CN103326397B - 一种混合频率控制的统一电能质量控制器 - Google Patents

一种混合频率控制的统一电能质量控制器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种混合频率控制的统一电能质量控制器,包括:串联单元、并联单元和控制系统;串联单元包括串联变换器和三个变压器,所述并联单元包括并联变换器;串联变换器交流侧的三个单相输出端分别连接至三个变压器初级的一个端子,三个变压器初级的另一端子星型连接,三个变压器次级端子分别串联接入至三相馈线的每一条单相馈线上,并联变换器交流侧的三个单相输出端分别连接至三相馈线上经三个所述变压器次级串联接入后的每一条单相馈线上,串联变换器的直流侧连接至并联变换器的直流侧;控制系统分别与所述串联变换器和并联变换器连接。本发明能降低装置的总电器损耗,提高装置的寿命。

Description

一种混合频率控制的统一电能质量控制器
技术领域
[0001] 本发明涉及电力系统电能质量控制技术领域,特别是涉及一种混合频率控制的统一电能质量控制器。
背景技术
[0002]统一电能质量控制器(Unified Power Quality Condit1ner, UPQC)是一类能综合解决电压电流电能质量问题的电能质量控制器。UPQC包括并联部分和串联部分。其中,串联部分用于解决电压问题,具备DVR、DUPS功能;并联部分用于解决电流问题,具备D-STATC0M、APF功能。目前国内已有研制小容量实验样机的报道,但实际的工程应用,特别是在中高压、大容量供电领域的应用仍存在一定距离。
[0003] 模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)技术的出现和发展为基于IGBT等全控开关器件的电力电子装置在中高压、大功率场合的应用提供了基础。该技术在柔性直流输电领域的应用展示了该技术的优势:它与开关管串联技术相比,更易实现在更高电压等级和功率要求场合的应用;模块化设计可以方便地提高装置冗余度,增加了装置的运行可靠性;模块化的设计也利于标准化的规模化生产,以便降低生产成本;多电平技术可以减小输出电压的谐波含量以及开关器件的开关频率,进而减少了开关损耗。同样的,MMC技术也适用于UPQC装置,为UPQC在中高压、大容量的场合应用提供了可能。
[0004] 电气损耗是统一电能质量控制器装置的一个重要指标,基于模块化多电平变换器技术的统一电能质量控制器(MMC-UPQC)子模块开关器件的损耗是装置电气损耗的主要部分。
[0005] 现有的MMC-UPQC中串并联两个部分均使用相同开关频率的的高频控制驱动信号,同时处理低频的电压暂降/暂升、谐波电压、无功电流、不平衡电流问题和高频的谐波电流问题。两个单元均处于高频开关状态导致了很高的开关损耗,使得装置的总电气损耗明显提闻。
发明内容
[0006] 基于此,本发明提供一种混合频率控制的统一电能质量控制器,能有效降低装置的总电器损耗,节约资源,提高装置的寿命。
[0007] 一种混合频率控制的统一电能质量控制器,包括:串联单元、并联单元和控制系统;所述串联单元包括一个串联变换器和三个变压器,所述并联单元包括一个并联变换器;
[0008] 所述串联变换器交流侧的三个单相输出端分别连接至三个所述变压器初级的一个端子,三个所述变压器初级的另一端子星型连接,三个所述变压器次级端子分别串联接入至三相馈线的每一条单相馈线上,所述并联变换器交流侧的三个单相输出端分别连接至所述三相馈线上经三个所述变压器次级串联接入后的每一条单相馈线上,所述串联变换器的直流侧连接至所述并联变换器的直流侧;
