CN101859157B - 电流补偿型交流稳压装置 - Google Patents

Abstract

电流补偿型交流稳压装置，它涉及交流稳压装置。它为解决现有电网中存在的动态电压跌落、稳态电压下降等电压质量差的问题而提出。交流开关、阻抗网络和无功发生补偿模块均分别装设在电网侧和负载侧之间的三相电力母线上，阻抗网络模块的三个阻抗单元分别串接在三相电力母线的A、B和C相母线上；每个单相交流开关与一个阻抗单元并联连接；无功发生补偿模块并联在三相电力母线上；控制模块的六路开关控制信号输出端连交流开关的六路开关控制信号输入端；控制模块的六路无功发生控制信号输出端连无功发生补偿模块的六路无功发生控制信号输入端。本发明有效地消除了因电网中存在的动态电压跌落、稳态电压下降所引起的问题。本发明可广泛适用于对电压质量要求较高的场合。

Description

电流补偿型交流稳压装置

技术领域

本发明涉及一种交流稳压装置。

背景技术

目前，电网中的动态电能质量问题主要包括电压跌落、电压浪涌以及瞬时供电中断。电压跌落问题己成为影响电力设备正常、安全运行的最严重的动态电能质量问题之一。在现代工业生产中，电压跌落引起厂家的产品质量下降，甚至导致全厂生产过程中断，从而造成巨大的经济损失。在新能源发电中，电压跌落将引起发电机组过压、过流和超速，使发电场大面积切机，严重时甚至导致电网崩溃。

除此之外，稳态电压下降问题在很多大中型生产企业也十分严重。因长距离输配电和用电过载导致末端电压下降，大量电机冲击起动导致供电电压降低，这些由于配电侧引起的电压下降问题严重制约企业的工作效率，干扰正常的生产秩序，影响产品质量并带来质量隐患。因此如何抑制电压跌落对敏感电力用户的干扰、提高新能源发电场对电压跌落的适应能力和改善配电系统的电压质量，己成为摆在电力研究人员面前十分迫切的问题。

发明内容

本发明为了解决现有电网中存在的动态电压跌落、稳态电压下降等电压质量差所引起的问题，而提出电流补偿型交流稳压装置。

电流补偿型交流稳压装置，它包括交流开关模块、阻抗网络模块、无功发生补偿模块和控制模块；所述交流开关模块由三个相同的单相交流开关组成；所述阻抗网络模块由三个相同的阻抗单元组成；所述交流开关模块、阻抗网络模块和无功发生补偿模块均分别装设在电网侧和负载侧之间的三相电力母线上；所述阻抗网络模块的三个相同的阻抗单元分别串接在三相电力母线的A相母线、B相母线和C相母线上；所述每个单相交流开关与一个阻抗单元并联连接；所述无功发生补偿模块并联在三相电力母线上，所述控制模块的六路开关控制信号输出端与交流开关模块的六路开关控制信号输入端相连，所述控制模块的六路无功发生控制信号输出端与无功发生补偿模块的六路无功发生控制信号输入端相连。

本发明有效地消除了因电网中存在的动态电压跌落、稳态电压下降所引起的问题。本发明具有如下优点；1、通过采用电流补偿的方式实现稳压，不但提高了装置的可靠性，还降低装置成本；2、无功发生补偿模块3的投入可给电网提供无功支撑；3、通过采用不对称电流补偿方式，可抑制电压不平衡；4、在三相电力母线上串联阻抗网络模块2可吸收暂态能量，抑制冲击电流，保护电力设备的安全运行；5、通过串联阻抗网络模块2和无功发生补偿模块3配合可动态调节末端电压。本发明可广泛适用于对风力发电系统以及电压质量要求较高的场合。

