CN102664414A

CN102664414A - 动态电压补偿器

Info

Publication number: CN102664414A
Application number: CN2012101354818A
Authority: CN
Inventors: 王道洪; 丁凯; 鲍延杰
Original assignee: SHENZHEN POLYTECHNIC NEW ENERGY CO Ltd
Current assignee: SHENZHEN POLYTECHNIC NEW ENERGY CO Ltd
Priority date: 2012-05-04
Filing date: 2012-05-04
Publication date: 2012-09-12

Abstract

本发明涉及一种动态电压补偿器及其工作方法，其结构包括双向可控硅、倍压整流器、直流存储单元、半桥逆变器、输出滤波器和升压充电器，其中双向可控硅串联于电网与负载之间；倍压整流器输入端与电网连接，其输出端连接直流储能单元的正负两极；直流储能单元的中间节点通过开关连接电网的输入端；半桥逆变器与直流储能单元并联；滤波器的中间节点通过一个开关和负载相连；升压充电器输入端与电网相连。采用这样的结构能补偿跌幅较深的动态电压，以及补偿稳态电压，彻底解决电能质量问题，又不会增加过多的成本。

Description

动态电压补偿器

技术领域

本发明涉及电力系统及电力电子技术领域，具体的说是一种动态电压补偿器。

背景技术

理想的供电电压是纯正的正弦波，具有标称的电压幅值和频率。但由于电网设备的故障或非线性和冲击性负载的增长，电网电压的幅值和频率往往会发生偏离。当电网电压的幅值和频率偏离标称值一定的范围时，会给敏感性用户产生影响和伤害，这就产生了电能质量的问题，这些问题包括：电压不平衡、过电压、欠电压、电压跌落、电压聚升、供电中断、电压瞬变、电压切痕、电压波动和电压闪变。前三种是稳态电能质量问题，后几种是动态电能质量问题。美国在90年代通过300多个电能质量观测器观测电能质量数据，大量统计数据表明：高达92％的扰动事件是电压跌落，它们的持续时间大多不超过2秒钟。持续时间在2秒钟到10分钟之间的电压中断仅占4％，其余的电能质量问题占余下的4％。由此可知，给敏感负载用户造成巨大经济损失的主要原因是动态电能质量问题，解决电能质量问题就落实在治理动态电压问题上。当前最佳解决电能质量问题的方法是在负载用户侧安装电压补偿装置，它包括不间断电源UPS(Uninterruptible Power Supply)和动态电压补偿器DVR(Dynamics Voltage Restorer)。在解决电能质量问题，UPS是使用最广泛的装置。当电网供电发生故障时，UPS能够提供几十分钟甚至几小时的正常电压，保护负载正常运行，不受电网电压中断或跌落的影响。因此，UPS既能解决稳态电能质量问题，又能解决动态电能质量问题。但由于UPS采用大量的电池储能，成本相当高，效率只有92％左右，不利于大量使用。UPS一般用于对关键负载进行电压保护和补偿。而DVR由于只解决动态电能质量问题，只需要对电压跌落和瞬变进行短时补偿，储能部分只需采用电解电容，即可满足要求。这样，DVR的生产成本和维护成本就很低。并且DVR的工作效率高达99％，非常有利于大量使用。

DVR是一种串联型电能质量补偿装置，采用基于电力电子器件的PWM逆变结构。目前在低压等级的DVR装置中，大多采用无串联变压器的拓扑结构。这种无串联变压器DVR结构的整流器采用二极管整流。这种结构的DVR只能补偿动态电压。因此，现阶段还未出现既能补偿跌幅较深的动态电压，以及补偿稳态电压，成本又较低的DVR。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种用于解决动态电压和稳态电压质量问题的串联动态电压补偿器及其工作方法，本发明的创新点在于不使用PWM整流器和串联变压器的情况下，增加补偿电压的时间。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：动态电压补偿器的电子元器件包括双向可控硅、倍压整流器、直流存储单元、半桥逆变器、输出滤波器和升压充电器，其中双向可控硅串联于电网与负载之间；倍压整流器输入端与电网连接，其输出端连接直流储能单元的正负两极；直流储能单元的中间节点通过开关连接电网的输入端；半桥逆变器与直流储能单元并联；半桥逆变器中间节点与直流储能单元的中间节点之间连接一个输出滤波器，滤波器的中间节点通过一个开关和负载相连；升压充电器输入端与电网相连。