[0009] 所述串联变换器和并联变换器都为模块化多电平变换器;所述模块化多电平变换器为三相全桥逆变器结构,其交流侧每相都包括两个桥臂,每个所述桥臂都包括一个桥臂电抗器和I〜N个子模块,其中,N为预设整数,每相的两个所述桥臂中的两个所述桥臂电抗器串联连接,每相的两个所述桥臂电抗器连接线上的中点为所述模块化多电平变换器交流侧每一相的输出端;
[0010] 所述控制系统分别与所述串联变换器和并联变换器连接,用于产生预设开关频率的驱动信号;
[0011] 所述控制系统还用于将工频分别乘以K1和K2,其中K1为3至5之间的任意整数,K2为23至25之间的任意整数,得到第二预设开关频率和第三预设开关频率,产生所述第二预设开关频率的第二组驱动信号和所述第三预设开关频率的第三组驱动信号至所述并联变换器;
[0012] 其中,第二组驱动信号输出至部分子模块,该部分子模块个数按处理无功电流、不平衡电流的需求设定;第三组驱动信号输出至剩余部分子模块,该部分子模块个数为子模块总数N减去第二组驱动信号输出至部分子模块的个数。
[0013] 上述混合频率控制的统一电能质量控制器,串联变换器通过变压器连接到三相馈线上,并联变换器一侧与串联变换器连接,另一侧接入三相馈线上,其中串联变换器连接控制系统,并联变换器也连接控制系统,控制系统能产生预设开关频率的驱动信号,实现对串联变换器和并联变换器开关频率的单独控制,对于串联变换器可预设低频的驱动信号,并联变换器的驱动信号的开关频率也可根据需要而设置,因此有效降低串联变换器和并联变换器的开关频率,从而减小开关损耗,装置的总电气损耗明显降低,能提高装置的使用寿命O
附图说明
[0014] 图1为本发明混合频率控制的统一电能质量控制器在一实施例中的结构示意图。
[0015] 图2为图1中模块化多电平变换器在一实施例中的结构示意图。
[0016] 图3为图2中子模块的结构示意图。
具体实施方式
[0017] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细说明,但本发明的实施方式不限于此。
[0018] 如图1所示,本实施例提供了其中一种混合频率控制的统一电能质量控制器的结构示意图,包括串联单元11、并联单元和控制系统13 ;所述串联单元11包括一个串联变换器111和三个变压器(Ta、Tb、T。),所述并联单元包括一个并联变换器121 ;
[0019] 串联变换器111控制为电压源,所述串联变换器111交流侧的三个单相输出端分别连接至三个所述变压器(Ta、Tb、T。)的初级的端子,三个所述变压器初级的另一端子星型连接,三个所述变压器次级分别串联接入至三相馈线(Ua、Ub、U。)的每一条单相馈线上;
[0020] 并联变换器121控制为电流源,其交流侧输出为三线三相,所述并联变换器121交流侧的三个单相输出端分别连接至所述三相馈线上经三个所述变压器次级串联接入后的每一条单相馈线上,所述串联变换器111的直流侧连接至所述并联变换器121的直流侧;
[0021] 所述控制系统13分别与所述串联变换器111和并联变换器121连接,用于产生预设开关频率的驱动信号,控制系统产生不同预设开关频率的多组驱动信号至串联变换器111和并联变换器121,能有效降低装置的总电器损耗,节约资源,提高装置的寿命。
[0022] 在一较佳实施例中,所述控制系统13可用于将工频乘以M,其中,M为5至7之间的任意整数,得到第一预设开关频率,产生所述第一预设开关频率的第一驱动信号至所述串联变换器111 ;
[0023] 所述控制系统13还可用于将工频乘以K1和K2,其中K1为3至5之间的任意整数,K2为23至25之间的任意整数,得到第二预设开关频率和第三预设开关频率,产生所述第二预设开关频率的第二组驱动信号和所述第三预设开关频率的第三组驱动信号至所述并联变换器121 ;
