CN102769389B - 基于寄生升压电路的无变压器串联电压质量调节器及其控制方法 - Google Patents

基于寄生升压电路的无变压器串联电压质量调节器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于寄生升压电路的无变压器串联电压质量调节器及其控制方法，包括电源、逆变装置、电容储能装置、输出滤波电感、可控整流装置、整流滤波电感、负载、输出滤波电容、旁路开关及控制系统。其中，逆变装置和电容储能装置是串联在电源和负载之间，因而仅对引起电压质量问题的偏差进行控制，也就是部分逆变控制，所需要处理的能量小；电容储能装置的升压充电回路寄生在逆变装置中，并且可以根据负载补偿需要由可控整流装置对电容储能装置的充电状况进行控制，提高了装置的补偿范围和效率。

Description

基于寄生升压电路的无变压器串联电压质量调节器及其控制方法
【技术领域】
本发明属于电工技术中的电压质量控制技术领域，特别涉及一种基于寄生升压电路的无变压器串联交流电压质量调节器及其控制方法。
【背景技术】
现代科学技术的发展，一方面，造成电能质量问题的因素不断增长；另一方面，各种复杂的、精密的、对电能质量敏感的用电设备不断普及，人们对电能质量及可靠性的要求越来越高，上述问题的矛盾愈来愈突出。
电能质量问题大多可以归结为电压质量问题，特别是公共结点的电压质量问题。电网电压存在的各种干扰，如电压升高、跌落、瞬变、谐波等，将导致一些重要负载或对电压质量敏感设备的正常使用、性能降低、寿命缩短，还会造成一些生产设备无法正常运行、甚至损坏，严重的电压质量问题还有可能造成重大事故。
目前，解决电压质量问题的一个传统技术方法是采用交流稳压电源装置。交流稳压电源在工矿企业、国防科研、医疗设备、家用电器等许多方面得到了广泛应用。经过多年发展，交流稳压电源已成为电源技术的一个重要分支。
但是现有的各种交流稳压电源还存在着明显的不足。参数稳压器，它是根据稳压变压器原理构成的。优点：稳压范围宽，具有一定的滤波能力；电路简单，可靠性高。缺点：负载适应性差、对频率变化敏感、体积大。大功率补偿型稳压器，它主要由补偿变压器及检测控制电路等组成，没有滤波能力。净化型交流稳压器是利用可控硅移相形成可变电感，与主回路其它电感电容一起对正弦能量的储存与释放进行再分配，实现稳压，校正波形和抗干扰的功能。优点：效率高、动态响应快、抗干扰能力强，有一定滤波能力。缺点：对频率变化很敏感，负载适应能力差。
总结上述几种常见交流稳压电源的特点，它们的稳压性能都是非常好的，其性能基本上都是由无源参数的调整实现的，因而它们的滤波能力是非常有限的。而且无源参数对频率非常敏感，这就导致上述几种交流稳压电源在电网频率波动的情况下，稳压性能变差且很容易与电网发生谐振，不能正常工作。
现代电力电子技术的飞速发展,各种电力电子装置、设备等非线性负荷得到广泛应用，电网中的电压谐波含量越来越高，对电压质量影响日益严重，上述几种交流稳压电源已不能满足目前各种对电压质量敏感负荷的需求。为此，人们提出了许多利用电力电子技术的电压质量控制装置。
对于敏感负荷端，解决电压质量问题的一种直接有效措施是在电网和敏感负荷之间加装串联有源电压质量控制器，通过向电网注入补偿电压来保证敏感用户端的电压质量。由于串联装置只需要补偿系统电压的畸变和与额定值相差部分，而大部分能量还是直接由电网提供给负载，所以，通常它们具有更高的效率。目前与此相类似的装置有串联有源电力滤波器、动态电压恢复器及统一电能质量调节器等。串联有源电压质量调节器（或控制器）可以针对负荷侧电压与额定值偏差较大（过压或欠压）、电压波形严重畸变、供电频率出现偏差时用来保证敏感用户的供电电压质量，并且能够抑制电网振荡，是一种非常理想的电压质量控制装置。
但是，现有大多数串联有源交流电压质量调节器都采用变压器与电网进行耦合或隔离，以便将系统所需补偿电压耦合到电网或与电网进行电气隔离。变压器体积大，造价高，成为了装置的主要部件。并且制造变压器最基本的重要材料铁、铜等是不可再生资源。我国的矿产资源未来将全面短缺，将增加对进口的依赖程度。因而变压器未来将越来越少，也越来越贵。所以研制无变压器耦合或隔离的串联有源交流电压质量调节器，不论从提高装置效率，减小装置的体积、造价，还是节约资源均具有重要的现实意义。
