CN102055189A - 无隔离变压器的三相统一电能质量控制器的控制方法 - Google Patents

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李国杰
仝合泽
刘宇飞
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Abstract

无隔离变压器三相统一电能质量控制器的控制方法,其特征在于:它由三个完全相同的单相控制器组合而成,每个控制器包括:并联单元,包括一个由两个开关管组成的逆变桥和一个滤波电感;串联单元,包括一个由两个开关管组成的逆变桥和一个由电容、电感组成的滤波器;储能单元,由上下两组直流电容串联组成,两组电容间的引出线作为串并联两单元与电网的公共连接线。本发明避免了由串并联单元共用储能部分而引起的电容直通、交流短路等故障,所以无需采取隔离措施。各相串联单元与电源相串联,各相并联单元在负荷侧结成三角形,各相储能单元相互独立。辅之以适当的控制策略,有效解决各类电能质量问题,具有结构简单、成本低的优点。

Description

无隔离变压器的三相统一电能质量控制器的控制方法技术领域
[0001] 本发明涉及一种无隔离变压器的三相统一电能质量控制器的控制方法,属于控制 技术领域。背景技术
[0002] 电能质量问题可分为两大类:电压质量问题,指供电的可靠性以及供电电压的幅 值、波形、频率的好坏等,是电力负荷所关注的;电流质量问题,指负荷电流中的无功、谐波 及负序分量的大小,是电力系统所关注的。这两类问题可以利用相应的电力电子装置来解 决,如动态电压补偿器可以解决电压质量问题,有源电力滤波器可以解决电流质量问题。
[0003] 统一电能质量控制器(UPQC)结合了动态电压补偿器和有源电力滤波器两者的功 能,可以同时保证负荷侧的电压质量和系统侧的电流质量。UPQC通常由三个基本单元组成: 串联单元、并联单元和直流储能单元。其中串联单元作电压补偿之用,以解决电压质量问 题,相当于一台动态电压补偿器;并联单元用作电流补偿,来解决电流质量问题,相当于一 台有源电力滤波器;直流储能单元由直流电容器构成,为串联和并联单元所共用,向它们提 供稳定的直流电压。由于直流电容为串并联两单元所共用,在传统的UPQC拓扑中,为防止 交流短路、直流电容直通等故障,交直流之间必须采取一定的电气隔离,通常采用在串联和 并联两侧分别加装变压器的方法来实现隔离。变压器的接入不仅提供了有效的隔离作用, 还可以扩大装置的容量,使器件的选择更加灵活。但变压器的引入同时也会带来诸如成本、 体积、损耗、非线性、浪涌等不利因素。因此,在电压等级较低或开关器件的容量足够的情况 下引入变压器的缺陷将远远大于所带来的优势。
[0004] 发明者在2006年4月观日向我国国家知识产权局申请且于2008年2月27日获得 授权的“一种无隔离环节的三相统一电能质量控制器”(发明专利号:ZL200610011810. 2), 提出一种无需隔离环节的三相统一电能质量控制器的拓扑结构的设计发明。在该发明的基 础上,本申请提出无隔离变压器的电能质量控制器的控制算法,属于三相统一电能质量控 制器的控制方法,既能应用于三相三线系统,又能应用于三相四线系统。发明内容
[0005] 本发明的目的是提供一种无需采取隔离措施的三相统一电能质量控制器的控制 方法,该控制器能够实现电源电压不平衡、跌落、骤升、负荷电流不对称及负荷突变等电压 补偿和电流补偿功能。
[0006] 本发明的特征在于:
[0007] 所述控制器由三个完全相同的单相控制器组合而成,各控制器的串联单元直接与 电源相串,并联单元在负荷侧结成三角形结构,所述的单相控制器包括:
[0008] 并联单元,包括由两个正向串联的开关管组成的逆变桥和一个滤波电感,该滤波 电感的一端接所述两个开关管的串接点,另一端接负荷线电压的输入端,所述逆变桥输出 的脉宽调制电压波用来控制流过上述滤波电感的电流,使之能够补偿负荷电流中的无功、谐波和负序分量并维持直流母线电压的恒定;
[0009] 串联单元,包括由另外两个正向串联的开关管组成的逆变桥、由滤波电容和另一 滤波电感组成的低通滤波器以及旁路晶间管,该滤波电感的一端接所述串联单元中逆变桥 的两个开关管之间的串接点,所述串联单元中的滤波电容和滤波电感的串接点接电源端, 该电源端同时接所述旁路晶闸管的一端,该旁路晶闸管的另一端与上述滤波电容的另一端 一起接于负荷线电压的输入端,所述串联单元的逆变桥产生合适的脉宽调制电压波来补偿 电源电压的跌落、浪涌、谐波和负序成分,所述串联单元中的低通滤波器用来滤除脉宽调制 电压波中的开关谐波分量,所述旁路晶闸管在电源电压正常时导通,电源电压由它直接提 供给负载,在出现电压质量问题时关断;
