CN102064552A

CN102064552A - 一种新结构的单相电能质量控制器和三相电能质量控制器

Info

Publication number: CN102064552A
Application number: CN2010105735190A
Authority: CN
Inventors: 和军平; 延汇文
Original assignee: Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
Current assignee: Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
Priority date: 2010-12-03
Filing date: 2010-12-03
Publication date: 2011-05-18
Anticipated expiration: 2030-12-03
Also published as: CN102064552B

Abstract

本发明涉及一种新结构的单相电能质量控制器和三相电能质量控制器，所述新结构的单相电能质量控制器中，所述负载侧逆变器包括逆变桥开关管，所述负载侧逆变器由两个所述逆变桥开关管顺序串接，所述电网侧逆变器包括逆变桥开关管，所述电网侧逆变器由两个所述逆变桥开关管顺序串接，在电网和负载之间串接所述双向功率半导体开关和所述第一低通滤波器，所述负载侧逆变器两个逆变桥开关管的连接点连接所述双向功率半导体开关与所述第一低通滤波器之间的连接点，所述电网侧逆变器的两个逆变桥开关管的连接点串接所述第二低通滤器后连接至电网。本发明提出的电能质量控制器利用双向半导体功率开关替代了串联变压器，不仅具有同时改善电压质量、电流质量的功能，而且结构简单、重量轻。

Description

一种新结构的单相电能质量控制器和三相电能质量控制器

技术领域

本发明涉及一种电能质量控制器，尤其涉及一种新结构的单相电能质量控制器和三相电能质量控制器。

背景技术

在电力系统中，系统故障、雷击、非线性负荷、冲击性负荷等多种因素会造成电网电压、电流、频率出现非理想正弦的现象，导致一些敏感用电设备工作异常，产生电能质量问题。目前，随着非线性大功率电力负荷种类和容量的增多，比如大功率整流装置、磁饱和装置等，电力系统的电能质量更容易恶化。而诸如机器人、计算机、微处理器控制的自动化设备的抗电磁干扰的能力却在下降，并且数量也在大量增加，导致电网与用电设备间的电能质量问题更加突出。

一些电能质量问题可用适当的电力电子装置来解决，如动态电压补偿器（DVR）、有源电力滤波器（APFC）、串并联统一电能质量调节器（Unified Power Quality Controller ,电能质量调节器，简称“UPQC”）等。然而，动态电压补偿器仅改善供电电压质量问题，无法补偿负载电流谐波。有源电力滤波器仅改善负载电流质量问题，无法改善供电电压质量；传统的串并联统一电能质量调节器虽可对电压质量问题、电流质量问题同时改善，但其需要在电源线上串入一个工频变压器，导致体积大、重量大。

发明内容

本发明解决的技术问题是：构建一种新结构的单相电能质量控制器和三相电能质量控制器，克服现有技术不能低成本地同时改善电压质量、电流质量的技术问题。

本发明的技术方案是：构建一种新结构的单相电能质量控制器，包括双向功率半导体开关、负载侧逆变器、电网侧逆变器、连接负载的第一低通滤波器、连接电网的第二低通滤波器，所述负载侧逆变器包括逆变桥开关管，所述负载侧逆变器由两个所述逆变桥开关管顺序串接，所述电网侧逆变器包括逆变桥开关管，所述电网侧逆变器由两个所述逆变桥开关管顺序串接，在电网和负载之间串接所述双向功率半导体开关和所述第一低通滤波器，所述负载侧逆变器两个逆变桥开关管的连接点连接所述双向功率半导体开关与所述第一低通滤波器之间的连接点，所述电网侧逆变器的两个逆变桥开关管连接点串接所述第二低通滤波器后连接至电网。

本发明的进一步技术方案是：所述双向功率半导体开关为绝缘栅双极性晶体管（IGBT）、门极可关断晶闸管（GTO）、集成门极换向晶闸管（IGCT）、MOSFET等中的任何一种。

本发明的进一步技术方案是：所述负载侧逆变器和所述电网侧逆变器中的逆变桥开关管为绝缘栅双极性晶体管（IGBT）、门极可关断晶闸管（GTO）、集成门极换向晶闸管（IGCT）、MOSFET等中的任何一种。

