CN101841233B - 基于ac/ac变换器的动态电压补偿装置 - Google Patents

Abstract

一种电力电子技术领域的基于AC/AC变换器的动态电压补偿装置，包括：交流电源、功率变换主电路模块、驱动电路模块、控制信号发生模块、变压器模块、检测模块和辅助电源模块，其中：交流电源分别与功率变换主电路模块、变压器模块以及辅助电源模块相连，功率变换主电路模块分别与驱动电路模块和变压器模块相连，驱动电路模块与控制信号发生模块相连，检测模块分别与功率变换主电路模块和控制信号发生模块相连，辅助电源模块分别与驱动电路模块、控制信号发生模块和检测模块相连。本发明不需要使用大容量电容或电感，成本低，易于实现；具有过流保护功能；能够控制补偿电压极性与幅值，当输入电压发生突升或跌落时，都能够保持输出电压稳定。

Description

基于AC/AC变换器的动态电压补偿装置

技术领域

本发明涉及的是一种电力电子技术领域的装置，具体是一种基于AC/AC(交流/交流)变换器的动态电压补偿装置。

背景技术

电压跌落，是指电压幅值下降至额定电压幅值的10％-90％，持续时间为半个周期到几秒的一种现象。大部分电压跌落是由于配电线路的短路故障，感应电机启动等因素造成的。

电压突升，是指电压幅值突然上升的现象。主要是雷击使得线路产生的瞬间电压升高或者断路器的操作、线路故障或其他原因使系统参数发生变化，引起电压升高。

当供电电压出现突升或跌落情况时，无功静态稳定破坏，有可能将发生电压崩溃，造成大面积停电事故；电网输送的有功功率减少；变电设备因运行电压变化而增加能耗，每次电压跌落或突升都有可能造成重大经济损失或政治影响。因此通过动态电压调节，快速稳定供电电压，保证电力安全有很重要的现实意义。

经对现有文献检索发现，中国专利公开号为：CN201035433Y，名称为：能量双向流动的电压调节器，该技术采用DSP控制双PWM变换器实现能量对电网的能量补偿，但是该技术通过电容充放电实现能量补偿，需要使用大容量电容，成本比较高，寿命比较短。

又经检索发现，中国专利公开号为：CN101521385A，名称为：用于三相电源系统的动态电压补偿器，该技术采用两路动态电压补偿器实现三相电压补偿，但是该技术同样需要能量储存装置(如电池、电容或其他能量存储元件)来实现电压补偿，使得拓扑结构比较复杂，成本较高。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提出了一种基于AC/AC变换器的动态电压补偿装置。本装置设计简单，可靠性高，成本较低，不需要使用能量存储装置，且增加了过流保护功能，能输出稳定的补偿电压，不仅仅能够补偿电压跌落，对于电压突升也能够较好的补偿效果，快速稳定负载电压。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括：交流电源、功率变换主电路模块、驱动电路模块、控制信号发生模块、变压器模块、检测模块和辅助电源模块，其中：交流电源分别与功率变换主电路模块、变压器模块以及辅助电源模块相连传输交流电源，功率变换主电路模块与驱动电路模块相连传输驱动信号，功率变换主电路模块与变压器模块相连传输补偿电压，驱动电路模块与控制信号发生模块相连传输PWM控制信号，控制信号发生模块与功率变换主电路模块相连传输补偿电压极性控制信号，检测模块与功率变换主电路模块相连传输电压电流信号，检测模块与负载相连传输电压信号，检测模块与控制信号发生模块相连传输调理检测信号，辅助电源模块分别与驱动电路模块、控制信号发生模块和检测模块相连传输直流电源，变压器模块与负载相连传输交流电能。

