CN101699692A - 一种串联型电压暂变补偿控制电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串联型电压暂变补偿控制电路，包括依次连接的整流环节、逆变环节、滤波环节，还包括旁路开关；该控制电路采用载波反相层叠的控制方法。本发明串联型电压暂变补偿控制电路及控制方法，不需工频注入变压器，不需储能元件，体积小，造价低。该电路能补偿低至额定值37％的对称三相电网电压暂低；或者可补偿一至两相电压暂低至零，只要至少有一相电压保持额定；在电压暂高时，无论三相电压在任何情况下，本补偿电路均能将三相负载电压补偿至额定。同时，逆变环节采用三电平半桥逆变电路使得在母线电压较高时减小开关管的电压应力；且输出电压谐波含量减少，给滤波器的设计带来方便。

Description

一种串联型电压暂变补偿控制电路及控制方法

技术领域

本发明属于电能质量控制技术领域，涉及一种电压暂变补偿控制电路，具体涉及一种串联型电压暂变补偿控制电路，本发明还涉及利用该电路进行控制的方法。

背景技术

串联型电压暂变补偿控制电路是一种电压源型电力电子补偿电路，一个补偿电源串接于电源和重要负荷之间，当电网电压发生暂变时，通过补偿电源注入一个补偿电压，以补偿电压暂变值，最终保持负载电压为额定。它具有较好的动态性能，当发生电压暂降或暂升时，能在很短的时间(几个毫秒)内即可将故障处电压恢复到正常值。目前，针对电压暂变问题，常见的补偿电路有如下几种：(1)动态电压恢复器DVR(Dynamic Voltage Restorer)。其补偿电压通过注入变压器串联接入电网，以补偿来自系统的电压暂变和谐波。但是，DVR的储能单元和工频注入变压器使得其体积较大、造价较高、且效率较低。(2)通用电能质量控制器UPQC(Universal Power Quality Controller)。它由一个通过工频注入变压器串联在电网进线上的电压型逆变器和一个并联在负载端的电流型逆变器共同组成，二者共用一个直流环节。靠近电网侧的串联电压型逆变器用来提高电网供电电压的质量；靠近负载侧的并联电流型逆变器用来改善负载的电流质量。虽然UPQC补偿功能较强大，但是结构复杂、体积大、造价高，控制亦复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种串联型电压暂变补偿控制电路，解决了现有的电压暂变补偿控制电路结构复杂、体积大、造价高、控制复杂的问题。

本发明的另一目的是提供利用上述补偿控制电路进行控制的方法。

本发明所采用的技术方案是，一种串联型电压暂变补偿控制电路，包括依次连接的整流环节、逆变环节和滤波环节，还包括旁路开关，旁路开关串联于电网和负载之间，整流环节包括二极管a、二极管b、二极管c和二极管d，二极管a和二极管b连接成一个半桥，二极管c和二极管d连接成一个半桥，还包括相连接的电容a和电容b，逆变环节包括依次串联的开关管a、开关管b、开关管c和开关管d，开关管a和开关管b连接成上桥臂，开关管c和开关管d连接成下桥臂，还包括顺向串联的二极管e和二极管f，二极管e、二极管f的中点与电容a、电容b的中点相连接，二极管e的阴极与开关管a、开关管b的中点相连接，二极管f的阳极与开关管c、开关管d的中点相连接，滤波环节包括串联的电感和电容c，开关管b、开关管c的中点和滤波环节中的电感相连接，电容c与电感的连接端和负载相连接，电容c的另一端与滤波电容中性点相连接。

本发明所采用的另一技术方案是，一种利用串联型电压暂变补偿控制电路进行控制的方法，

使三相交流进线的被补偿的相与电容a、电容b的中点相连接，三相交流进线的其余两相中的一相与二极管a、二极管b的中点相连接，三相交流进线的其余两相中的另一相与二极管c、二极管d的中点相连接，

从三相电网输入的电网电压为正常电压时，旁路开关导通，逆变环节关断，输入的电网电压通过旁路开关给滤波环节，滤波环节输出电网电压给负载；同时，输入的电网电压通过整流环节，二极管a、二极管b、二极管c和二极管d对电网电压进行整流，得到母线电压，该母线电压即为电容a、电容b两端的电压；