[0024] 传统的统一电能质量控制器中串联变换器111和并联变换器121都使用了相同高开关频率的驱动信号进行控制,从而导致了装置的电气损耗很高,在本实施例中,通过控制系统13来处理不同频率的电能质量问题,从而减少统一电能质量控制器的总开关损耗,由于串联变换器111处理低频的电压暂降/暂升、谐波电压问题,而并联变换器121处理低频的无功电流、不平衡电流和高频的谐波电流问题,因此在本实施例中,对于串联变换器111的驱动信号的开关频率的设置,以处理工频的电压暂降/暂升和5、7次电压谐波问题为标准,可将工频乘以M,其中,M为5至7之间的任意整数,得到所述第一预设开关频率,控制系统13产生所述第一预设开关频率的第一组驱动信号至串联变换器111 ;对于并联变换器121的驱动信号的开关频率的设置,以处理无功电流、不平衡电流为标准,将工频乘以K1,其中K1为3至5之间的任意整数,得到第二预设开关频率,产生所述第二预设开关频率的第二组驱动信号至并联变换器121 ;以处理高频谐波电流问题为标准,其中最高为25次谐波电流,将工频乘以K2,其中K2为23至25之间的任意整数,防止开关损耗过大,得到第三预设开关频率,控制系统13产生第三预设开关频率的第三组驱动信号至并联变换器121。
[0025] 在一较佳实施例中,所述串联变换器111和并联变换器121都为模块化多电平变换器。
[0026] 在一较佳实施例中,如图2所示,为所述模块化多电平变换器的结构示意图,所述模块化多电平变换器为三相全桥逆变器结构,其交流侧每相(A、B、C)都包括两个桥臂(如图中的桥臂20和桥臂21),每个所述桥臂20都包括一个桥臂电抗器201和I〜N个子模块(如图中子模块202),每相的两个所述桥臂20中的两个所述桥臂电抗器201串联连接,每相的两个所述桥臂电抗器201连接线上的中点为所述模块化多电平变换器交流侧每一相的输出端(A、B、C);
[0027] 如图3所示,是子模块202的结构示意图,每个所述桥臂20中的每个所述子模块202包括第一绝缘栅双极型晶体管Il和第二绝缘栅双极型晶体管12,第一绝缘栅双极型晶体管Il的集电极连接第二绝缘栅双极型晶体管12的发射极,两个所述绝缘栅双极型晶体管串联连接后再并联一个电容C,两个绝缘栅双极型晶体管都反并联一个二极管(二极管Dl和二极管D2);
[0028] 每个所述桥臂20中的所述桥臂电抗器201连接至第一子模块202中第一绝缘栅双极型晶体管Il的发射极,每个子模块202中的第一绝缘栅双极型晶体管Il的集电极依次与另一个子模块202中的第一绝缘栅双极型晶体管Il的发射极连接;如图2所示,子模块都通过其第一绝缘栅双极型晶体管Il的集电极连接到下一个子模块202中的第一绝缘栅双极型晶体管Il的发射极,各个子模块依次连接;
[0029] 所述模块化多电平变换器交流侧三相的同侧桥臂中的第N子模块中的第一绝缘栅双极型晶体管的集电极都并联连接后为所述模块化多电平变换器的直流侧端点(Ud。);
[0030] 对于串联变换器111,控制系统产生的第一组驱动信号都输出至串联变换器111中每个子模块中的两个绝缘栅双极型晶体管;
[0031] 对于并联变换器121,控制系统产生的第二组驱动信号和第三组驱动信号输出至串联变换器121各个子模块,第二组驱动信号以处理无功电流、不平衡电流为标准,频率较低,第三组驱动信号以高频谐波电流问题为标准,频率较高,串联变换器121每个桥臂中包括I〜N个子模块,其中第二组驱动信号输出至部分子模块,该部分子模块个数按处理无功电流、不平衡电流的需求设定;第三组驱动信号输出至剩余部分子模块,该部分子模块个数为子模块总数N减去第二组驱动信号输出至部分子模块的个数。