所述的功率变换主电路模块包括：开机过流保护电阻、输入滤波电感、输入滤波电容、四个开关、四个固态继电器、储能电感和输出滤波电容，其中：开机过流保护电阻的一端与输入滤波电感的一端相连，输入滤波电感的另一端、输入滤波电容的一端和第一开关的C极(集电极)分别两两相连，开机过流保护电阻的另一端作为功率变换主电路模块的第一个输入端口，输入滤波电容的另一端作为功率变换主电路模块的第二个输入端口，两个输入端口分别与交流电源相连传输交流电源，第一开关的E极(发射极)与第二开关的C极相连，第二开关的E极、第三开关的C极和储能电感的一端分别两两相连，第三开关的E极与第四开关的C极相连，储能电感的另一端与第一固态继电器一端、第二固态继电器一端和输出滤波电容的一端分别两两相连，输出滤波电容的另一端、第四开关的E极、第三固态继电器一端、第四固态继电器一端和输入滤波电容分别两两相连，第一固态继电器另一端与第三固态继电器另一端相连作为功率变换主电路模块的第一个输出端口，第二固态继电器另一端与第四固态继电器另一端相连作为功率变换主电路模块的第二个输出端口，第二个输出端口与变压器模块相连传输幅度可调、与交流电源同频率、同相位的正弦波电压，四个开关分别与驱动电路模块相连传输驱动信号，四个固态继电器分别与控制信号发生模块相连传输控制信号，检测模块分别与两个输入端口、负载和储能电感相连传输电压电流信号。

所述的开关是IGBT(绝缘栅双极晶体管)，或者是MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)。

所述的固态继电器是交流固态继电器。

所述的驱动电路模块包括：四个驱动电路，其中：每个驱动电路分别与功率变换主电路模块相连传输驱动信号，辅助电源模块和控制信号发生模块分别与每个驱动电路相连传输直流电源和PWM(脉冲宽度调制)控制信号。

所述的控制信号发生模块是数字信号处理器、微控制器和CPLD(复杂的可编程逻辑器)中的一种。

所述的变压器模块是工频隔离变压器。

所述的检测模块包括：两个电压互感器、电流互感器和信号调理电路，其中：第一电压互感器与功率变换主电路模块的输入端相连传输功率变换主电路模块的输入电压，第二电压互感器与负载相连传输负载电压信号，电流互感器与功率变换主电路模块相连传输电流信号，信号调理电路的输入端分别与电压互感器和电流互感器相连传输功率变换主电路模块的输入电压、负载电压和功率变换主电路模块的电流信号，信号调理电路的输出端与控制信号发生模块相连传输调理检测信号。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：不需要使用大容量的电容，电感等储能元件；直接产生四路PWM控制信号，无需使用时序互锁等专用电路，装置简单，成本低，易于实现；直接控制补偿电压的极性以及幅值；具有过流保护功能，能够保证装置安全可靠工作；能够补偿同时电压突升和跌落，输出电压稳定，输出电压的误差小于1％。

附图说明

图1是本发明的结构框图；

其中：1-功率变换主电路模块，2-驱动电路模块，3-控制信号发生模块，4-检测模块，5-辅助电源模块，6-交流电源，7-变压器模块，8-负载。

图2是功率变换主电路模块的电路原理图；

其中：R-开机过流保护电阻，L1-输入滤波电感，C1-输入滤波电容，S1-第一开关，S2-第二开关，S3-第三开关，S4-第四开关，SW1-第一固态继电器，SW2-第二固态继电器，SW3-第三固态继电器，SW4-第四固态继电器，L2-储能电感，C2-输出滤波电容，AB-输入端口，CD-输出端口。

图3是四个开关的控制信号时序图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，本实施例包括：功率变换主电路模块1、驱动电路模块2、控制信号发生模块3、检测模块4、辅助电源模块5、交流电源6和变压器模块7，其中：交流电源6分别与功率变换主电路模块1、辅助电源模块5以及变压器模块7相连传输交流电源，功率变换主电路模块1与驱动电路模块2相连传输驱动信号，驱动电路模块2与控制信号发生模块3相连传输PWM控制信号，控制信号发生模块3与功率变换主电路模块1相连传输补偿电压极性控制信号，检测模块4与功率变换主电路模块1相连传输电流电压信号，检测模块4与负载8相连传输电压信号，检测模块4与控制信号发生模块3相连传输调理检测信号，辅助电源模块5分别与驱动电路模块2、控制信号发生模块3和检测模块4相连传输直流电源，功率变换主电路模块1的输出端CD与变压器模块7原边相连传输幅度可调、与交流电源6同频率、同相位的正弦波电压，负载8与变压器模块7相连传输交流电源。

