CN101841158A - 基于功率单元级联的10kV动态电压恢复器 - Google Patents

基于功率单元级联的10kV动态电压恢复器 Download PDF

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赵金良
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Abstract

本发明公开了一种基于功率单元级联的10kV动态电压恢复器，其包括单输入多输出变压器、三十个功率单元、三十个机械旁路机构、三个LC滤波电路，每个LC滤波电路均由一个电感和一个电容串联组成，单输入多输出变压器将电网电压变换为三十路输出的三相电压，每一路输出电压接至一组功率单元的输入端；十个功率单元为一组，每一组功率单元的输出端级联后经过一个LC滤波电路串入电网，每个功率单元的输出端并联一个机械旁路机构。本发明基于功率单元级联的10kV动态电压恢复器能实现不停机更换故障功率单元。

Description

基于功率单元级联的10kV动态电压恢复器
技术领域
本发明涉及电力系统与电力电子技术中的动态电压恢复器(DynamicVoltage Restorer，DVR)，特别是涉及一种基于功率单元级联的10kV动态电压恢复器。
背景技术
随着电子信息技术的飞速发展，企业中广泛应用的自动生产线、精密加工机械、计算机系统等先进设备对电能质量的要求越来越高。电网电压的暂降或突升会使这些企业用户遭受重大损失。在电网电压发生暂降或突升时，动态电压恢复器(DVR)通过向配电系统中串入一个电压源来保障用户端的电压质量。
10kV动态电压恢复器通常由储能装置、逆变装置、并网装置等构成。其中储能装置的构成和逆变装置的拓扑结构是10kV动态电压恢复器设计中的重点。常见的储能装置有超级电容、超导储能、蓄电池、飞轮储能等，受成本及补偿能力等多种因素的制约，这些装置在目前的10kV动态电压恢复器结构中不是非常实用。现有10kV动态电压恢复器的元器件发生故障时，需要停机，然后对设备进行维护，不能实现不停机更换故障的元器件。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于功率单元级联的10kV动态电压恢复器，其能实现不停机更换故障功率单元。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种基于功率单元级联的10kV动态电压恢复器，其特征在于，其包括单输入多输出变压器、三十个功率单元、三十个机械旁路机构、三个LC滤波电路，每个LC滤波电路均由一个电感和一个电容串联组成，单输入多输出变压器将电网电压变换为三十路输出的三相电压，每一路输出电压接至一组功率单元的输入端；十个功率单元为一组，每一组功率单元的输出端级联后经过一个LC滤波电路串入电网，每个功率单元的输出端并联一个机械旁路机构。
优选地，所述功率单元包括第一保险丝、第二保险丝、第三保险丝、第一PWM整流电路、第二PWM整流电路、第三PWM整流电路、直流电容、第一PWM逆变电路、第二PWM逆变电路和电子旁路机构，第一PWM整流电路包括相互串联的第一IGBT管和第二IGBT管，第二PWM整流电路包括相互串联的第三IGBT管和第四IGBT管，第三PWM整流电路包括相互串联的第五IGBT管和第六IGBT管，第一保险丝接在第一IGBT管和第二IGBT管之间，第二保险丝接在第三IGBT管和第四IGBT管之间，第三保险丝接在第五IGBT管和第六IGBT管之间，第一PWM整流电路、第二PWM整流电路、第三PWM整流电路构成三相PWM整流电路，第一PWM逆变电路包括相互串联的第七IGBT管和第八IGBT管，第二PWM逆变电路包括相互串联的第九IGBT管和第十IGBT管，第一PWM逆变电路和第二PWM逆变电路构成单相PWM逆变电路，三相PWM整流电路的六个IGBT管给直流电容充电，直流电容的输出接单相PWM逆变电路，单相PWM逆变电路的输出接至电子旁路机构的两端，电子旁路机构由双向可控硅构成，双向可控硅的输出接到功率单元的输出端。
优选地，所述三相PWM整流电路和直流电容组成功率单元的储能装置。
优选地，所述机械旁路机构由短接铜片、绝缘连杆、连动杆、旋转手柄组成。
本发明的积极进步效果在于：功率单元内部采用常规IGBT管构成PWM整流电路和PWM逆变电路，可以实现能量双向流动，电网电压跌落时，功率单元可以从吸收电网能量，对负载侧电网电压跌落进行补偿；电网电压突升时，功率单元可以从负载侧吸收突升电压，由装置回馈到电网，同时，模块化的设计，提高了10kV动态电压恢复器的可维护性；功率单元输出端级联也可以满足10kV动态电压恢复器的应用要求。功率单元内部三相PWM整流电路能够减少整流单元对电网谐波和功率因素的影响；功率单元内部三相PWM整流电路和直流电容构成的储能装置，能够保证电网电压在一定范围波动时直流电容电压的稳定，提高动态电压恢复器的补偿能力。功率单元内部的双向可控硅构成的电子旁路机构，可以在功率单元出现故障时，让主回路电流经双向可控硅流过，使故障功率单元内的元件脱离主回路，保证系统在1-2个功率单元出现故障时，仍可以正常运行；故障功率单元外部的机械旁路机构可以将故障功率单元脱离系统；电子旁路机构和机械旁路机构的联合作用可以实现故障功率单元的不停机更换，提高了10kV动态电压恢复器的可靠性。
附图说明
图1为本发明基于功率单元级联的10kV动态电压恢复器的原理示意图。
图2为本发明基于功率单元级联的10kV动态电压恢复器中的功率单元的原理示意图。