附图说明

图1为具体实施方式一的结构示意图；图2为具体实施方式八的结构示意图；图3为本发明所述装置提升电压时电网侧相电压的波形图；图4为本发明所述装置提升电压时负载侧相电压的波形图；图5为本发明所述装置提升电压时阻抗网络模块2两端压降的波形图；图6为本发明所述装置提升电压时线路电流的波形图；图7为本发明所述装置实现稳态功能时电网侧相电压的波形图；图8为本发明所述装置实现稳态功能时负载侧相电压的波形图；图9为本发明所述装置实现稳态功能时阻抗网络模块2两端压降的波形图；图10为本发明所述装置实现稳态功能时线路电流的波形图；图11为本发明所述装置采用自然换流方式闭合交流开关模块1时电网侧相电压的波形图；图12为本发明所述装置采用自然换流方式闭合交流开关模块1时负载侧相电压的波形图；图13为本发明所述装置采用自然换流方式闭合交流开关模块1时阻抗网络模块2两端压降的波形图；图14为本发明所述装置采用自然换流方式闭合交流开关模块1时线路电流的波形图；图15为为了减小交流开关模块1闭合时的冲击电流采用软闭合的控制方式时电网侧相电压的波形图；图16为为了减小交流开关模块1闭合时的冲击电流采用软闭合的控制方式时阻抗网络模块2两端压降的波形图；图17为为了减小交流开关模块1闭合时的冲击电流采用软闭合的控制方式时通过交流开关模块1的电流的波形图；图18为为了减小交流开关模块1闭合时的冲击电流采用软闭合的控制方式时通过阻抗网络模块2的电流的波形图；图19为为了减小交流开关模块1闭合时的冲击电流采用软闭合的控制方式时负载侧电流的波形图；图20为当电网电压跌落时，本发明所述装置向电网提供无功功率的曲线图；图21为本发明所述装置应用于风力发电中，当电压跌落时进行补偿时的电网侧相电压波形示意图，图22为本发明所述装置应用于风力发电中，当电压跌落时进行补偿时的风力发电机机端电压波形示意图，图23为本发明所述装置应用于风力发电中，当电压跌落时进行补偿时的阻抗网络模块2两端压降的波形示意图，图24为本发明所述装置应用于风力发电中，当电压跌落时进行补偿时的风力发电机定子电流波形示意图，图25为本发明所述装置应用于风力发电中，当电压跌落时进行补偿时的风力发电机转速示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式包括交流开关模块1、阻抗网络模块2、无功发生补偿模块3和控制模块4；所述交流开关模块1由三个相同的单相交流开关11组成；所述阻抗网络模块2由三个相同的阻抗单元21组成；所述交流开关模块1、阻抗网络模块2和无功发生补偿模块3均分别装设在电网侧和负载侧之间的三相电力母线上；所述阻抗网络模块2的三个相同的阻抗单元21分别串接在三相电力母线的A相母线、B相母线和C相母线上；所述每个单相交流开关11与一个阻抗单元21并联连接；所述无功发生补偿模块3并联在三相电力母线上，所述控制模块4的六路开关控制信号输出端与交流开关模块1的六路开关控制信号输入端相连，所述控制模块4的六路无功发生控制信号输出端与无功发生补偿模块3的六路无功发生控制信号输入端相连。

 具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于它还增加了多个交流开关模块1和多个阻抗网络模块2；所述多个交流开关模块1的结构和装设方式均相同；所述多个阻抗网络模块2的结构和装设方式均相同；所述每个交流开关模块1由三个相同的单相交流开关11组成；所述每个阻抗网络模块2由三个相同的阻抗单元21组成；所述多个交流开关模块1和多个阻抗网络模块2均分别装设在电网侧和负载侧之间的三相电力母线上；所述每个阻抗网络模块2的三个相同的阻抗单元21分别串接在三相电力母线的A相母线、B相母线和C相母线上；所述每个交流开关模块1的每个单相交流开关11与一个阻抗单元21并联连接。 其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同点在于它还增加了多个交流开关模块1、多个阻抗网络模块2和多个无功发生补偿模块3；所述多个交流开关模块1的结构和装设方式均相同；所述多个阻抗网络模块2的结构和装设方式均相同；所述多个无功发生补偿模块3的结构和装设方式均相同；所述每个交流开关模块1由三个相同的单相交流开关11组成；所述每个阻抗网络模块2由三个相同的阻抗单元21组成；所述多个交流开关模块1、多个阻抗网络模块2和多个无功发生补偿模块3均分别装设在电网侧和负载侧之间的三相电力母线上；所述每个阻抗网络模块2的三个相同的阻抗单元21分别串接在三相电力母线的A相母线、B相母线和C相母线上；所述每个交流开关模块1的每个单相交流开关11与一个阻抗单元21并联连接；所述每个无功发生补偿模块3并联在三相电力母线上。其它组成和连接方式与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：    结合图1、图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一、二或三不同点在于交流开关模块1的单相交流开关11采用双向晶闸管式交流开关。其它组成和连接方式与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：    结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四不同点在于无功发生补偿模块3采用有源无功发生补偿模块或无源无功发生补偿模块。其它组成和连接方式与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：    本实施方式与具体实施方式四的不同点在于无功发生补偿模块3由三个相同的单相无功补偿单元31组成；所述三个相同的单相无功补偿单元31的连接方式采用三相角接的连接方式或星接的连接方式。其它组成和连接方式与具体实施方式四相同。