请参阅图1所示，为现有的无变压器串联有源交流电压质量调节器的拓扑结构图，但是，该调节器的补偿能力有限，且受电网影响较大。
鉴于以上缺陷，实有必要提供一种可以解决上述技术问题的无变压器串联电压质量调节器。
【发明内容】
针对以上技术问题，本发明提供了一种基于寄生升压电路的无变压器串联电压质量调节器及其控制方法，大大提高了无变压器串联有源交流电压质量控制器的补偿能力、减小了电网对补偿能力的影响。
为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种基于寄生升压电路的无变压器串联电压质量调节器，包括电源、逆变装置、电容储能装置、输出滤波电感、可控整流装置、整流滤波电感、负载、输出滤波电容、旁路开关及对上述各部件进行检测和控制的控制系统；所述逆变装置的输入端与电源相连，输出端并联有电容储能装置和可控整流装置；所述电容储能装置包括相互串联的第一电容器和第二电容器，所述第一电容器和第二电容器之间的结点与负载之间串联所述输出滤波电感；所述可控整流装置包括相互串联的第一晶闸管和第二晶闸管，所述整流滤波电感的一端与可控整流装置相连，另一端与电源相连；所述负载的一端与电源相连，另一端与旁路开关相连，所述旁路开关的另一端与电源相连；所述输出滤波电容并联在所述旁路开关的两端。
作为本发明的优选实施例，所述逆变装置包括相互串联的第一全控型电力电子器件和第二全控型电力电子器件；
作为本发明的优先实施例，所述第一全控型电力电子器件和第二全控型电力电子器件包括绝缘栅双极晶体管，其内含反并联二极管；
作为本发明的优选实施例，所述控制系统包括电容储能装置的直流电压控制单元和负载电压控制单元，所述负载电压控制单元包括依次串联连接的瞬时电压生成器、第一调节器、第二调节器、PWM控制器及执行器，以及滤波与负载回路；所述电容储能装置的直流电压控制单元包括第三调节器、第四调节器、充电回路控制器以及移相控制器；检测的电源电压VS、给定的额定负载电压VN和移相控制器输出的移相控制信号为瞬时电压生成器的输入，瞬时电压生成器的输出是负载瞬时参考电压Vref；负载瞬时参考电压Vref与负载电压VL之差为第一调节器的输入，其输出与输出滤波电感Lf1的电流ILf1之差为第二调节器的输入；电源电压VS与负载瞬时参考电压Vref之差形成的前馈信号与第二调节器的输出共同构成脉冲宽度调制控制器及执行器的输入信号，以控制逆变装置；脉冲宽度调制控制器及执行器的输出结果再经过滤波与负载回路得到经控制调节后的负载电压VL'。
一种基于上述基于寄生升压电路的无变压器串联电压质量调节器的控制方法，首先，检测电源电压VS、负载电压VL、第一电容器电压VC1、第二电容器电压VC2、负载电流IL、输出滤波电感的电流ILf1；如果检测的电源的电压高于负载所需额定电压，关闭可控整流装置，电容储能装置上的电压由逆变装置控制；如果电源的电压低于负载所需额定电压，通过对可控整流装置的控制，对电容储能装置补充有功功率，维持电容储能装置上逆变装置所需的直流电压；如果检测的电源的电压低于负载所需额定电压，同时负载的功率因数小于1，若电源所能提供的最大有功功率大于负载所需的有功功率和装置本身的损耗，关闭可控整流装置，通过对逆变装置的控制，提高电源的功率因数，以对电容储能装置充电，对电容储能装置补充有功功率，维持逆变装置所需的直流电压。
与现有技术相比，本发明基于寄生升压电路的无变压器串联电压质量调节器及其控制方法至少具有以下优点：
（1）本发明逆变装置和电容储能装置是串联在电源和负载之间，因而仅对引起电压质量问题的偏差进行控制，也就是部分逆变控制，所需要处理的能量小；
（2）本发明逆变装置、电容储能装置和可控整流装置未经变压器隔离或耦合，因而构成交流电压质量控制器的结构简单、体积小、重量轻、成本低、效率高；
（3）电容储能装置的升压充电回路寄生在逆变装置中，并且可以根据负载补偿需要由可控整流装置对电容储能装置的充电状况进行控制，提高了装置的补偿范围和效率。
【附图说明】
图1为现有的无变压器串联电压质量调节器原理图；
图2为本发明无变压器串联电压质量调节器原理图；
图3为本发明调节器控制系统的结构框图；