本发明的进一步技术方案是：所述双向功率半导体开关和负载侧逆变器基于伏·秒等效原则确定各自在一个周期内的导通时间，双向功率半导体开关的导通时间由公式（1）确定：

（1）

式中，D—双向功率半导体开关的导通时间，S；

U₀—电网额定电压值，V；

U_m—电网实际电压幅值，V；

U_d—直流母线电压，V；

ω—电网频率，Hz；

T—逆变桥开关管的周期，S；

式中电网电压暂降负半周和电压暂升正半周时，±号取正；电压暂降负半周和电压暂升正半周时，±号取负。

本发明的进一步技术方案是：所述双向功率半导体开关和所述负载侧逆变器基于伏·秒等效原则确定序列：即所述双向功率半导体与所述负载侧逆变桥互补导通，所述双向功率半导体开关导通D时间内所述逆变桥开关管关断，随后，所述逆变桥开关管导通T-D时间内所述双向功率半导体开关关断，其中，T为所述逆变桥开关管的周期。

本发明的进一步技术方案是：所述电网侧逆变器利用瞬时无功理论实时检测出所述双向功率半导体开关中的谐波电流，该电流作为指令与第二低通滤波器电感中的实际电流进行滞环比较，确定出所述电网侧逆变器中各开关管的通断时间和顺序，所述电网侧逆变器输出的电压使电感电流快速跟随指令电流而变化；该电感电流注入到电网中，与所述双向功率半导体开关中的谐波电流相互抵消，使整个电能质量控制器从电网中抽取的电流为低谐波成分电流。

本发明的进一步技术方案是：所述低通滤波器由串联滤波电感和并联直流电容连接而成。

本发明的技术方案是：构建一种三相电能质量控制器，所述三相电能质量控制器由三个所述新结构的单相电能质量控制器按三相分别接在电网三相火线和三相负载之间。

本发明的技术方案是：构建一种三相电能质量控制器,包括双向功率半导体开关、负载侧逆变器、电网侧逆变器、连接负载的第一低通滤波器、连接电网的第二低通滤波器，所述负载侧逆变器包括逆变桥开关管，所述负载侧逆变器由两个所述逆变桥开关管顺序串接，所述电网侧逆变器包括逆变桥开关管，所述电网侧逆变器由两个所述逆变桥开关管顺序串接，在电网和负载之间三相中的一相之间串接所述双向功率半导体开关和所述第一低通滤波器，所述负载侧逆变器的两个逆变桥开关管的连接点连接电网和负载之间三相中的一相中所述双向功率半导体开关和所述第一低通滤波器之间的连接点，所述电网侧逆变器的两个逆变桥开关管的连接点连接电网和负载之间三相中的一相中的所述第二低通滤器后连接电网，所述负载侧逆变器及第一低通滤波器的数目与电网和负载的相数一致。

本发明的技术效果是：本发明的新结构的单相电能质量控制器和三相电能质量控制器，所述负载侧逆变器包括逆变桥开关管，所述负载侧逆变器由两个所述逆变桥开关管顺序串接，所述电网侧逆变器包括逆变桥开关管，所述电网侧逆变器由两个所述逆变桥开关管顺序串接，在电网和负载之间串接所述双向功率半导体开关和所述第一低通滤波器，所述负载侧逆变器的两个逆变桥开关管的连接点连接所述双向功率半导体开关和所述第一低通滤波器之间的连接点，所述电网侧逆变器的两个逆变桥开关管连接点串接所述第二低通滤器后连接电网。本发明提出的电能质量控制器利用双向半导体功率开关替代了串联变压器，不仅具有同时改善电压质量、电流质量的功能，而且结构简单、重量轻。

附图说明

图1为本发明新结构的单相电能质量控制器的电路图。

图2为本发明三相统一电能质量控制器的一种电路图。

图3为本发明三相统一电能质量控制器的另一种电路图。

图4为本发明的不等幅PWM控制的调制输出波形。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明技术方案进一步说明。

如图1所示，本发明的具体实施方式是：本发明一种新结构的单相电能质量控制器，包括双向功率半导体开关S1、负载侧逆变器（S2、S3）、电网侧逆变器（S4、S5）、连接负载的第一低通滤波器（L1、C1）、连接电网的第二低通滤波器（L2、C2），所述负载侧逆变器（S2、S3）包括逆变桥开关管S2和逆变桥开关管S3，所述负载侧逆变器（S2、S3）由逆变桥开关管S2和逆变桥开关管S3顺序串接，所述电网侧逆变器（S4、S5）包括逆变桥开关管S4和S5，所述电网侧逆变器（S4、S5）由逆变桥开关管S4和逆变桥开关管S5顺序串接，在电网和负载之间串接所述双向功率半导体开关S1和所述第一低通滤波器（L1、C1），所述负载侧逆变器（S2、S3）的逆变桥开关管S2和逆变桥开关管S3之间的连接点连接所述双向功率半导体开关S1与所述第一低通滤波器（L1、C1）之间的连接点后输出给负载Z1，所述电网侧逆变器（S4、S5）的逆变桥开关管S4和逆变桥开关管S5之间的连接点串接所述第二低通滤器（L2、C2）后连接至电网Uc。