如图2所示，所述的功率变换主电路模块1包括：开机过流保护电阻R、输入滤波电感L1、输入滤波电容C1、四个开关、四个固态继电器、储能电感L2和输出滤波电容C2，其中：开机过流保护电阻R的一端与输入滤波电感L1的一端相连，输入滤波电感L1的另一端、输入滤波电容C1的一端和第一开关S1的C极分别两两相连，开机过流保护电阻R的另一端和输入滤波电容C1的另一端作为功率变换主电路模块1的输入端口AB，该输入端口AB与交流电源6相连，第一开关S1的E极与第二开关S2的C极相连，第二开关S2的E极、第三开关S3的C极和储能电感L2的一端分别两两相连，第三开关S3的E极与第四开关S4的C极相连，储能电感L2的另一端、输出滤波电容C2一端、第一固态继电器SW1的一端和第二固态继电器SW2的一端相连，输出滤波电容C2的另一端、第四开关S4的E极、第三固态继电器SW3的一端、第四固态继电器SW4的一端和输入滤波电容C1作为输入端口的那一端分别两两相连，第一固态继电器SW1的另一端和第三固态继电器SW3的另一端相连作为输出端口一端C，第二固态继电器SW2的另一端和第四固态继电器SW4的另一端相连作为输出端口另一端D，该输出端口CD与变压器模块7原边相连传输幅度可调、与交流电源同频率、同相位的正弦波电压；四个开关以及四个固态继电器分别与驱动电路模块2相连传输驱动信号；检测模块4分别与输入端口AB、负载8和储能电感L2相连传输电压电流信号。

本实施例中：输入滤波电感L1的电感值为200微亨，输入滤波电容C1的电容值为1微法，储能电感L2的电感值为1毫亨，输出滤波电容C2的电容值为1微法。

所述的开关是IR公司的型号为IRGB4061的IGBT。

所述的固态继电器是SSR-40DD-H单相交流固态继电器

所述的开机过流保护电阻R是负温度系数电阻NTC16-D20。

所述的驱动电路模块2是IR公司的IR2110芯片，该芯片包括四路驱动电路，其中：第一驱动电路与第一开关S1相连传输驱动信号，第二驱动电路与第二开关S2相连传输驱动信号，第三驱动电路与第三开关S3相连传输驱动信号，第四驱动电路与第四开关S4相连传输驱动信号辅助电源模块5和控制信号发生模块3分别与每路驱动电路相连传输直流电源和PWM控制信号。

所述的控制信号发生模块3是微控制器DSPIC30F4011，该微控制器根据检测模块4所传输的电压电流信号，应用电压稳定比例积分控制方法，得到占空比可调的25千赫兹-60千赫兹范围的高频脉宽可调控制信号，通过驱动电路模块2控制功率变换主电路模块1的四个开关的通断，从而实现调压、稳压功能；通过控制固态继电器的通断，改变补偿电压的极性；同时当电感电流超过安全值时，微控制器封锁控制信号输出，实现过流保护功能。

所述的检测模块4包括：两个电压互感器、电流互感器和标准信号调理电路，其中：第一个电压互感器与功率变换主电路模块1相连传输功率变换主电路模块1的输入电压，第二个电压互感器与负载8相连传输负载8的电压信号，电流互感器与储能电感L2相连传输电流信号，信号调理电路的输入端分别与电压互感器和电流互感器相连传输功率变换主电路模块1的输入电压、负载8的输出电压和储能电感L2的电流信号，信号调理电路的输出端与控制信号发生模块3相连传输调理检测信号。