图4为现有无变压器串联电压质量调节器补偿电压波动时的实验波形图；
图5为本发明无变压器串联电压质量调节器补偿电压波动时的实验波形图。
【具体实施方式】
本发明调节器的单相电路拓扑结构如图2所示。主要由电源1、逆变装置2、电容储能装置3、输出滤波电感4、可控整流装置5、整流滤波电感6、负载7、输出滤波电容8、旁路开关9及控制系统10组成。逆变装置2的输入端与电源1相连，输出端与电容储能装置3相连；电容储能装置3的输出端与输出滤波电感4相连，输入端与逆变装置2相连；输出滤波电感4一端与电容储能装置3相连，另一端与负载7相连；可控整流装置5的两端与电容储能装置3相连，另一端与整流滤波电感6；整流滤波电感6的一端与可控整流装置5相连，另一端与电源1相连；负载7的一端与电源1相连，另一端与旁路开关9相连；旁路开关9一端与电源1相连，另一端与负载7相连；输出滤波电容8的两端与旁路开关9的两端并联；控制系统10与电源1、逆变装置2、电容储能装置3、输出滤波电感4、可控整流装置5、整流滤波电感6、负载7、输出滤波电容8、旁路开关9各个部分相连，对上述各部分进行检测、保护和控制。
所述逆变装置2由第一全控型电力电子器件（如绝缘栅双极晶体管IGBT，其内含反并联二极管）V1和第二全控型电力电子器件V2构成；电容储能装置3由第一电容器C1和第二电容器C2构成；可控整流装置5由第一晶闸管V3和第二晶闸管V4组成，可以对充电状况进行控制；旁路开关9可以是机械开关（如接触器）也可以是快速的电力电子开关（如双向晶闸管等）及它们的组合。具体说，所述第一全控型电力电子器件V1的发射极与第二全控型电力电子器件V2的集电极相连，所述第一全控型电力电子器件V1的集电极和第二全控型电力电子器件V2的发射极分别与电容储能装置的第一电容器C1的正极和第二电容器C2的负极相连，进一步，所述第一全控型电力电子器件V1的发射极和第二全控型电力电子器件V2的集电极之间的结点与电源相连；所述输出滤波电感4的一端连接在第一电容器C1的负极和第二电容器C2的正极之间的结点，另一端与负载7相连；所述第一晶闸管V3的阳极和第二晶闸管V4的阴极相连，所述整流滤波电感6的一端与电源相连，另一端连接在第一晶闸管V3的阳极和第二晶闸管V4的负极之间的结点。
充电回路采用了可控方式，这里采用第一晶闸管V3和第二晶闸管V4，可以根据负载补偿所需电压对电容储能装置3的充电状况进行控制，提高装置的补偿能力和效率。当电源1的电压高于负载7所需额定电压时，关闭可控整流装置5，此时，电容储能装置3上的电压由逆变装置2控制。当电源1的电压低于负载7所需额定电压时，通过对可控整流装置5的控制，对电容储能装置3补充有功功率，维持电容储能装置3上逆变装置2所需的直流电压。另外，当电源1的电压低于负载7所需额定电压，而负载7的功率因数小于1（感性）时，若电源1所能提供的最大有功功率大于负载7所需的有功功率和装置本身的各种损耗时，也可关闭可控整流装置5。这时通过对逆变装置2的控制，适当提高电源1的功率因数，可以对电容储能装置3充电，对电容储能装置3补充有功功率能够维持逆变装置2所需直流电压。
参照图3所示，本发明控制系统主要由两部分构成，即电容储能装置3的直流电压控制和负载电压控制。所发明的串联交流电压质量调节器控制需要检测的物理量有：电源电压VS(图2中的ab间电压)、负载电压VL(图2中的cb间电压)、第一电容器C1电压VC1(图2中的de间电压)、第二电容器C2电压VC2(图2中的eg间电压)、负载电流IL、输出滤波电感Lf1的电流ILf1。
由检测的电源电压VS、给定的额定负载电压VN(如220V)和移相控制器14输出的移相控制信号作为瞬时电压生成器15的输入，其输出是负载瞬时参考电压Vref。负载瞬时参考电压Vref与负载电压VL之差作为第一调节器16的输入，其输出与输出滤波电感Lf1的电流ILf1之差作为第二调节器17的输入。电源电压VS与负载瞬时参考电压Vref之差形成的前馈信号与第二调节器17的输出共同构成PWM（脉冲宽度调制）控制器及执行器18的输入信号，控制逆变装置2。所述PWM控制器及执行器18包含控制逆变装置2。PWM控制器及执行器18的输出结果再经过滤波与负载回路19得到经控制调节后的负载电压VL'。这部分是负载电压控制。除这里给出电压、电流双闭环加缺损电压前馈控制方法外，为了提高输出电压质量，还可采用重复控制和谐振控制等方法。