本发明的优选实施方式是：所述双向功率半导体开关为绝缘栅双极性晶体管（IGBT）、门极可关断晶闸管（GTO）、集成门极换向晶闸管（IGCT）、MOSFET等中的任何一种；所述负载侧逆变器和所述电网侧逆变器中的逆变桥开关管为绝缘栅双极性晶体管（IGBT）、门极可关断晶闸管（GTO）、集成门极换向晶闸管（IGCT）、MOSFET等中的任何一种；所述低通滤波器由滤波电感和直流电容构成。

本发明的优选实施方式是：所述双向功率半导体开关和负载侧逆变器基于伏·秒等效原则确定各自在一个周期内的导通时间（式中正半周为正，负半周为负）, 双向功率半导体开关的导通时间由公式（1）确定：

（1）

式中，D—双向功率半导体开关的导通时间，S；

U₀—电网额定电压值，V；

U_m—电网实际电压幅值，V；

U_d—直流母线电容电压，V；

ω—电网频率，Hz；

T—逆变桥开关管的周期；

所述双向功率半导体开关和负载侧逆变器基于伏·秒等效原则确定序列：即双向功率半导体与负载侧逆变桥互补导通，即双向功率半导体开关导通D时间，同时逆变桥开关管关断，随后，逆变桥开关管导通T-D时间，同时双向功率半导体开关关断。

所述电网侧逆变器利用瞬时无功理论实时检测出双向功率半导体开关中的谐波电流，该电流作为指令与第二滤波器电感中的实际电流进行滞环比较，确定出电网侧逆变器各开关管的通断时间和顺序，电网侧逆变器输出的电压即使电感电流快速跟随指令电流而变化。该电感电流注入到电网中，与双向功率半导体开关中的谐波电流相互抵消，使整个电能质量控制器从电网中抽取的电流为低谐波成分电流。

本发明的新结构的单相电能质量控制器，在电网和负载之间接入的双向功率半导体开关S1，通过所述双向功率半导体开关S1和所述负载侧逆变器（S2、S3）解决负载供电电压质量问题并进行电压补偿，通过所述电网侧逆变器（S4、S5）解决电网侧电流质量问题并进行谐波电流补偿。本发明利用伏·秒等效原则，实时确定负载侧逆变器开关、双向功率开关的工作占空比，控制负载侧逆变器和双向功率开关的协调工作，维持负载电压质量。本发明提出的电能质量控制器利用双向半导体功率开关替代了传统UPQC中的串联变压器，不仅具有同时改善电压质量、电流质量的功能，而且结构简单、重量轻。

如图2所示，本发明的具体实施方式是：三个所述新结构的单相电能质量控制器按A、B、C三相分别接在电网三相火线和三相负载之间。

如图3所示，本发明的具体实施方式是：构建一种三相电能质量控制器,包括双向功率半导体开关S1、双向功率半导体开关S2、双向功率半导体开关S3。

负载侧逆变器（S4、S7）包括逆变桥开关管S4和逆变桥开关管S7，所述负载侧逆变器由逆变桥开关管S4和逆变桥开关管S7顺序串接，所述负载侧逆变器（S4、S7）的逆变桥开关管S4和逆变桥开关管S7的连接点连接电网和负载之间三相中的一相（即电网Ua和负载Z1）中的所述双向功率半导体开关S1与所述第一低通滤波器（L1、C1）之间的连接点A；同理，负载侧逆变器（S5、S8）包括逆变桥开关管S5和逆变桥开关管S8，所述负载侧逆变器由逆变桥开关管S5和逆变桥开关管S8顺序串接，所述负载侧逆变器（S5、S8）的逆变桥开关管S5和逆变桥开关管S8的连接点连接电网和负载之间三相中的一相（即电网Ub和负载Z2）中的所述双向功率半导体开关S2与所述第一低通滤波器（L2、C2）之间的连接点B；负载侧逆变器（S6、S9）包括逆变桥开关管S6和逆变桥开关管S9，所述负载侧逆变器由逆变桥开关管S6和逆变桥开关管S9顺序串接，所述负载侧逆变器（S6、S9）的逆变桥开关管S6和逆变桥开关管S9的连接点连接电网和负载之间三相中的一相（即电网Uc和负载Z3）中的所述双向功率半导体开关S3和所述第一低通滤波器（L3、C3）之间的连接点C。所述负载侧逆变器及第一低通滤波器的数目与电网、负载的相数一致。

