CN102025158B - 一种直接耦合式串联补偿装置及其补偿方法 - Google Patents

Abstract

一种直接耦合式串联补偿装置及其补偿方法，包括串联逆变器(10)、控制器(20)、切换开关(30)、负载(40)和电源(50)。控制器(20)通过电气接口(101)与电源(50)连接，通过电气接口(102)与串联逆变器(10)相接，通过电气接口(103)与负载(40)相接，通过电气接口(104)与切换开关(30)相接；切换开关(30)通过交流母线(105)与电源(50)连接，通过交流母线(106)与负载(40)连接，通过交流母线(107)与串联逆变器(10)连接。本发明通过控制器(20)采样负载(40)和电源(50)的相关信号，输出控制串联逆变器(10)和切换开关(30)，实现电源(50)发生电能质量问题时维持负载(40)电压稳定且不产生冲击电流的功能。

Description

一种直接耦合式串联补偿装置及其补偿方法

技术领域

本发明涉及一种串联补偿装置及其补偿方法。

背景技术

电力系统中各种扰动引起的动态电能质量问题主要包括电压脉冲、浪涌、电压跌落和瞬时供电中断。电压跌落和瞬时供电中断已被认为是影响许多用电设备正常、安全运行的最严重的动态电能质量问题。对设备造成的不利影响包括：电压不足，电能不能满足负荷需求，负荷停运；各种保护如欠压保护、不平衡保护等，将设备从系统中切除；复位电路误动作，从而造成巨大的经济损失。串联补偿装置通常用来改善电源电压暂降和瞬时供电间断等电能质量问题。串联补偿装置通常利用串联逆变器输出相应的补偿电压达到维持负载电压稳定的目的。

由于许多敏感负荷对于供电电压的水平要求较高，这就要求串联补偿装置必须及时迅速的按照需求进行补偿。然而在实际工作过程中，串联补偿装置并不能在电能质量问题产生的瞬时就能实现补偿，这是因为：对于判断识别电能质量问题产生与否的信号(可能存在误信号干扰，需进行软硬件滤波)有一定延迟；切换开关的状态转换需要一定的时间(开关本身需要一定的关断时间和导通时间)，即便采用一些强制措施进行处理也存在一定的时间延迟。故而，从系统发生电能质量问题到串联补偿装置进行有效补偿之间的延迟是不可避免的。

通过对切换开关设备的控制可以实现在尽可能短的时间内投入串联补偿设备，但由于该延迟时间的存在，会对变压器、感应电机等具有磁饱和特性的负载产生一定的影响，诸如磁饱和、偏磁现象。解决磁饱和和偏磁的问题有多种方法：在此类负载中串入电容器滤除直流分量以避免偏磁，或者串入电阻器限制激磁电流以削弱磁饱和，但对于电容器和电阻器的要求很高，会使得电容器和电阻器的寿命很短；如设计负载时考虑其等效感抗，但这只能弱化问题，并不能从根本上解决问题，而且成本也很高；采用采样负载电流滤出直流分量加以控制，最终使其为零的方法，虽然可行，但无疑额外增加了设备，使问题变得复杂化。

中国专利200310104029提出一种复合式串联型有源基波电力无功补偿及滤波的方法和装置，集基波电流、电压调控、负载端电压及无功功率补偿和滤波功能于一体，是一种以有源变流方式进行电网无功功率及负载端电压补偿和滤波的方法和装置。此发明只需从电网电压中获得同步信号电压并移相约90°，便可产生电流参考信号，根据负载侧电压或无功补偿信号调节电流参考信号的幅值，即可产生功率变流单元发生电流所需的给定信号。该专利虽然能够从一定程度上实现电压补偿的目的，但没有考虑其中变压器的磁饱和处理问题，使用中有一定的局限性。

中国专利ZL200820004304.5提出一种抗偏磁饱和的逆变全桥拓扑电路，由三相整流桥、功率模块、变压器、数字集成电路等连接组成。采用不等宽PWM调制，控制变压器在每个运行周期得到归零时刻，使剩磁消除，不产生磁饱和。可以实现加大励磁电流令同一变压器传输更大功率，相同功率的传输可缩小变压器体积，还可根据实际需要以小电流超高频运行。适用于大功率充电电源，电镀电源，电焊机电源等。该电路虽然解决了磁饱和的问题，却难以作为串联补偿装置使用来解决系统的电能质量问题。

目前常用的串联补偿装置，采用耦合变压器并网时大都只考虑耦合变压器的饱和特性，而忽略了负载中可能存在的磁饱和问题；而采用直接耦合并网时更是不考虑该问题。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术存在的缺点，提出一种串联补偿装置及其补偿方法。本发明通过控制器对串联逆变器进行适当的控制，消除负载中存在的磁饱和问题，避免了磁饱和引起的冲击电流的破坏性影响，实现迅速及时、安全有效的补偿。