进一步的双向可控硅由两个可控硅反向并联组成；

倍压整流器是由两个二极管串联组成，两个二极管的中间点接电网的中线端；

半桥逆变器是由两个功率开关器件组成，

输出滤波器由一个电感和一个电容组成，

直流储能单元由两个电容串联而成，中间点通过开关连接电网的输入端，电网电压的正负半周分别给直流储能单元的两个电容充电，直到直流储能单元的母线电压为电网峰值电压的两倍为止，升压充电器输入端与电网相连，输出端分别连接直流储能单元的电容。

采用这样的结构，当电网电压正常时，电网通过双向可控硅为负载提供正常稳定的电压。当电网电压跌落或瞬变时，双向可控硅被反压强制关断，负载电压由电网电压和逆变器产生的补偿电压叠加供给，直流储能单元的电压一直保持这一电压值，

当电网电压跌落或瞬变，直流储能单元为负载提供补偿电压。逆变器依据电网电压跌落的情况，产生补偿电压，如果直流储能单元的母线电压一直高于某一值，升压充电器不工作。当检测到储能电容C1或C2的电压低于某一值，则升压充电器给C1或C2充电，以保持C1或C2的电压为一恒定值。这样就可以延长DVR补偿电压的时间，不但解决了动态电压跌落问题，而且还能补偿电压深度跌落问题以及稳态电压问题。

进一步的直流储能单元中串联的两个电容为大容量储能电容。

进一步的输出滤波器是一个低通滤波器，用于滤除逆变器产生的高频信号。

采用低通滤波器，逆变器输出的高频电压被滤波器过滤，只能让低频电压通过。

进一步的所述升压充电器是一个AC/DC变换电路。

采用这样的结构将电网电压通过PWM调制，整流成所需的直流电压。升压充电器分别检测 C1和C2的电压值，一旦低于某一值，升压充电器将对C1和C2进行充电，以维持C1和C2的电压值恒定。

进一步的动态电压补偿器的工作方法是：动态电压补偿器的电路组成包括双向可控硅、倍压整流器、直流存储单元、半桥逆变器、输出滤波器和升压充电器，当电网电压正常时，开通双向可控硅，逆变器被双向可控硅旁路，逆变器不工作，处于待机状态，电网通过双向可控硅给负载正常供电，供电效率达99％，当电网电压跌落或瞬变时，逆变器立刻工作，将储能直流单元的直流逆变成交流补偿电压，电网电压与补偿电压叠加，为负载供电，同时给双向可控硅反压，使双向可控硅关断，当电网电压跌落深度较深，低于50％，或跌落时间较长，长于2秒，倍压整流器提供的能量，将无法持续为负载提供电压，而升压充电器，将承担为直流储能单元充电的作用，保证DVR有足够的能量为负载提供正常的电力供应，同时，升压充电器为储能器充电，以保持储能器的电压相等，防止电压不平衡的情况出现，使得补偿电压波形平滑。

进一步的双向可控硅S1由两个可控硅反向并联组成，串联于电网与负载之间，在电网电压正负半周过零点时，发出控制时序，触发对应的可控硅导通，关断采用反电压进行关断，当电网电压正常时，电网通过双向可控硅S1为负载提供正常稳定的电压，当电网电压跌落或瞬变时，双向可控硅被反压强制关断，负载电压由电网电压和逆变器产生的补偿电压叠加供给；