电网逆变器（S10、S13）包括逆变桥开关管S10和逆变桥开关管S13，所述电网侧逆变器由逆变桥开关管S13和逆变桥开关管S10顺序串接，所述电网侧逆变器（S10、S13）的逆变桥开关管S13和逆变桥开关管S10的连接点连接所述第二低通滤波器（L4、C6）后连接至电网的一相Uc；电网逆变器（S11、S14）包括逆变桥开关管S14和逆变桥开关管S11，所述电网侧逆变器由逆变桥开关管S14和逆变桥开关管S11顺序串接，所述电网侧逆变器（S11、S14）的逆变桥开关管S14和逆变桥开关管S11的连接点连接所述第二低通滤波器（L5、C5）后连接至电网的一相Ub；电网逆变器（S12、S15）包括逆变桥开关管S12和逆变桥开关管S15，所述电网侧逆变器由逆变桥开关管S15和逆变桥开关管S12顺序串接，所述电网侧逆变器（S12、S15）的逆变桥开关管S15和逆变桥开关管S12的连接点连接所述第二低通滤波器（L6、C4）后连接至电网的一相Ua。所述电网侧逆变器及第二低通滤波器的数目与电网和负载的相数一致。

具体工作过程如下：当电网电压在正常电压范围内时，主电路中的三个双向功率半导体开关S1、S2、S3导通，负载侧逆变器均关断，由电网直接给负载供电；本UPQC实时监测电网电压，当电网电压高于或低于正常电压范围时，即出现电压质量问题时，负载侧逆变桥、双向功率开关协调开关，保证负载电压正常。下面以A相电压为例，结合图4说明协调工作过程。当电网电压出现电压暂降时，在电压暂降的正半周，双向开关S1和逆变桥开关S4按伏??秒等效原则确定的导通时间和序列高工作频率（几KHz～几十KHz）地交替导通。S1的导通时间D由公式（1）确定，

（1）

式中，D—双向功率半导体开关的导通时间，S；

U₀—电网额定电压值，V；

U_m—电网实际电压幅值，V；

U_d—直流母线电容电压，V；

ω—电网频率，Hz；

T—逆变桥开关周期，S；

式中电网电压暂降负半周和电压暂升正半周±号取正，电压暂降负半周和电压暂升正半周±号取负。

S4的占空比相应为T-D，此时A点电压如图4中间S1-S4段标示。在电压暂降的负半周，双向开关S1和逆变桥开关S7 类似地由式1确定导通，此时A点电压如图4中S1-S7段标示。该电压经低通滤波器滤除开关纹波后输出给负载，保持负载电压为额定正弦U₀；当电网电压出现电压暂升时，与上面类似。在电压暂升的正半周，双向开关S1和逆变桥开关S7按伏??秒等效原则确定的占空比高频交替导通。在电压暂升的负半周，双向开关S1和逆变桥开关S4相应地高频交替导通，即实时、快速、准确地对电网电压进行补偿，从而维持负载电压稳定在U₀。这时A点电压如图3中电压暂升段标示。

与此同时，由于负载的非线性以及双向功率开关的工作，负载向电网注入的电流会出现谐波，利用电网侧逆变器则可输出合适的反向补偿谐波电流，使整个UPQC对电网的谐波电流大大降低，同时维持直流母线电压的稳定。具体控制方法为电网侧逆变器利用瞬时有功功率/无功功率实时检测理论、瞬时有功电流/无功电流实时检测理论，快速检测出双向功率半导体开关中的谐波电流，该电流作为指令与第二滤波器电感中的实际电流进行滞环比较，确定出电网侧逆变器各开关管的通断时间和顺序，电网侧逆变器输出的电压即使电感电流快速跟随指令电流而变化。该电感电流注入到电网中，与双向功率半导体开关中的谐波电流相互抵消，使整个电能质量控制器从电网中抽取的电流为低谐波成分电流。

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。对于本发明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的保护范围。

