相比可以选取更小的容量，直流侧电压可以降低，也就为开关器件的选型提供了更大余地，开关频率可以大大提高，完全可以实现高次电压谐波的治理，装置损耗也可以控制在允许的范围内。低频补偿部分实现补偿低次电压谐波、电压暂降和电压波动与闪变、三相不平衡等功能，相当于一台功能非常强大的动态电压恢复器。

已经根据优选的实施例描述了本发明。显然，在阅读和理解了上述详细说明书后能做出多种修正和替换。本发明意欲的是本申请构建成包括了落入附属的权利要求书或其等同物的范围之内的所有这些修正和替换。

Claims (1)

1.一种具有差异化配置的电压质量综合调节装置，将调节装置按功能将模块分为高频补偿部分和低频补偿部分，使用高频电压质量问题与低频电压质量问题解耦补偿的方法，采用高频补偿部分和低频补偿部分差异化配置的拓扑结构，高频补偿部分与低频补偿部分按照频率高低进行分工，低频补偿部分负责补偿包括低次电压谐波、电压暂降和电压波动与闪变、三相不平衡的低频电压质量问题，高频补偿部分负责补偿高次电压谐波，对于谐波治理的具体分工可根据补偿容量与器件的开关频率来确定 ;

该装置采用链式结构，通过模块级联，串接于供电线路上，将调节装置按功能将模块分为高频补偿部分和低频补偿部分， 

所述高频补偿部分包括一个或多个高频模块，每个模块包括储能部分、换流器和高频滤波器，储能部分为换流器提供直流电压支撑，换流器根据控制器的控制策略补偿系统电压高频谐波，高频滤波器滤除换流器的开关特征频率谐波； 

所述低频补偿部分包括多个串联的低频模块，每个模块由储能部分、换流器和滤波器组成，储能部分为换流器提供直流电压支撑，换流器根据控制器的控制策略补偿系统频率较低的电压质量，滤波器滤除换流器的开关特征频率谐波。