由检测的电源电压VS与负载瞬时参考电压Vref之差作为第三调节器11的输入，第三调节器11输出与第一储能电容器C1或第二储能电容器C2的直流电压VC1或VC2之差作为第四调节器12的输入，第四调节器12的输出分两路，一路作为充电回路控制器13的输入，另一路作为移相控制器14的输入。所述充电回路控制器13的输出信号对可控整流装置5的第一晶闸管V3和第二晶闸管V4进行控制，调节第一储能电容器C1和第二储能电容器C2的直流电压。所述充电回路控制器13包含可控整流装置5。移相控制器14的输出可以得到移相控制信号并作为瞬时电压生成器15的一个输入。
控制系统还包括保护、驱动、隔离电路等电路。
本发明的无变压器串联交流电压质量控制器和控制有如下特点：
（1）对交流电压质量进行调节和控制的逆变装置2和电容储能装置3是串联在电源1和负载7之间，因而仅对引起电压质量问题的偏差进行控制，也就是部分逆变控制，所需要处理的能量小，因而构成交流电压质量控制器的体积小、变换效率高。
（2）逆变装置2、电容储能装置3和可控整流装置5未经变压器隔离或耦合，因而构成交流电压质量控制器的结构简单、体积小、重量轻、成本低、效率高。
（3）电容储能装置3的升压充电回路寄生在逆变装置2中，并且可以根据负载补偿需要由可控整流装置5对电容储能装置3的充电状况进行控制，提高了装置的补偿范围和效率。
（4）当逆变装置2、电容储能装置3、输出滤波电感4、可控整流装置5和整流滤波电感6中任何一个出现故障，串联电压质量控制器不能正常工作时，控制旁路开关9使其闭合，可将电源1的能量未经调节直接输出到负载7，保证负载7的电能不中断，这是一个应急措施。
由三个本发明的单相电路拓扑结构分别与三相电源相连就可以构成低压配电系统用的三相四线制系统。控制系统采用三套图3所示的控制系统框图，可对三相系统分别独立控制。
实验验证
当电源在80V~250V（rms）间周期性变化时，现有无变压器串联电压质量调节器（如图1所示）补偿电压波动时的实验波形如图4所示。图中，VS为电源电压，VL为负载电压，Vdc为直流侧储能电容器电压。从图中可以明显看出，当电源电压较低时，现有无变压器串联电压质量调节器无法补偿负载所需的电压（220V，rms）。在图4所示同样的电源电压条件下，图5是本发明的无变压器串联电压质量调节器补偿电压波动时的实验波形。从图5中可以看出，在这种情况下，本发明的串联电压质量调节器可以有效地对负载电压进行补偿,使其达到负载所需额定电压（220V，rms），这说明所发明的无变压器串联电压质量调节器补偿能力得到了大大提高。
以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种基于寄生升压电路的无变压器串联电压质量调节器，其特征在于：包括电源(1)、逆变装置(2)、电容储能装置(3)、输出滤波电感(4)、可控整流装置(5)、整流滤波电感(6)、负载(7)、输出滤波电容(8)、旁路开关(9)及对上述各部件进行检测和控制的控制系统(10)；所述逆变装置(2)的输入端与电源(1)相连，输出端并联有电容储能装置(3)和可控整流装置(5)；所述电容储能装置(3)包括相互串联的第一电容器(C1)和第二电容器(C2)，所述第一电容器和第二电容器之间的结点与负载(7)之间串联所述输出滤波电感(4)；所述可控整流装置(5)包括相互串联的第一晶闸管(V3)和第二晶闸管(V4)，所述整流滤波电感(6)的一端与可控整流装置(5)相连，另一端与电源(1)相连；所述负载(7)的一端与电源(1)相连，另一端与旁路开关(9)的一端相连，所述旁路开关(9)的另一端与电源(1)相连；所述输出滤波电容(8)并联在所述旁路开关(9)的两端；电容储能装置的升压充电回路寄生在逆变装置中，并且可以根据负载补偿需要由可控整流装置对电容储能装置的充电状况进行控制，如果检测的电源(1)的电压高于负载(7)所需额定电压，关闭可控整流装置(5)，电容储能装置(3)上的电压由逆变装置(2)控制；如果电源(1)的电压低于负载(7)所需额定电压，通过对可控整流装置(5)的控制，对电容储能装置(3)补充有功功率，维持电容储能装置(3)上逆变装置(2)所需的直流电压；如果检测的电源(1)的电压低于负载(7)所需额定电压，同时负载(7)的功率因数小于1，若电源(1)所能提供的最大有功功率大于负载(7)所需的有功功率和装置本身的损耗，关闭可控整流装置(5)，通过对逆变装置(2)的控制，提高电源(1)的功率因数，以对电容储能装置(3)充电，对电容储能装置(3)补充有功功率，维持逆变装置(2)所需的直流电压。