倍压整流器是由两个二极管D1和D2串联组成，倍压整流器的输出接直流储能单元的正负两极，两个二极管的中间点接电网的中线端，上电时，开关SW1闭合，直流储能单元的储能电容C1和C2的中间节点与电网连接，当电网电压正半周时，电网电压通过二极管D2给电容C2充电，当电网电压负半周时，电网电压通过二极管D1给电容C1充电，电容C1和C2串联后的电压等于电网峰值电压的两倍，该电压为逆变器的直流母线电压；

直流储能单元由两个电容串联而成，中间点通过开关SW1接电网的输入端，直流储能单元的电压由倍压整理器提供，电网电压的正负半周分别给直流储能单元的C2和C1充电，直到直流储能单元的母线电压为电网峰值电压的两倍为止，当电网电压正常时，直流储能单元的电压一直保持这一电压值，当电网电压跌落或瞬变，逆变器立刻工作，直流储能单元为负载提供补偿电压；

半桥逆变器是由两个功率开关器件G1和G2组成，半桥逆变器与直流储能单元并联连接，其中间点与直流储能单元的中间点之间连接一个输出滤波器，两个功率开关器件的通断时序为互补，逆变器依据电网电压跌落的情况，产生补偿电压，补偿电网电压跌落的部分，补偿电压与剩余电网电压叠加，为负载提供稳定正常的电力；

输出滤波器由一个电感L1和一个电容C3组成，输出滤波器是一个低通滤波器，用于滤除逆变器产生的高频信号，逆变器输出的高频电压被滤波器过滤，只有低频电压通过，滤波器的中间点通过一个开关SW2和负载相连；

升压充电器输入端与电网相连，输出端分别连接直流储能单元的C1和C2，升压充电器是一个AC/DC变换电路，将电网电压通过PWM调制，整流成所需的直流电压，升压充电器分别检测电容C1和C2的电压值，当直流储能单元的母线电压一直高于某一值时，升压充电器不工作，当检测到储能电容C1或C2的电压低于某一值时，则升压充电器给C1或C2充电，以保持C1或C2的电压为一恒定值，这样就可以延长DVR补偿电压的时间。

进一步的所述直流储能单元中两个串联的电容为大容量的储能电容。

采用这样的方法不但解决了动态电压跌落问题，而且还能补偿电压深度跌落问题以及稳态电压问题。另一方面，由于DVR采用半桥的拓扑结构，直流储能单元使用两个储能器串联。这样，在DVR运行过程中，两个储能器容易引起电压不平衡问题。也就是说，两个储能器存储的电压值不一致，这会导致补偿电压不平滑。如果采用升压充电器分别给两个储能器充电，保持储能器的电压恒定，则解决了储能器电压不平衡问题。

附图说明

图1为动态电压补偿器系统图，

图2为动态电压补偿器电路原理图。

具体实施方式

图1为动态电压补偿器系统图，其中，电网-1、静态旁路开关-2、敏感负载-3、整流器-4、直流储能单元-5、逆变器-6、输出滤波器-7、升压充电器-8。

图2是单相动态电压补偿器的电路原理图。动态电压补偿器由双向可控硅S1、倍压整流器、直流存储单元、半桥逆变器、输出滤波器和升压充电器组成。以下详细介绍各个组成部分：

双向可控硅S1由两个可控硅反向并联组成。在电网电压正负半周过零点时，发出控制时序，触发对应的可控硅导通。关断采用反电压进行关断。电网正常时，电网电压通过双向可控硅给负载供电。

倍压整流器由两个二极管D1和D2组成。上电时，开关SW1闭合，直流储能单元的C1和C2的中间节点与电网连接。当电网电压正半周时，电网电压通过D2给C2充电。当电网电压负半周时，电网电压通过D1给C1充电。C1和C2串联后的电压等于电网峰值电压的两倍，该电压为逆变器的直流母线电压。