[0032] 在一较佳实施例中,所述变压器(Ta、Tb、T。)为单相隔离变压器。
[0033] 本发明上述统一电能质量控制器,串联变换器通过变压器连接到三相馈线上,并联变换器一侧与串联变换器连接,另一侧接入三相馈线上,其中串联变换器连接控制系统,并联变换器也连接控制系统,控制系统能产生预设开关频率的驱动信号,实现对串联变换器和并联变换器开关频率的单独控制,对于串联变换器可预设低频的驱动信号,并联变换器的驱动信号的开关频率也可根据需要而设置,因此有效降低串联变换器和并联变换器的开关频率,从而减小开关损耗,装置的总电气损耗明显降低,能提高装置的使用寿命。
[0034] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种混合频率控制的统一电能质量控制器,其特征在于,包括:串联单元、并联单元和控制系统;所述串联单元包括一个串联变换器和三个变压器,所述并联单元包括一个并联变换器; 所述串联变换器交流侧的三个单相输出端分别连接至三个所述变压器初级的一个端子,三个所述变压器初级的另一端子星型连接,三个所述变压器次级端子分别串联接入至三相馈线的每一条单相馈线上,所述并联变换器交流侧的三个单相输出端分别连接至所述三相馈线上经三个所述变压器次级串联接入后的每一条单相馈线上,所述串联变换器的直流侧连接至所述并联变换器的直流侧; 所述串联变换器和并联变换器都为模块化多电平变换器;所述模块化多电平变换器为三相全桥逆变器结构,其交流侧每相都包括两个桥臂,每个所述桥臂都包括一个桥臂电抗器和I〜N个子模块,其中,N为预设整数,每相的两个所述桥臂中的两个所述桥臂电抗器串联连接,每相的两个所述桥臂电抗器连接线上的中点为所述模块化多电平变换器交流侧每一相的输出端; 所述控制系统分别与所述串联变换器和并联变换器连接,用于产生预设开关频率的驱动信号; 所述控制系统还用于将工频分别乘以K1和K2,其中K1为3至5之间的任意整数,K2为23至25之间的任意整数,得到第二预设开关频率和第三预设开关频率,产生所述第二预设开关频率的第二组驱动信号和所述第三预设开关频率的第三组驱动信号至所述并联变换器; 其中,第二组驱动信号输出至部分子模块,该部分子模块个数按处理无功电流、不平衡电流的需求设定;第三组驱动信号输出至剩余部分子模块,该部分子模块个数为子模块总数N减去第二组驱动信号输出至部分子模块的个数。
2.根据权利要求1所述的混合频率控制的统一电能质量控制器,其特征在于,所述控制系统还用于将工频乘以M,其中,M为5至7之间的任意整数,得到第一预设开关频率,产生所述第一预设开关频率的第一组驱动信号至所述串联变换器。
3.根据权利要求1所述的混合频率控制的统一电能质量控制器,其特征在于, 每个所述桥臂中的每个所述子模块包括第一绝缘栅双极型晶体管和第二绝缘栅双极型晶体管,第一绝缘栅双极型晶体管的集电极连接第二绝缘栅双极型晶体管的发射极,两个所述绝缘栅双极型晶体管串联连接后再并联一个电容,两个绝缘栅双极型晶体管都反并联一个二极管; 每个所述桥臂中的所述桥臂电抗器连接至第一子模块中第一绝缘栅双极型晶体管的发射极,每个子模块中的第一绝缘栅双极型晶体管的集电极依次与另一个子模块中的第一绝缘栅双极型晶体管的发射极连接; 所述模块化多电平变换器交流侧三相的同侧桥臂中的第N子模块中的第一绝缘栅双极型晶体管的集电极都并联连接后为所述模块化多电平变换器的直流侧端点。
4.根据权利要求3所述的混合频率控制的统一电能质量控制器,其特征在于,所述变压器为单相隔离变压器。
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