本发明可用于改善电力系统中出现的电压暂降、瞬时间断、电压暂升及电压波动闪变等电能质量。

本发明补偿装置包括串联逆变器、控制器、切换开关、负载和电源，以及交流母线接口和电气接口。串联逆变器采用串联接入电网的电压型逆变器，串联逆变器的输出通过交流母线与切换开关连接，并通过切换开关经由交流母线实现串入或退出电源与负载的连接；控制器通过电气接口分别与切换开关、串联逆变器、电源以及负载连接，实现整个系统的控制。

本发明补偿装置对负载的补偿方式如下：

控制器的DSP通过电源电压采样信号判断电源是否出现电能质量问题的信息，没有出现电能质量问题时，DSP输出开关信号经驱动控制切换开关导通，电源给负载供电；当电源存在电能质量问题时，DSP控制切换开关，使其尽快关断，而后控制串联逆变器输出补偿电压。控制器控制串联逆变器输出的补偿电压大小与形状基于磁通平衡或伏秒特性的原理。通过DSP计算由于时间延迟造成的磁通量变化，控制串联逆变器在紧接的半波内输出一定的电压，使得该半波期间形成的磁通量与之前的半波磁通量相等，实现正负磁通量的抵消，从而消除偏磁及磁饱和现象；再接下来的周期就可按照预期的波形进行完全补偿；当电能质量问题消除后，也需通过DSP计算相应磁通，控制串联逆变器输出相应的电压波形以消除偏磁及磁饱和问题。

本发明与现有技术相比，优点在于：

1.解决了具有磁饱和特性负载的情况下，串联补偿装置投入或退出系统时引起的磁饱和以及偏磁问题，同时适用于其他任何形式的负载。

2.本发明适用于任何串联接入电网的逆变器设备，还可延伸应用于DC/DC变换器以及并联型逆变器的设备之中。

3.本发明既可适用于单相系统，也可用于三相系统。

4.本发明利用控制器调节控制串联逆变器输出进行工作，不需另行配备消磁电路。

5.本发明可以根据电能质量问题的严重性灵活调节串联逆变器的输出，在保证磁通平衡的前提下，可选择整个半波连续输出，或者间断输出，既能确保消除磁饱和问题，又能实现串联补偿装置的最佳补偿效果。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明的组成结构示意图；

图3为本发明的一种工作波形示意图；

图4为本发明的一个具体实施方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明所述的串联补偿装置包括串联逆变器10、控制器20、切换开关30、负载40和电源50。控制器20通过第一电气接口101与电源50连接，通过第二电气接口102与串联逆变器10相接，通过第三电气接口103与负载40相接，通过第四电气接口104与切换开关30相接；切换开关30通过第一交流母线105与电源50连接，通过第二交流母线106与负载40连接，通过第三交流母线107与串联逆变器10连接。

本发明通过控制器20采样负载40和电源50的电压信号，输出开关信号经驱动控制串联逆变器10和切换开关30，实现电源50发生电能质量问题时维持负载40电压稳定且不产生冲击电流的功能。电源50电压正常时，串联逆变器10处于在线待机状态，即通过控制器20输出触发信号控制切换开关30导通，流过负载电流；电源50电压出现暂降及瞬时间断等电能质量问题时，控制器20首先撤除控制导通的触发信号，同时控制串联逆变器10输出相应的维持负载磁通平衡的电压，改善电能质量问题的同时，避免产生负载的偏磁及磁饱和问题。

图2所示为本发明的组成结构示意图，图3为本发明的一种工作波形示意图。

如图2所示，本发明的切换开关30包括双向晶闸管301和耦合电容302，双向晶闸管301和耦合电容302两端直接并接，耦合电容302的一端通过第一交流母线105与电源50连接，耦合电容302的另一端通过第二交流母线106与负载40连接，耦合电容302通过第三交流母线107与串联逆变器10并联连接。控制器20包括DSP201、电源电压采样模块202、负载电压采样模块203、第一驱动控制模块204、第二驱动控制模块205。电源电压采样模块202和负载电压采样模块203分别采样电源50和负载40的电压信号并送入所述的控制器20的DSP201，所述的控制器20的DSP201输出数字信号，经由第一驱动控制模块204控制切换开关30，经过第二驱动控制模块205控制串联逆变器10的输出。

控制器20的DSP201通过电源电压采样模块202获得电源50出现电能质量问题与否的信息，电源50没有出现电能质量问题时，DSP201输出开关信号，依次经由第一驱动控制模块204和第四电气接口104控制双向晶闸管301，使切换开关30导通，电源50依次经由第一交流母线105、双向晶闸管301、第二交流母线106给负载40供电；当电源50出现电能质量问题时，DSP201控制撤除施加于双向晶闸管301的开通信号，使双向晶闸管301关断，而后控制串联逆变器10输出补偿电压。如图3所示，从发生电能质量问题时刻114到串联逆变器10输出补偿时刻115之间，负载电压跌落至波形111，但由于时间延迟，串联逆变器10并没有按照预期的补偿波形113进行工作，则在该负半波周期内，磁通量相比正常半波情况减少了一部分115；接下来的正半波内若串联逆变器10按照预期的波形113进行补偿，则剩余正向磁通会导致负载的磁饱和问题；通过DSP201计算磁通量并控制串联逆变器10在正半波内输出补偿波形112，使正半波内波形111和波形112叠加产生的磁通量等同于负半波内110产生的磁通量减去磁通量115，即可实现正负磁通量的抵消，从而消除偏磁及磁饱和现象；再接下来的周期内就可按照预期的波形(113)进行补偿了。同理，当电能质量问题消除后，也需通过DSP201控制串联逆变器10输出相应的电压波形以消除偏磁及磁饱和问题。