直流储能单元有两个储能器，储能器由电容C1和C2组成。直流储能单元的电压由倍压整理器提供。当逆变器工作时，为负载提供补偿能量。

半桥逆变器由两个功率开关器件G1和G2组成。半桥逆变器与直流储能单元并联连接，其中间节点与直流储能单元的中间节点之间连接一个输出滤波器。两个功率开关器件的通断时序为互补，逆变器依据电网电压跌落的情况，产生补偿电压，补偿电网电压跌落的部分，补偿电压与剩余电网电压叠加，为负载提供稳定正常的电力。

输出滤波器由一个电感L1和一个电容C3组成，与逆变器的中间节点和直流储能单元的中间节点相接。输出滤波器是一个低通滤波器，用于滤除逆变器产生的高频信号。逆变器输出的高频电压被滤波器过滤，只有低频电压通过。滤波器的中间点通过一个开关SW2和负载相连。

升压充电器输入端与电网相连，输出端分别连接直流储能单元的C1和C2。升压充电器是一个AC/DC变换电路。将电网电压通过PWM调制，整流成所需的直流电压。升压充电器分别检测C1和C2的电压值，一旦低于某一值，升压充电器将对C1和C2进行充电，以维持C1和C2的电压值恒定。

当电网电压正常时，开关SW2关断，双向可控硅依据触发时序轮流导通。电网电压通过双向可控硅为负载正常供电。电网电压通过倍压整流器为直流储能单元充电，逆变器和升压充电器处于待机状态。当电网电压跌落或瞬变时，开关SW2开通，逆变器开始PWM调制，将直流储能单元的直流电压，调制成高频方波。高频方波经过输出滤波器，被过滤成工频补偿电压。补偿电压和剩余电网电压叠加成标准的正弦工频电压波形。叠加后的标准电压，通过开关SW2，为负载供电。如果电网电压深度跌落，或跌落时间超过2秒，直流储能单元的能量无法补偿负载所需的能量，升压充电器立刻启动，为直流储能单元充电，补充能量。当直流储能单元的电压恢复到正常值，升压充电器将停止充电。

以上所述实施方式，只是本发明较优选的具体实施方式之一，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.动态电压补偿器，其特征在于：动态电压补偿器的电子元器件包括双向可控硅、倍压整流器、直流存储单元、半桥逆变器、输出滤波器和升压充电器，其中双向可控硅串联于电网与负载之间；倍压整流器输入端与电网连接，其输出端连接直流储能单元的正负两极；直流储能单元的中间节点通过开关连接电网的输入端；半桥逆变器与直流储能单元并联；半桥逆变器中间节点与直流储能单元的中间节点之间连接一个输出滤波器，滤波器的中间节点通过一个开关和负载相连；升压充电器输入端与电网相连。

2.根据权利要求1所述的动态电压补偿器，其特征在于：双向可控硅由两个可控硅反向并联组成；倍压整流器由两个二极管串联组成，两个二极管的中间点接电网的中线端；

半桥逆变器是由两个功率开关器件组成，

输出滤波器由一个电感和一个电容组成，

直流储能单元由两个电容串联组成，中间节点通过开关接电网的输入端，电网电压的正负半周分别给直流储能单元的两个电容充电，直到直流储能单元的母线电压为电网峰值电压的两倍为止，升压充电器输入端与电网相连，输出端分别连接直流储能单元的电容。