[0010] 储能单元,由两个直流电容正向串联组成,所述两个直流电容的串接点接于所述 旁路晶闸管的负荷端,所述储能单元同时并接了串联单元逆变桥、并联单元逆变桥的两端, 该储能单元为所述串联单元和并联单元提供稳定的直流电压。
[0011] 所述三相统一电能质量控制器,组成并联单元和串联单元的开关管为绝缘栅双极 性晶体管、门极可关断晶闸管、集成门极换向晶闸管中的任何一种。
[0012] 本发明提出的无隔离环节的三相统一电能质量控制器,具有下面的优点:
[0013] 1、与传统的UPQC相比,没有引入变压器或其他隔离环节,避免了变压器带来的诸 多不利因素,且结构简单,成本较低;
[0014] 2、储能电容为串并联单元所共用,既保证了两单元之间的能量流动,同时又不会 发生电容直通、交流短路等故障;
[0015] 3、辅以适当的控制策略,可以实现传统三相UPQC的各项功能,能够有效解决各类 电压和电流质量问题。
[0016] 总之,本发明提出的三相统一电能质量控制器,既省去了隔离环节,又可以实现传 统三相UPQC的各项电流补偿和电压补偿功能。附图说明
[0017] 图1是本发明提出的三相统一电能质量控制器的电路图。
[0018] 图2是本发明提出的三相统一电能质量控制器的串联单元的控制框图。
[0019] 图3是本发明提出的三相统一电能质量控制器的并联单元的控制框图。
[0020] 图4(a) (b) (c) (d) (e)分别是不平衡电源电压和补偿后的负荷电压、负荷电流、电 源电流及电源电压电流的仿真波形图。
[0021] 图5(a) (b)分别是电源电压发生100%跌落期间的电源电压和补偿后的负荷电压 的仿真波形图。
[0022] 图6(a) (b)分别是电源电压发生骤升期间的电源电压和补偿后的负荷电压的仿 真波形图。
[0023] 图7(a) (b)分别是负荷不对称和负荷突变时的负荷电流和补偿后的电源电流的 仿真波形图。具体实施方式
[0024] 本发明提出的新型三相统一电能质量控制器,由三个完全相同的单相控制器组合而成,每相控制器包括:
[0025] (1)用于解决电流质量问题的电流补偿器,或称作并联单元,包括一个由两个 IGBT组成的逆变桥和一个滤波电感;
[0026] (2)用于解决电压质量问题的电压补偿器,或称串联单元,包括一个由两个IGBT 组成的逆变器和一个由电容和电感组成的低通滤波器;
[0027] (3)为串并联两个单元提供稳定直流电压的储能单元,由上下两个直流电容器组 成,储能单元两个直流电容的连结点被引出接到电网上,作为串并联两单元与电网的公共 连结点。
[0028] 各相串联单元与负荷相串联,各相并联单元在负荷侧联结成三角形结构,各相储 能单元相互独立。
[0029] 本发明提出的新型三相统一电能质量控制器的电路图如图2所示,以下详细介绍 各个组成部分:
[0030] 1是串联单元中的滤波电容;
[0031] 2是串联单元中的旁路晶闸管;
[0032] 3是串联单元中的滤波电感;
[0033] 4、5是串联单元中的开关管;
[0034] 6、7是两个直流电容器组,串联组成储能单元;
[0035] 8、9是两个正向串联的开关管,组成并联单元的逆变桥;
[0036] 10是并联单元的滤波电感。
[0037] 当电源侧出现电压质量问题时,为了保证负荷侧电压仍为三相对称、幅值额定的 正弦量,首先需要计算出每相串联单元输出电压的参考值ujMfk(k = a,b,C,下同),然后得 出每相串联逆变桥的输出电压u。k的控制规律,使得串联单元实际的输出电压,即每相滤波 电容“ 1 ”上的电压能够快速准确地跟踪其参考值u#fk。u。k的控制规律通过脉宽调制电 压波来实现。
[0038] 当负荷侧出现电流质量问题时,为了保证电源电流仍为三相对称的正弦量且电源 发出的功率与负荷吸收的功率相等,需要计算出合适的并联补偿电流值,即每相并联单元 滤波电感“10”上的电流值i。k,该电流值可以通过控制并联逆变桥的两个开关管“8”、“9” 的开关状态来实现。
[0039] 下面举一个仿真实例来验证本发明提出的三相统一电能质量控制器的有效性。采 用PSCAD/EMTDC仿真软件包,电源线电压额定值为380V,频率为50Hz,负荷为非线性且不平 衡的。电源电压在0. 8s到1. 5s之间发生了跌落,附图3给出了跌落期间和正常情况下电 源电压、负荷电压、电源电流和负荷电流的波形。可见负荷电压始终为三相对称、幅值额定 的正弦波,电源电流基本为对称正弦量,说明本发明提出的电能质量控制器可以有效地解 决各类电能质量问题。5