所述的电压互感器的型号是LEM-LV28。

所述的电流互感器的型号是LEM-LA28。

所述的变压器模块7是GBK-500VA隔离变压器。

本实施例的工作过程：交流电源6分别为功率变换主电路模块1和辅助电源模块5以及变压器模块7提供交流电源，辅助电源模块5分别为驱动电路模块2、控制信号发生模块3和检测模块4提供直流电源，检测模块4检测交流电源6和负载8间的电压、功率变换主电路模块1中储能电感的电流信号，检测到的信号传递给控制信号发生模块3，控制信号发生模块3根据所接收检测信号，输出PWM控制信号给驱动电路模块2，输出补偿电压极性控制信号给功率变换主电路模块1，当电感电流超过安全值时，控制器信号发生模块3封锁PWM控制信号，保护功率变换主电路模块1安全；当电感电流小于或者等于安全值时，控制器信号发生模块3向驱动电路模块2发出PWM控制信号，进而驱动电路模块2向功率变换主电路模块1发出驱动信号，控制功率变换主电路模块1的工作，四个开关的控制信号时序如图3所示：当交流电源6电压大于零时，第一开关S1和第三开关S3处于互补交替导通状态，第二开关S2和第四开关S4导通：第一开关S1导通时，第三开关S3断开，交流电源6为负载7供电，储能电感L2充电，其电流上升，第一开关S1断开时，第三开关S3导通，储能电感L2通过第三开关S3为负载7供电，储能电感L2电流下降；当交流电源6电压小于零时，第二开关S2和第四开关S4处于互补交替导通状态，第一开关S1和第三开关S3导通：当第二开关S2导通时，第四开关S4断开，交流电源6为负载7供电，储能电感L2充电，其电流上升，当第二开关S2断开时，第四开关S4导通，储能电感L2通过第四开关S4为负载7供电，储能电感L2电流下降。变压器模块7原边电压与第一开关S1、第二开关S2控制信号脉冲宽度成正比，通过改变脉冲宽度进行电压调节，经过输出滤波电容C2后得到幅度可调、与交流电源6电压同频率、同相位的正弦波电压。四个固态继电器的控制方案为当检测负载8的电压出现电压跌落时，第一固态继电器SW1与第四固态继电器SW4导通，第二固态继电器SW2与第三固态继电器SW3断开，功率变换主电路模块1通过变压器模块7向负载8提供正相补偿电压，当检测负载8的电压出现电压突升时，第二固态继电器SW2与第三固态继电器SW3导通，第一固态继电器SW1与第四固态继电器SW4断开，功率变换主电路模块1通过变压器模块7向负载8提供反相向补偿电压，补偿电压是与交流电源6电压同频率、同相位的正弦波电压。

本实施例直接产生四路PWM控制信号，无需使用时序互锁等专用电路，装置简单，成本低，易于实现；直接控制补偿电压极性以及大小，装置简单；具有过流保护功能，能够保证装置安全可靠工作；能够补偿同时电压突升和跌落，且输出电压稳定，输出电压的误差小于1％。

Claims (8)

1.一种基于AC/AC变换器的动态电压补偿装置，其特征在于，包括：交流电源、功率变换主电路模块、驱动电路模块、控制信号发生模块、变压器模块、检测模块和辅助电源模块，其中：交流电源分别与功率变换主电路模块、变压器模块以及辅助电源模块相连传输交流电源，功率变换主电路模块与驱动电路模块相连传输驱动信号，功率变换主电路模块与变压器模块相连传输补偿电压，驱动电路模块与控制信号发生模块相连传输PWM控制信号，控制信号发生模块与功率变换主电路模块相连传输补偿电压极性控制信号，检测模块与功率变换主电路模块相连传输电压电流信号，检测模块与负载相连传输电压信号，检测模块与控制信号发生模块相连传输调理检测信号，辅助电源模块分别与驱动电路模块、控制信号发生模块和检测模块相连传输直流电源，变压器模块与负载相连传输交流电能。