Claims

1.一种新结构的单相电能质量控制器，其特征在于，包括双向功率半导体开关、负载侧逆变器、电网侧逆变器、连接负载的第一低通滤波器、连接电网的第二低通滤波器，所述负载侧逆变器包括逆变桥开关管，所述负载侧逆变器由两个所述逆变桥开关管顺序串接，所述电网侧逆变器包括逆变桥开关管，所述电网侧逆变器由两个所述逆变桥开关管顺序串接，在电网和负载之间串接所述双向功率半导体开关和所述第一低通滤波器，所述负载侧逆变器两个逆变桥开关管的连接点连接所述双向功率半导体开关与所述第一低通滤波器之间的连接点，所述电网侧逆变器的两个逆变桥开关管连接点串接所述第二低通滤波器后连接至电网。

2.根据权利要求1所述新结构的单相电能质量控制器，其特征在于, 所述双向功率半导体开关为绝缘栅双极性晶体管（IGBT）、门极可关断晶闸管（GTO）、集成门极换向晶闸管（IGCT）、MOSFET等中的任何一种。

3.根据权利要求1所述新结构的单相电能质量控制器，其特征在于, 所述负载侧逆变器和所述电网侧逆变器中的逆变桥开关管为绝缘栅双极性晶体管（IGBT）、门极可关断晶闸管（GTO）、集成门极换向晶闸管（IGCT）、MOSFET中的任何一种。

4.根据权利要求1所述新结构的单相电能质量控制器，其特征在于,所述双向功率半导体开关和负载侧逆变器基于伏·秒等效原则确定各自在一个周期内的导通时间，双向功率半导体开关的导通时间由以下公式确定：：

Figure 2010105735190100001DEST_PATH_IMAGE002

式中，D—双向功率半导体开关的导通时间，S；

U₀—电网额定电压值，V；

U_m—电网实际电压幅值，V；

U_d—直流母线电压，V；

ω—电网频率，Hz；

T—逆变桥开关管的周期，S；

5.根据权利要求1所述新结构的单相电能质量控制器，其特征在于,所述双向功率半导体开关和所述负载侧逆变器基于伏·秒等效原则确定序列：即所述双向功率半导体与所述负载侧逆变桥互补导通，所述双向功率半导体开关导通D时间内所述逆变桥开关管关断，随后，所述逆变桥开关管导通T-D时间内所述双向功率半导体开关关断，其中，T为所述逆变桥开关管的周期。

6.根据权利要求1所述新结构的单相电能质量控制器，其特征在于,所述电网侧逆变器利用瞬时无功理论实时检测出所述双向功率半导体开关中的谐波电流，该电流作为指令与第二低通滤波器电感中的实际电流进行滞环比较，确定出所述电网侧逆变器中各开关管的通断时间和顺序，所述电网侧逆变器输出的电压使电感电流快速跟随指令电流而变化；该电感电流注入到电网中，与所述双向功率半导体开关中的谐波电流相互抵消，使整个电能质量控制器从电网中抽取的电流为低谐波成分电流。

7.根据权利要求1所述新结构的单相电能质量控制器，其特征在于, 所述低通滤波器由串联滤波电感和并联直流电容连接而成。

8.一种应用上述任一权利要求所述新结构的单相电能质量控制器的三相电能质量控制器，其特征在于, 三个所述新结构的单相电能质量控制器按三相分别接在电网三相火线和三相负载之间。

9.一种应该权利要求1至7中任一权利要求所述新结构的单相电能质量控制器的三相电能质量控制器，其特征在于,包括双向功率半导体开关、负载侧逆变器、电网侧逆变器、连接负载的第一低通滤波器、连接电网的第二低通滤波器，所述负载侧逆变器包括逆变桥开关管，所述负载侧逆变器由两个所述逆变桥开关管正向串接，所述电网侧逆变器包括逆变桥开关管，所述电网侧逆变器由两个所述逆变桥开关管正向串接，在电网和负载之间三相中的一相之间串接所述双向功率半导体开关和所述第一低通滤波器，所述负载侧逆变器的两个逆变桥开关管的连接点连接电网和负载之间三相中的一相中所述双向功率半导体开关和所述第一低通滤波器之间的连接点，所述电网侧逆变器的两个逆变桥开关管的连接点连接电网和负载之间三相中的一相中的所述第二低通滤器后连接电网，所述负载侧逆变器和所述电网侧逆变器的数目与电网和负载的相数一致。