3.根据权利要求2所述的动态电压补偿器，其特征在于：所述直流储能单元中串联的两个电容为大容量储能电容。

4.根据权利要求1所述的动态电压补偿器，其特征在于：输出滤波器是一个低通滤波器，用于滤除逆变器产生的高频信号。

5.根据权利要求1所述的动态电压补偿器，其特征在于：所述升压充电器是一个AC/DC变换电路。

6.动态电压补偿器的工作方法，其特征在于：动态电压补偿器的电路组成包括双向可控硅、倍压整流器、直流存储单元、半桥逆变器、输出滤波器和升压充电器，当电网电压正常时，开通双向可控硅，逆变器被双向可控硅旁路，逆变器不工作，处于待机状态，电网通过双向可控硅给负载正常供电，供电效率达99％，当电网电压跌落或瞬变时，逆变器立刻工作，将储能直流单元的直流逆变成交流补偿电压，电网电压与补偿电压叠加，为负载供电，同时给双向可控硅反压，使双向可控硅关断，当电网电压跌落深度较深，低于50％，或跌落时间较长，长于2秒，倍压整流器提供的能量，将无法持续为负载提供电压，而升压充电器，将承担为直流储能单元充电的作用，保证DVR有足够的能量为负载提供正常的电力供应，同时，升压充电器为储能器充电，以保持储能器的电压相等，防止电压不平衡的情况出现，使得补偿电压波形平滑。

7.根据权利要求6所述的动态电压补偿器的工作方法，其特征在于：双向可控硅(S1)由两个可控硅反向并联组成，串联于电网与负载之间，在电网电压正负半周过零点时，发出控制时序，触发对应的可控硅导通，关断采用反电压进行关断，当电网电压正常时，电网通过双向可控硅(S1)为负载提供正常稳定的电压，当电网电压跌落或瞬变时，双向可控硅被反压强制关断，负载电压由电网电压和逆变器产生的补偿电压叠加供给；

倍压整流器是由两个二极管(D1和D2)串联组成，倍压整流器的输出端接直流储能单元的正负两极，两个二极管的中间点接电网的中线端，通电时，开关(SW1)闭合，直流储能单元的电容(C1)和(C2)的中间节点与电网连接，当电网电压正半周时，电网电压通过二极管(D2)给电容(C2)充电，当电网电压负半周时，电网电压通过二极管(D1)给电容(C1)充电，电容(C1)和(C2)串联后的电压等于电网峰值电压的两倍，该电压为逆变器的直流母线电压；

直流储能单元由两个电容串联而成，中间点通过开关(SW1)接电网的输入端，直流储能单元的电压由倍压整理器提供，电网电压的正负半周分别给直流储能单元的电容(C2)和(C1)充电，直到直流储能单元的母线电压为电网峰值电压的两倍为止，当电网电压正常时，直流储能单元的电压一直保持这一电压值，当电网电压跌落或瞬变，逆变器立刻工作，直流储能单元为负载提供补偿电压；

半桥逆变器是由两个功率开关器件(G1和G2)组成，半桥逆变器与直流储能单元并联连接，其中间点与直流储能单元的中间点之间连接一个输出滤波器，两个功率开关器件的通断时序为互补，逆变器依据电网电压跌落的情况，产生补偿电压，补偿电网电压跌落的部分，补偿电压与剩余电网电压叠加，为负载提供稳定正常的电力；

输出滤波器由一个电感(L1)和一个电容(C3)组成，输出滤波器是一个低通滤波器，用于滤除逆变器产生的高频信号，逆变器输出的高频电压被滤波器过滤，只有低频电压通过，滤波器的中间点通过一个开关(SW2)和负载相连；

升压充电器输入端与电网相连，输出端分别连接直流储能单元的电容(C1)和(C2)，升压充电器是一个AC/DC变换电路，将电网电压通过PWM调制，整流成所需的直流电压，升压充电器分别检测电容(C1)和(C2)的电压值，当直流储能单元的母线电压一直高于某一值时，升压充电器不工作，当检测到储能电容(C1)或(C2)的电压低于某一值时，则升压充电器给(C1)或(C2)充电，以保持(C1或C2)的电压为一恒定值，这样就可以延长DVR补偿电压的时间。

8.根据权利要求6所述的动态电压补偿器的工作方法，其特征在于：所述直流储能单元中两个串联的电容为大容量的储能电容。