2.根据权利要求1所述的基于AC/AC变换器的动态电压补偿装置，其特征是，所述的功率变换主电路模块包括：开机过流保护电阻(R)、输入滤波电感(L1)、输入滤波电容(C1)、第一至第四开关、第一至第四固态继电器、储能电感(L2)和输出滤波电容(C2)，其中：开机过流保护电阻(R)的一端与输入滤波电感(L1)的一端相连，输入滤波电感(L1)的另一端、输入滤波电容(C1)的一端和第一开关(S1)的集电极分别两两相连，开机过流保护电阻(R)的另一端和输入滤波电容(C1)的另一端作为功率变换主电路模块的输入端口(AB)，该输入端口(AB)与交流电源相连，第一开关(S1)的发射极与第二开关(S2)的集电极相连，第二开关(S2)的发射极、第三开关(S3)的集电极和储能电感(L2)的一端分别两两相连，第三开关(S3)的发射极与第四开关(S4)的集电极相连，储能电感(L2)的另一端、输出滤波电容(C2)的一端、第一固态继电器(SW1)的一端和第二固态继电器(SW2)的一端相连，输出滤波电容(C2)的另一端、第四开关(S4)的发射极、第三固态继电器(SW3)的一端、第四固态继电器(SW4)的一端和输入滤波电容(C1)作为输入端口的那一端分别两两相连，第一固态继电器(SW1)的另一端和第三固态继电器(SW3)的另一端相连作为输出端口一端(C)，第二固态继电器(SW2)的另一端和第四固态继电器(SW4)的另一端相连作为输出端口另一端(D)，该输出端口(CD)与变压器模块原边相连传输幅度可调、与交流电源同频率、同相位的正弦波电压；第一至第四开关与驱动电路模块相连传输驱动信号；第一至第四固态继电器与控制信号发生模块相连传输补偿电压极性控制信号；检测模块分别与输入端口(AB)和储能电感(L2)相连传输电压电流信号。

3.根据权利要求2所述的基于AC/AC变换器的动态电压补偿装置，其特征是，所述的第一开关(S1)、第二开关(S2)、第三开关(S3)、第四开关(S4)是绝缘栅双极晶体管，或者是金属氧化物半导体场效应管。

4.根据权利要求2所述的基于AC/AC变换器的动态电压补偿装置，其特征是，所述的第一固态继电器(SW1)、第二固态继电器(SW2)、第三固态继电器(SW3)、第四固态继电器(SW4)是交流固态继电器。

5.根据权利要求1所述的基于AC/AC变换器的动态电压补偿装置，其特征是，所述的驱动电路模块包括：四个驱动电路，其中：每个驱动电路分别与功率变换主电路模块相连传输驱动信号，辅助电源模块和控制信号发生模块分别与每个驱动电路相连传输直流电源和PWM控制信号。

6.根据权利要求1所述的基于AC/AC变换器的动态电压补偿装置，其特征是，所述的控制信号发生模块是数字信号处理器、微控制器和CPLD中的一种。

7.根据权利要求1所述的基于AC/AC变换器的动态电压补偿装置，其特征是，所述的检测模块包括：第一至第二电压互感器、电流互感器和信号调理电路，其中：第一电压互感器与功率变换主电路模块的输入端相连传输功率变换主电路模块的输入电压，第二电压互感器与负载相连传输负载电压信号，电流互感器与功率变换主电路模块相连传输电流信号，信号调理电路的输入端分别与第一、第二电压互感器和电流互感器相连传输功率变换主电路模块的输入电压、负载电压和功率变换主电路模块的电流信号，信号调理电路的输出端与控制信号发生模块相连传输调理检测信号。

8.根据权利要求1所述的基于AC/AC变换器的动态电压补偿装置，其特征是，所述的变压器模块是工频隔离变压器。

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