图3为本发明基于功率单元级联的10kV动态电压恢复器中的功率单元抽屉的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明基于功率单元级联的10kV动态电压恢复器包括单输入多输出变压器11、三十个功率单元30-59、三十个机械旁路机构60-89、第一LC滤波电路、第二LC滤波电路和第三LC滤波电路，利用单输入多输出变压器11将电网10kV电压变换为三十路690V输出的三相电压，每一路输出电压接至一组功率单元的输入端；十个功率单元为一组，共三组，分别对应电网A、B、C相级联电路。第一LC滤波电路包括相互串联的第一电容24和第一电感21，第二LC滤波电路包括相互串联的第二电容25和第二电感22，第三LC滤波电路包括相互串联的第三电容26和第三电感23。将A相级联电路的十个功率单元30-39的输出端依次相连，十个功率单元的输出端级联后经过第一LC滤波电路串入电网，同时，每个功率单元的输出端并联一个机械旁路机构60-69；将B相级联电路的十个功率单元40-49的输出端依次相连，十个功率单元的输出端级联连接后的输出经过第二LC滤波电路串入电网，同时，每个功率单元的输出端并接一个机械旁路机构70-79，同理，将C相级联电路的十个功率单元50-59的输出端依次相连，十个功率单元的输出端级联连接后的输出经过第三LC滤波电路串入电网，同时，每个功率单元的输出端并联一个机械旁路机构80-89。
如图2所示，功率单元包括第一保险丝111、第二保险丝112、第三保险丝113、第一PWM(Pulse Width Modulation，脉宽调制)整流电路、第二PWM整流电路、第三PWM整流电路、直流电容131、第一PWM逆变电路、第二PWM逆变电路和电子旁路机构，第一PWM整流电路包括相互串联的第一IGBT管(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘三双极型功率管)121和第二IGBT管122，第二PWM整流电路包括相互串联的第三IGBT管123和第四IGBT管124，第三PWM整流电路包括相互串联的第五IGBT管125和第六IGBT管126，第一保险丝111接在第一IGBT管121和第二IGBT管122之间，第二保险丝112接在第三IGBT管123和第四IGBT管124之间，第三保险丝113接在第五IGBT管125和第六IGBT管126之间，第一PWM整流电路、第二PWM整流电路、第三PWM整流电路构成三相PWM整流电路，第一PWM逆变电路包括相互串联的第七IGBT管141和第八IGBT管142，第二PWM逆变电路包括相互串联的第九IGBT管143和第十IGBT管144，第一PWM逆变电路和第二PWM逆变电路构成单相PWM逆变电路。功率单元输入端经三个保险丝接至三相PWM整流电路，三相PWM整流电路和直流电容131组成功率单元的储能装置，电路接通后，由检测电路板、运算电路板以及PWM信号发生电路板组成的控制系统控制三相PWM整流电路的六个IGBT管121-126给直流电容131充电，保证直流电容电压的稳定。直流电容131的输出接单相PWM逆变电路，当电网电压出现暂降时，控制系统控制单相PWM逆变电路的四个IGBT管141-144产生逆变输出。单相PWM逆变电路的输出接至电子旁路机构151的两端，电子旁路机构151由双向可控硅构成。双向可控硅的输出接到功率单元的输出端。当电网电压出现突升时，控制系统控制四个IGBT管141-144吸收电压突升，通过PWM整流电路的六个IGBT管121-126将能量回馈电网。
如图3所示，单个功率单元内的器件(图2所示)均安装在功率单元抽屉d内。a、b、c为安装在功率单元抽屉上的输入插件，e、f为安装在功率单元抽屉上的输出插件；A、B、C为安装在柜架上的输入插座端子，E、F为安装在柜架上的输出插座端子。机械旁路机械由短接铜片D、绝缘连杆G、连动杆H、旋转手柄组成J。通过旋转旋转手柄J，通过连动杆H和绝缘连杆G，带动短接铜片D左右运动，可以使短接铜片D将输出插座端子E、F短接或者断开。当短接铜片D将输出插座端子E、F短接后，可以在不停机的状态下将功率单元抽屉从系统中抽出。
本发明基于功率单元级联的10kV动态电压恢复器的工作过程如下：
控制系统中的检测电路板通过电压传感器和AD(模拟数字)芯片将电网电压值转换为数字量，通过总线传送给数据处理板，数据处理板通过基于瞬时无功理论的动态电压跌落检测算法对电网电压进行实时监测，当电网电压跌落或凸起时，数据处理板根据实时电压值计算出需要补偿的电压，控制PWM信号发生电路板产生所需要的PWM信号，控制各个功率单元内的IGBT器件，补偿电网电压。
本发明基于功率单元级联的10kV动态电压恢复器不停机更换故障功率单元的工作过程如下以图1所示的一个功率单元35发生故障为例进行说明。当功率单元35发生故障时，则图2所示功率单元内的十个IGBT管停止工作，功率单元内的电子旁路机构151闭合，主电路电流流过故障功率单元35的电子旁路机构151，使该功率单元内的元件脱离主电路，10kV动态电压恢复器不停机仍可继续工作。此时，可将故障的功率单元35对应的机械旁路机构65闭合，断开故障的功率单元35内的电子旁路机构151，该故障的功率单元与系统完全脱离，可在不停机的情况下，将故障功率单元35取出，更换新的功率单元35。新的功率单元35更换好后，闭合功率单元35内的电子旁路机构151，断开功率单元35对应的机械旁路机构65，通过控制系统，控制功率单元内的十个IGBT管开始工作，同时，断开功率单元内的电子旁路机构151，新的功率单元投入工作。
本发明功率单元内部采用常规IGBT管构成PWM整流电路和PWM逆变电路，可以实现能量双向流动，电网电压跌落时，功率单元可以从吸收电网能量，对负载侧电网电压跌落进行补偿；电网电压突升时，功率单元可以从负载侧吸收突升电压，由装置回馈到电网，同时，模块化的设计，提高了10kV动态电压恢复器的可维护性；功率单元输出级联也可以满足10kV动态电压恢复器的应用要求。功率单元内部三相PWM整流电路能够减少整流单元对电网谐波和功率因素的影响；功率单元内部三相PWM整流电路和直流电容构成的储能装置，能够保证电网电压在一定范围波动时直流电容电压的稳定，提高动态电压恢复器的补偿能力。功率单元内部的双向可控硅构成的电子旁路机构，可以在功率单元出现故障时，让主回路电流经双向可控硅流过，使故障功率单元内的元件脱离主回路，保证系统在1-2个功率单元出现故障时，仍可以正常运行；故障功率单元外部的机械旁路机构可以将故障功率单元脱离系统；电子旁路机构和机械旁路机构的联合作用可以实现故障单元的不停机更换，提高了系统的可靠性。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (4)