从三相电网输入的电网电压发生暂变时，旁路开关关断，逆变环节导通，输入的电网电压通过整流环节，二极管a、二极管b、二极管c和二极管d对电网电压进行整流，得到整流后直流母线电压，该母线电压为电容a、电容b两端的电压；逆变环节利用该整流后直流母线电压对输入的电网电压进行补偿，得到逆变输出的补偿电压；逆变环节将得到的逆变输出的补偿电压输出给滤波环节，滤波环节滤除逆变输出的高频分量，使负载上得到平滑的额定电压。

本发明的特点还在于，其中的逆变环节利用整流后直流母线电压对输入的电网电压进行补偿，得到逆变输出的补偿电压，具体按照以下步骤实施：

当开关管a、开关管b导通，开关管c、开关管d关断时，开关管b、开关管c的中点和电容a、电容b的中点之间的电位差为整流后直流母线电压/2；当开关管c、开关管d导通，开关管a、开关管b关断时，开关管b、开关管c的中点和电容a、电容b的中点之间的电位差为-整流后直流母线电压/2；当开关管b、开关管c导通，开关管a、开关管d关断时，开关管b、开关管c的中点和电容a、电容b的中点之间的电位差为0。

本发明的有益效果是，该电路不需工频注入变压器，不需储能元件，且可利用线电压在线整流的方式提高补偿深度。该电路能补偿低至额定值37％的对称三相电网电压暂低；或者可补偿一至两相电压暂低至零，只要至少有一相电压保持额定；在电压暂高时，无论三相电压在任何情况下，该补偿电路均能将三相负载电压补偿至额定。

附图说明

图1为本发明串联型电压暂变补偿控制电路的结构示意图；

图2为本发明串联型电压暂变补偿控制电路进行三相电压暂低补偿时的相量图。

图中，1.整流环节，2.逆变环节，3.滤波环节，4.旁路开关，5.二极管a，6.二极管b，7.二极管c，8.二极管d，9.电容a，10.电容b，11.二极管e，12.二极管f，13.开关管a，14.开关管b，15.开关管c，16.开关管d，17.电感，18.电容c。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明串联型电压暂变补偿控制电路的结构，如图1所示，包括依次连接的整流环节1、逆变环节2和滤波环节3，还包括旁路开关4，旁路开关4串联于电网和负载之间。整流环节1包括二极管a5、二极管b6、二极管c7、二极管d8和电容a9、电容b10，二极管a5和二极管b6连接成一个半桥，二极管c7和二极管d8连接成一个半桥，电容a9和电容b10相连接，三相交流进线的被补偿的相与电容a9、电容b10的中点相连接，三相交流进线的其余两相中的一相与二极管a5、二极管b6的中点相连接，三相交流进线的其余两相中的另一相与二极管c7、二极管d8的中点相连接。逆变环节2为三电平半桥逆变电路，包括依次串联的开关管a13、开关管b14、开关管c15、开关管d16，还包括二极管e11、二极管f12。开关管a13和开关管b14连接成上桥臂，开关管c15和开关管d16连接成下桥臂，二极管e11和二极管f12顺向串联为钳位二极管，二者的中点与电容a9、电容b10的中点相连接，二极管e11的阴极与开关管a13、开关管b14的中点相连接，二极管f12的阳极与开关管c15、开关管d16的中点相连接。滤波环节3为由串联的电感17和电容c18组成的二阶滤波器，开关管b14、开关管c15的中点和滤波环节3中的电感17相连接。电容c18与电感17的连接端和负载相连接，电容c18的另一端与滤波电容中性点相连接。

采用上述串联型电压暂变补偿控制电路进行控制的方法，具体按照以下步骤实施：

从三相电网输入的电网电压为正常电压时，旁路开关4导通，逆变环节2关断，输入的电网电压通过旁路开关4给滤波环节3，滤波环节3输出电网电压给负载；同时，输入的电网电压通过整流环节1，二极管a5、二极管b6、二极管c7、二极管d8对电网电压进行整流，得到母线电压，该母线电压为电容a9、电容b10两端的电压。