具体实施方式七：    结合图1、图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四不同点在于所述单相交流开关11由第一晶闸管KG1和第二晶闸管KG2组成；所述第一晶闸管KG1的阳极与第二晶闸管KG2的阴极相连，第一晶闸管KG1的阴极与第二晶闸管KG2的阳极相连；所述第一晶闸管KG1的阳极和第一晶闸管KG1的阴极即为单相交流开关11的两个接线端；所述第一晶闸管KG1的门极和第二晶闸管KG2的门极即为交流开关模块1的两路开关控制信号输出端。其它组成和连接方式与具体实施方式四相同。

具体实施方式八：    结合图1、图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四的不同点在于阻抗网络模块2的阻抗单元21由电阻R和第一电感L1组成；所述电阻R的一端与第一电感L1的一端相连，所述电阻R的另一端和第一电感L1的另一端即为阻抗单元21的两个接线端。其它组成和连接方式与具体实施方式四相同。

具体实施方式九：    结合图1、图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四不同点在于所述无功发生补偿模块3的单相无功补偿单元31由电容C、第二电感L2、第三晶闸管KG3和第四晶闸管KG4组成；所述第二电感L2的一端同时与第三晶闸管KG3的阴极和第四晶闸管KG4的阳极相连；第三晶闸管KG3的阳极同时与第四晶闸管KG4的阴极和电容C的一端相连；所述电容C的另一端和第二电感L2的另一端即为单相无功补偿单元31的两个接线端，所述第三晶闸管KG3的门极和第四晶闸管KG4的门极即为无功发生补偿模块3的两路无功发生控制信号输入端。其它组成和连接方式与具体实施方式四相同。

具体实施方式十：    本实施方式与具体实施方式四不同点在于交流开关模块1的单相交流开关11采用由半导体器件和机械开关组成的复合开关。其它组成和连接方式与具体实施方式四相同。

本发明的工作原理：

     参见图1，当控制模块4检测到电网电压异常时，控制交流开关模块1处于断开状态，阻抗网络模块2串联投入，同时控制模块4控制无功发生补偿模块3发出无功功率，当流经阻抗网络模块2的阻抗单元21后形成压降，提升了电压水平；当控制模块4检测到电网电压正常时，控制交流开关模块1处于闭合状态，电网侧和负载侧正常连接，同时控制模块4根据无功补偿的需要控制无功发生补偿模块3投入相应的无功功率。

无功发生补偿模块3可以采用三相角接的晶闸管投切电容器（TSC），并根据电压水平和功率因数状况通过电容分组投切实现电压的分级调节。无功发生补偿模块3也可以是其它形式的动态无功补偿装置，如无源型的SVC或有源型的SVG。

交流开关模块1断开使阻抗网络模块2投入后，无功发生补偿模块3的投入将使阻抗网络模块2流过一定的无功电流，该无功电流在阻抗网络模块2上形成压降，从而使得在电网电压跌落或下降时提升电网机端电压到合适的水平。参见图3至图6， 图3至图6表述的为提升电压的波形图，图3为电网侧电压的波形图、图4为负载侧电压的波形图、图5为阻抗单元两端压降的波形图和图6为线路电流的波形图。由图3至图6可见，本发明具有明显的电压提升能力；通过无功发生补偿模块3发出无功功率，在串联阻抗网络模块2上形成压降，从而达到稳态功能。参见图7至图10，当电网侧电压由小变大时，无功发生补偿模块3发出的无功电流随之变小，同时保持负载侧电压基本保持不变，实现稳压功能。

参见图11至图14，给出了本发明采用自然换流方式闭合交流开关模块1的波形图。当电网电压从异常到恢复正常时，交流开关模块1是断开的，阻抗网络模块2串联在电网侧和负载侧之间，此时电网侧电压正常，负载侧电压也基本达到正常水平，二者的幅值相差很小，但由于二者存在相位差，因此阻抗网络模块2上的压降也有一定的值。电压正常后，各相开关在过零时刻导通闭合，尽量减小电流冲击，但由图14可见，在闭合瞬间，还是存在较大的冲击电流。