1.一种基于功率单元级联的10kV动态电压恢复器，其特征在于，其包括单输入多输出变压器、三十个功率单元、三十个机械旁路机构、三个LC滤波电路，每个LC滤波电路均由一个电感和一个电容串联组成，单输入多输出变压器将电网电压变换为三十路输出的三相电压，每一路输出电压接至一组功率单元的输入端；十个功率单元为一组，每一组功率单元的输出端级联后经过一个LC滤波电路串入电网，每个功率单元的输出端并联一个机械旁路机构。
2.如权利要求1所述的基于功率单元级联的10kV动态电压恢复器，其特征在于，所述功率单元包括第一保险丝、第二保险丝、第三保险丝、第一PWM整流电路、第二PWM整流电路、第三PWM整流电路、直流电容、第一PWM逆变电路、第二PWM逆变电路和电子旁路机构，第一PWM整流电路包括相互串联的第一IGBT管和第二IGBT管，第二PWM整流电路包括相互串联的第三IGBT管和第四IGBT管，第三PWM整流电路包括相互串联的第五IGBT管和第六IGBT管，第一保险丝接在第一IGBT管和第二IGBT管之间，第二保险丝接在第三IGBT管和第四IGBT管之间，第三保险丝接在第五IGBT管和第六IGBT管之间，第一PWM整流电路、第二PWM整流电路、第三PWM整流电路构成三相PWM整流电路，第一PWM逆变电路包括相互串联的第七IGBT管和第八IGBT管，第二PWM逆变电路包括相互串联的第九IGBT管和第十IGBT管，第一PWM逆变电路和第二PWM逆变电路构成单相PWM逆变电路，三相PWM整流电路的六个IGBT管给直流电容充电，直流电容的输出接单相PWM逆变电路，单相PWM逆变电路的输出接至电子旁路机构的两端，电子旁路机构由双向可控硅构成，双向可控硅的输出接到功率单元的输出端。
3.如权利要求1所述的基于功率单元级联的10kV动态电压恢复器，其特征在于，所述三相PWM整流电路和直流电容组成功率单元的储能装置。
4.如权利要求1所述的基于功率单元级联的10kV动态电压恢复器，其特征在于，所述机械旁路机构由短接铜片、绝缘连杆、连动杆、旋转手柄组成。
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