图4所示为本发明的一种具体实施方式。

如图4所示，串联逆变器10由逆变电源121和滤波电感122构成，逆变电源121输出PWM波，通过滤波电感122滤除谐波后经第三交流母线107与切换开关30相接。切换开关30的双向晶闸管301和耦合电容302并接。电源50通过第一交流母线105连接切换开关30，切换开关30通过第二交流母线106连接负载40，负载40由变压器401及电阻402构成。控制器20通过第一电气接口101连接电源50，通过第二电气接口102连接串联逆变器10，通过第三电气接口103连接负载40，通过第四电气接口104连接切换开关30。

通过采样电源50电压判断是否产生电压质量问题。电源50电压正常时，串联逆变器10处于在线待机状态，即通过控制器20输出触发双向晶闸管301，使切换开关30导通，流过负载电流，变压器401磁通平衡，不存在饱和问题；电源50电压出现暂降或瞬时间断等电能质量问题时，首先撤除控制器20的控制双向晶闸管301的触发信号，待双向晶闸管301彻底关断后，控制器20控制串联逆变器10输出补偿电压，并实时采样电源50的电压过零点，通过控制器20计算发生电能质量问题时的半波磁通量，换算出之后的半波等磁通情况下串联逆变器10的输出电压，然后控制串联逆变器10输出相应的电压，从而避免了负载40的变压器401因磁通饱和或偏磁造成较大的冲击电流。

Claims (3)

1.一种直接耦合式串联补偿装置，所述的串联补偿装置包括串联逆变器（10）、控制器（20）、切换开关（30）、负载（40）和电源（50）；控制器（20）通过第一电气接口（101）与电源（50）连接,通过第二电气接口（102）与串联逆变器（10）连接,通过第三电气接口（103）与负载（40）连接,通过第四电气接口（104）与切换开关（30）连接；切换开关（30）通过第一交流母线（105）与电源（50）连接，通过第二交流母线（106）与负载（40）连接，通过第三交流母线（107）与串联逆变器（10）连接，其特征在于，所述的控制器（20）控制串联逆变器（10）输出的补偿电压大小与形状基于磁通平衡或伏秒特性的原理；当电源存在电能质量问题时，所述的控制器（20）中的DSP（201）计算因时间延迟造成的磁通量变化，控制串联逆变器（10）输出电压，使得电能质量问题发生时刻的下一个半波期间形成的磁通量与电能质量问题发生时刻所处半波的磁通量相等，实现正负磁通量的抵消，消除偏磁及磁饱和现象。

2.根据权利要求1所述的直接耦合式串联补偿装置，其特征在于：所述的切换开关（30）包括双向晶闸管（301）和耦合电容（302），双向晶闸管（301）和耦合电容（302）并联；耦合电容（302）的一端通过第一交流母线（105）与电源（50）连接，耦合电容（302）的另一端通过第二交流母线（106）与负载（40）连接，耦合电容（302）通过第三交流母线（107）与串联逆变器（10）连接；所述的控制器（20）包括DSP（201）、电源电压采样模块（202）、负载电压采样模块（203）、第一驱动控制模块（204）、第二驱动控制模块（205）；电源电压采样模块（202）采样电源（50）的电压信号，负载电压采样模块（203）采样负载（40）的电压信号，并将电源（50）和负载（40）的电压信号送入所述的控制器（20）的DSP（201），DSP（201）输出数字开关信号，分别经由第一驱动控制模块（204）和第二驱动控制模块（205）控制切换开关（30）和串联逆变器（10）的输出。

3.根据权利要求1所述的直接耦合式串联补偿装置，其特征在于：所述的控制器（20）的DSP（201）通过电压采样模块（202）获得电源（50）出现电能质量问题与否的信息，当电源（50）没有出现电能质量问题时，所述的DSP（201）输出控制信号经由第一驱动控制模块（204）与第四电气接口（104）控制双向晶闸管（301），使切换开关（30）导通，电源（50）经由第一交流母线（105）、双向晶闸管（301）、第二交流母线（106）给负载（40）供电；当电源（50）出现电能质量问题时，所述的DSP（201）控制撤除施加于双向晶闸管（301）的开通信号，使双向晶闸管（301）关断，而后控制串联逆变器（10）输出补偿电压。

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