参见图15至图19，为了减小交流开关模块1闭合时的冲击电流，本发明提出软闭合的控制方式，并给出了软闭合控制方法下的电网侧电压、阻抗网络模块2两端压降、通过交流开关模块1的电流、通过阻抗网络模块2的电流和负载侧电流工作波形图。控制模块4通过逐渐增大导通角的方式，使原来流过阻抗网络模块2的电流逐渐向交流开关模块1转移，这样阻抗网络模块2两端的压降也就逐渐减小，当减小到零时完全闭合交流开关模块1，使冲击减小到最低程度。

参见图20，当电压跌落时，随着电压的下降，本发明提供的无功电流越来越大，可见，在以稳压为目标时，本装置向电网提供了大量的无功功率。

本发明所述装置用于新能源风力发电中时，所采用的控制方式是：当电网侧发生故障导致电压跌落时，控制模块4立即断开交流开关模块1，以接入阻抗网络模块2，同时根据电压跌落情况投入无功发生补偿模块3；在电压跌落期间，控制模块4根据电压跌落程度通过无功控制改善电网机端电压水平；当控制模块4检测到电网恢复正常后，闭合交流开关模块1，切除阻抗网络模块2，恢复风力发电机组和电网之间的正常连接。

上述在电网恢复正常后闭合交流开关模块1的方式是这样的：为了减小闭合交流开关模块1的电流和电压冲击，而采用变触发角控制三相交流开关软闭合的方式。由于在闭合前时刻，风力发电机定子电流通过阻抗网络模块2，阻抗网络模块2两端就会有一定的压降，如果直接合交流开关模块1，必将引起电流和电压冲击，从而对发电机和电网造成损害。本装置逐渐减小交流开关模块1的可控硅的触发角，使流过阻抗网络模块2的电流向交流开关模块1分流，同时阻抗网络模块2上的压降逐渐减小，最后减到足够小后全部导通交流开关模块1，实现交流开关模块1的软闭合，最大限度的保证电网和发电机免受二次冲击。

参见图21至图25，给出了本发明应用于风力发电电压跌落的工作波形示意图，图21为电网侧电压的波形示意图、图22为机端侧电压的波形示意图、图23为阻抗单元两端压降的波形示意图、图24为定子电流的波形示意图和图25为电机转速的波形示意图，为了便于观察稳压效果，假定电压跌落一段时间后缓慢恢复。当电压跌落后，由于阻抗网络模块2和无功发生补偿模块3的配合控制，阻抗网络模块2两端压降随电压跌落程度进行变化，始终保证机端电压在正常水平。当本发明所述装置投入后，定子电流运行平稳，且电机转速没有较大的波动，实现低电压穿越，可较好的帮助风力发电机组在电网故障期间正常运行。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (6)

1.电流补偿型交流稳压装置，其特征在于它包括交流开关模块(1)、阻抗网络模块(2)、无功发生补偿模块(3)和控制模块(4)；所述交流开关模块(1)由三个相同的单相交流开关(11)组成；所述单相交流开关(11)由第一晶闸管(KG1)和第二晶闸管(KG2)组成；所述第一晶闸管(KG1)的阳极与第二晶闸管(KG2)的阴极相连，第一晶闸管(KG1)的阴极与第二晶闸管(KG2)的阳极相连；所述第一晶闸管(KG1)的阳极和第一晶闸管(KG1)的阴极即为单相交流开关(11)的两个接线端；所述第一晶闸管(KG1)的门极和第二晶闸管(KG2)的门极即为交流开关模块(1)的两路开关控制信号输入端；所述阻抗网络模块(2)由三个相同的阻抗单元(21)组成；无功发生补偿模块(3)由三个相同的单相无功补偿单元(31)组成；所述三个相同的单相无功补偿单元(31)的连接方式采用三相角接的连接方式或星接的连接方式；所述无功发生补偿模块(3)的单相无功补偿单元(31)由电容(C)、第二电感(L2)、第三晶闸管(KG3)和第四晶闸管(KG4)组成；所述第二电感(L2)的一端同时与第三晶闸管(KG3)的阴极和第四晶闸管(KG4)的阳极相连；第三晶闸管(KG3)的阳极同时与第四晶闸管(KG4)的阴极和电容(C)的一端相连；所述电容(C)的另一端和第二电感(L2)的另一端即为单相无功补偿单元(31)的两个接线端，所述第三晶闸管(KG3)的门极和第四晶闸管(KG4)的门极即为无功发生补偿模块(3)的两路无功发生控制信号输入端；所述无功发生补偿模块(3)中第一单相无功补偿单元(31)中的第二电感(L2)的另一端同时与第三单相无功补偿单元(31)中的电容(C)的另一端和三相电力母线的A相母线相连；第二单相无功补偿单元(31)中的第二电感(L2)的另一端同时与第一单相无功补偿单元(31)中的电容(C)的另一端和三相电力母线的B相母线相连；第三单相无功补偿单元(31)中的第二电感(L2)的另一端同时与第二单相无功补偿单元(31)中的电容(C)的另一端和三相电力母线的C相母线相连；所述交流开关模块(1)、阻抗网络模块(2)和无功发生补偿模块(3)均分别装设在电网侧和负载侧之间的三相电力母线上；所述阻抗网络模块(2)的三个相同的阻抗单元(21)分别串接在三相电力母线的A相母线、B相母线和C相母线上；所述每个单相交流开关(11)与一个阻抗单元(21)并联连接；所述控制模块(4)的六路开关控制信号输出端与交流开关模块(1)的六路开关控制信号输入端相连，所述控制模块(4)的六路无功发生控制信号输出端与无功发生补偿模块(3)的六路无功发生控制信号输入端相连。