Claims (2)

1. 一种无隔离环节的三相统一电能质量控制器,其特征在于:所述控制器由三个完全相同的单相控制器组合而成,各控制器的串联单元直接与电源 相串,并联单元在负荷侧结成三角形结构,所述的单相控制器包括:并联单元,包括一个由两个正向串联的开关管组成的逆变桥和一个滤波电感,该滤波 电感的一端接所述两个开关管的串接点,另一端接负荷线电压的输入端,所述逆变桥输出 的脉宽调制电压波用来控制流过上述滤波电感的电流,使之能够补偿负荷电流中的无功、 谐波和负序分量并维持直流母线电压的恒定;串联单元,包括由另外两个正向串联的开关管组成的逆变桥、由滤波电容和另一滤波 电感组成的低通滤波器以及旁路晶间管,该滤波电感的一端接所述串联单元中逆变桥的两 个开关管之间的串接点,所述串联单元中的滤波电容和滤波电感的串接点接电源端,该电 源端同时接所述旁路晶闸管的一端,该旁路晶闸管的另一端与上述滤波电容的另一端一起 接于负荷线电压的输入端,所述串联单元的逆变桥产生合适的脉宽调制电压波来补偿电源 电压的跌落、浪涌、谐波和负序成分,所述串联单元中的低通滤波器用来滤除脉宽调制电压 波中的开关谐波分量,所述旁路晶闸管在电源电压正常时导通,电源电压由它直接提供给 负载,在出现电压质量问题时关断;储能单元,由两个直流电容正向串联组成,所述两个直流电容的串接点接于所述旁路 晶闸管的负荷端,所述储能单元同时并接了串联单元逆变桥、并联单元逆变桥的两端,该储 能单元为所述串联单元和并联单元提供稳定的直流电压。
2.如权利要求1所述的三相统一电能质量控制器,其特征在于:其中组成并联单元和 串联单元的开关管为绝缘栅双极性晶体管、门极可关断晶闸管、集成门极换向晶闸管中的 任何一种。
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