2.如权利要求1所述的一种基于寄生升压电路的无变压器串联电压质量调节器，其特征在于：所述逆变装置(2)包括相互串联的第一全控型电力电子器件和第二全控型电力电子器件。
3.如权利要求2所述的一种基于寄生升压电路的无变压器串联电压质量调节器，其特征在于：所述第一全控型电力电子器件和第二全控型电力电子器件包括绝缘栅双极晶体管，其内含反并联二极管。
4.如权利要求1所述的一种基于寄生升压电路的无变压器串联电压质量调节器，其特征在于：所述控制系统包括电容储能装置的直流电压控制单元和负载电压控制单元，所述负载电压控制单元包括依次串联连接的瞬时电压生成器(15)、第一调节器(16)、第二调节器(17)、PWM控制器及执行器(18)，以及滤波与负载回路(19)；所述电容储能装置的直流电压控制单元包括第三调节器(11)、第四调节器(12)、充电回路控制器(13)以及移相控制器(14)；检测的电源电压(VS)、给定的额定负载电压(VN)和移相控制器(14)输出的移相控制信号为瞬时电压生成器(15)的输入，瞬时电压生成器(15)的输出是负载瞬时参考电压(Vref)；负载瞬时参考电压(Vref)与负载电压(VL)之差为第一调节器(16)的输入，其输出与输出滤波电感(Lf1)的电流(ILf1)之差为第二调节器(17)的输入；电源电压(VS)与负载瞬时参考电压(Vref)之差形成的前馈信号与第二调节器(17)的输出共同构成脉冲宽度调制控制器及执行器(18)的输入信号，以控制逆变装置(2)；脉冲宽度调制控制器及执行器(18)的输出结果再经过滤波与负载回路(19)得到经控制调节后的负载电压(VL')。
5.如权利要求1所述的一种基于寄生升压电路的无变压器串联电压质量调节器的控制方法，其特征在于：
首先，检测电源电压(VS)、负载电压(VL)、第一电容器(C1)电压(VC1)、第二电容器(C2)电压(VC2)、负载电流(IL)、输出滤波电感(Lf1)的电流(ILf1)；
如果检测的电源(1)的电压高于负载(7)所需额定电压，关闭可控整流装置(5)，电容储能装置(3)上的电压由逆变装置(2)控制；
如果电源(1)的电压低于负载(7)所需额定电压，通过对可控整流装置(5)的控制，对电容储能装置(3)补充有功功率，维持电容储能装置(3)上逆变装置(2)所需的直流电压；
如果检测的电源(1)的电压低于负载(7)所需额定电压，同时负载(7)的功率因数小于1，若电源(1)所能提供的最大有功功率大于负载(7)所需的有功功率和装置本身的损耗，关闭可控整流装置(5)，通过对逆变装置(2)的控制，提高电源(1)的功率因数，以对电容储能装置(3)充电，对电容储能装置(3)补充有功功率，维持逆变装置(2)所需的直流电压。
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Control and analysis of a new dynamic voltage restorer circuit topology for mitigating long duration voltage sags;D.Mahinda Vilathgamuwa;《Conference Record of the 2002 IEEE Inductry Applications Conference. 37th IAS Annual Meeting》;20021018;全文 *
一种可调直流侧电压的串联有源交流电压质量调节器;肖国春等;《电工技术学报》;20101030;第25卷(第10期);第178页左栏第2段至右栏第2段及图2、图3 *

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