2.根据权利要求1所述的电流补偿型交流稳压装置，其特征在于它还包括多个交流开关模块(1)和多个阻抗网络模块(2)；所述交流开关模块(1)的数量与阻抗网络模块(2)的数量相同，且每个交流开关模块(1)各自对应一个阻抗网络模块(2)；所述每个交流开关模块(1)由三个相同的单相交流开关(11)组成；所述每个阻抗网络模块(2)由三个相同的阻抗单元(21)组成；所述多个交流开关模块(1)和多个阻抗网络模块(2)均分别装设在电网侧和负载侧之间的 三相电力母线上；所述每个阻抗网络模块(2)的三个相同的阻抗单元(21)分别串接在三相电力母线的A相母线、B相母线和C相母线上；所述每个交流开关模块(1)的每个单相交流开关(11)与一个阻抗单元(21)并联连接；所述控制模块(4)还包括多组六路开关控制信号输出端，每组六路开关控制信号输出端分别对应地与一个交流开关模块(1)的六路开关控制信号输入端相连。

3.根据权利要求1所述的电流补偿型交流稳压装置，其特征在于它还包括多个交流开关模块(1)、多个阻抗网络模块(2)和多个无功发生补偿模块(3)；所述交流开关模块(1)的数量与阻抗网络模块(2)的数量相同，且每个交流开关模块(1)各自对应一个阻抗网络模块(2)；所述每个交流开关模块(1)由三个相同的单相交流开关(11)组成；所述每个阻抗网络模块(2)由三个相同的阻抗单元(21)组成；所述多个交流开关模块(1)、多个阻抗网络模块(2)和多个无功发生补偿模块(3)均分别装设在电网侧和负载侧之间的三相电力母线上；所述每个阻抗网络模块(2)的三个相同的阻抗单元(21)分别串接在三相电力母线的A相母线、B相母线和C相母线上；所述每个交流开关模块(1)的每个单相交流开关(11)与一个阻抗单元(21)并联连接；所述控制模块(4)还包括多组六路开关控制信号输出端，每组的六路开关控制信号输出端分别对应地与一个交流开关模块(1)的六路开关控制信号输入端相连；所述控制模块(4)还包括多组六路无功发生控制信号输出端，每组六路无功发生控制信号输出端分别对应地与一个无功发生补偿模块(3)的六路无功发生控制信号输入端相连。

4.根据权利要求1、2或3所述的电流补偿型交流稳压装置，其特征在于交流开关模块(1)的单相交流开关(11)采用双向晶闸管式交流开关。

5.根据权利要求4所述的电流补偿型交流稳压装置，其特征在于无功发生补偿模块(3)采用有源无功发生补偿模块或无源无功发生补偿模块。

6.根据权利要求4所述的电流补偿型交流稳压装置，其特征在于阻抗网络模块(2)的阻抗单元(21)由电阻(R)和第一电感(L1)组成；所述电阻(R)的一端与第一电感(L1)的一端相连，所述电阻(R)的另一端和第一电感(L1)的另一端即为阻抗单元(21)的两个接线端。 

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