从三相电网输入的电网电压发生暂变时，旁路开关4关断，逆变环节2导通，输入的电网电压通过整流环节1，二极管a5、二极管b6、二极管c7、二极管d8对电网电压进行整流，得到整流后直流母线电压，该母线电压为电容a9、电容b10两端的电压；逆变环节2利用上步得到的整流后直流母线电压对输入的电网电压进行补偿，得到逆变输出的补偿电压，具体按照以下步骤实施：

当开关管a13、开关管b14导通，开关管c15、开关管d16关断时，开关管b14、开关管c15的中点和电容a9、电容b10的中点之间的电位差为U_dc/2(U_dc为整流后直流母线电压)；当开关管c15、开关管d16导通，开关管a13、开关管b14关断时，开关管b14、开关管c15的中点和电容a9、电容b10的中点之间的电位差为-U_dc/2；当开关管b14、开关管c15导通，开关管a13、开关管d16关断时，开关管b14、开关管c15的中点和电容a9、电容b10的中点之间的电位差为0。其中四路控制信号分别控制开关管a13、开关管b14、开关管c15、开关管d16。

逆变环节2将上步得到的逆变输出的补偿电压输出给滤波环节3，滤波环节3滤除逆变输出的高频分量，使负载上得到平滑的额定电压。

整体工作原理分析：

当电网电压正常时，旁路开关4导通，电网电压直接向负载供电，同时封锁逆变器的驱动信号。此时，线电压给直流侧电容充电。当电压发生跌落时，旁路开关4关断，逆变器的驱动信号解封锁，逆变器工作；逆变器输出电压与跌落后的电网剩余电压迭加后共同给负载供电，将负载电压补偿到额定值。在电压暂变补偿期间，由于直流侧电容不断充电，逆变器不断从电网吸取能量。所以，该电路能补偿对称三相电网电压暂低至正常值的37％，或者一至两相电压暂低至零而其余相上的电压保持额定；在电压暂高时，无论三相电压在任何情况下，本补偿电路均能将三相负载电压补偿至额定。

电压暂低补偿范围：一至两相电压暂低至零而其余相上的电压保持额定时本电路仍然可将负载电压补偿至额定值；而对于三相对称暂低至正常值的37％时本电路仍然可将负载电压补偿至额定值。三相电压暂低的相量图如图2所示。

在图2中，i、j、k＝a、b、c且i≠j≠k。假设三相电压中，i相为暂低最深的一相，j为暂低最浅的一相。U_i2、U_j2、U_k2是三相电压的暂低输入电压即剩余电压，U_ij2是i、j相之间暂低后的线电压，并且为i相逆变器中的电容充电。U_iR是i相的额定电压，N是理论中性点。假设p_i，p_j和p_k是i、j和k相的各相相应暂低因数，有式(1)成立。

U_i2＝p_iU_iR

U_j2＝p_jU_jR    (1)

U_k2＝p_kU_kR

从图2中可以得出，

$U_{\mathrm{ij}2}=\sqrt{{\left(U_{j2}\cos \frac{\mathrm{\π}}{6}\right)}^2+{(U_{j2}\sin \frac{\mathrm{\π}}{6}+U_{i2})}^2}---\left(2\right)$

进一步考虑电容上电压下降因数。电容并不是无穷大，因此，在电压暂低补偿期间，电容上的电压保持动态平衡。设q∈(0，1)为滤波系数，是滤波电容上最小电压和最大电压的比值，则能得到p_i、p_j和q的关系如下式：

u_iR＝U_i2+qU_ij2    (3)

求解上面的等式，假设U_iR＝U_jR＝U_kR，可以得到下式：

$\frac{p_i^2-2p_i+1}{p_i^2+p_i{p}_j+p_j^2}=q^2---\left(4\right)$

设电容容量足够大，即有q＝1，等式(4)可变为

$p_j^2+p_i{p}_j+2p_i-1=0---\left(5\right)$

对于特殊情况，可以假设只有一相电压暂低而其余两相电压额定或两相电压暂低相同的幅度而一相电压保持额定，可得一至两相电压暂低至零而其余相上的电压保持额定时本电路仍然可将负载电压补偿至额定值；而对于三相对称暂低时可得当三相电网电压对称暂低至正常值的37％时本电路仍然可将负载电压补偿至额定值。

本发明串联型电压暂变补偿控制电路，不需工频注入变压器，不需储能元件，且可利用线电压在线整流的方式提高补偿深度。该电路能补偿低至额定值37％的对称三相电网电压暂低；或者可补偿一至两相电压暂低至零，只要至少有一相电压保持额定；在电压暂高时，无论三相电压在任何情况下，该补偿电路均能将三相负载电压补偿至额定。

Claims (3)

1.一种串联型电压暂变补偿控制电路，其特征在于，包括依次连接的整流环节(1)、逆变环节(2)和滤波环节(3)，还包括旁路开关(4)，旁路开关(4)串联于电网和负载之间，所述的整流环节(1)包括二极管a(5)、二极管b(6)、二极管c(7)和二极管d(8)，二极管a(5)和二极管b(6)连接成一个半桥，二极管c(7)和二极管d(8)连接成一个半桥，还包括相连接的电容a(9)和电容b(10)，所述的逆变环节(2)包括依次串联的开关管a(13)、开关管b(14)、开关管c(15)和开关管d(16)，开关管a(13)和开关管b(14)连接成上桥臂，开关管c(15)和开关管d(16)连接成下桥臂，还包括顺向串联的二极管e(11)和二极管f(12)，二极管e(11)、二极管f(12)的中点与电容a(9)、电容b(10)的中点相连接，二极管e(11)的阴极与开关管a(13)、开关管b(14)的中点相连接，二极管f(12)的阳极与开关管c(15)、开关管d(16)的中点相连接，所述的滤波环节(3)包括串联的电感(17)和电容c(18)，所述的开关管b(14)、开关管c(15)的中点和滤波环节(3)中的电感(17)相连接，所述的电容c(18)与电感(17)的连接端和负载相连接，电容c(18)的另一端与滤波电容中性点相连接。

2.一种利用权利要求1所述的串联型电压暂变补偿控制电路进行控制的方法，其特征在于，

使三相交流进线的被补偿的相与电容a(9)、电容b(10)的中点相连接，三相交流进线的其余两相中的一相与二极管a(5)、二极管b(6)的中点相连接，三相交流进线的其余两相中的另一相与二极管c(7)、二极管d(8)的中点相连接，

从三相电网输入的电网电压为正常电压时，旁路开关(4)导通，逆变环节(2)关断，输入的电网电压通过旁路开关(4)给滤波环节(3)，滤波环节(3)输出电网电压给负载；同时，输入的电网电压通过整流环节(1)，二极管a(5)、二极管b(6)、二极管c(7)和二极管d(8)对电网电压进行整流，得到母线电压，该母线电压即为电容a(9)、电容b(10)两端的电压；

从三相电网输入的电网电压发生暂变时，旁路开关(4)关断，逆变环节(2)导通，输入的电网电压通过整流环节(1)，二极管a(5)、二极管b(6)、二极管c(7)和二极管d(8)对电网电压进行整流，得到整流后直流母线电压，该母线电压为电容a(9)、电容b(10)两端的电压；逆变环节(2)利用该整流后直流母线电压对输入的电网电压进行补偿，得到逆变输出的补偿电压；逆变环节(2)将得到的逆变输出的补偿电压输出给滤波环节(3)，滤波环节(3)滤除逆变输出的高频分量，使负载上得到平滑的额定电压。

3.根据权利要求2所述的控制的方法，其特征在于，所述的逆变环节(2)利用整流后直流母线电压对输入的电网电压进行补偿，得到逆变输出的补偿电压，具体按照以下步骤实施：

当开关管a(13)、开关管b(14)导通，开关管c(15)、开关管d(16)关断时，开关管b(14)、开关管c(15)的中点和电容a(9)、电容b(10)的中点之间的电位差为整流后直流母线电压/2；当开关管c(15)、开关管d(16)导通，开关管a(13)、开关管b(14)关断时，开关管b(14)、开关管c(15)的中点和电容a(9)、电容b(10)的中点之间的电位差为-整流后直流母线电压/2；当开关管b(14)、开关管c(15)导通，开关管a(13)、开关管d(16)关断时，开关管b(14)、开关管c(15)的中点和电容a(9)、电容b(10)的中点之间的电位差为0。

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