CN103904668B

CN103904668B - 统一电能质量控制器

Info

Publication number: CN103904668B
Application number: CN201410120825.7A
Authority: CN
Inventors: 刘正富; 马明; 卫才猛; 徐柏榆; 盛超; 陈晓科; 王玲; 李玎; 罗运松; 王浩; 王晓毛; 梅成林; 邓志; 李兰芳
Original assignee: Huizhou Power Supply Bureau Of Guangdong Power Grid Corp; Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co Ltd
Current assignee: Huizhou Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co Ltd; Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co Ltd
Priority date: 2014-03-27
Filing date: 2014-03-27
Publication date: 2016-05-11
Anticipated expiration: 2034-03-27
Also published as: CN103904668A

Abstract

本发明公开了统一电能质量控制器，所述统一电能质量控制器包括：串联单元、并联单元和取能单元；所述串联单元包括一个串联换流器和三个单相变压器，所述并联单元包括一个并联换流器，所述取能单元包括一个并联换流器；所述串联单元和并联单元的交流侧通过三相馈线连接。本发明通过增加取能单元，当电压正常情况下，与三相馈线连接的电源通过并联单元维持公共直流母线电压；当发生电压暂降时，与取能单元相连的电源处于连通状态，通过取能单元维持公共直流母线电压，持续对该电压暂降进行补偿，使负荷电压的电能质量不受影响，而所述统一电能质量控制器不需要额外配置大容量储能装置，有效地降低了装置成本。

Description

统一电能质量控制器

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及统一电能质量控制器。

背景技术

统一电能质量控制器（UnifiedPowerQualityConditioner,UPQC）是一类综合解决负荷电能质量问题（如电压波动与闪变、电压谐波、电压暂降、电流谐波、电流三相不平衡等）的电力电子装置，UPQC由串联换流器和并联换流器组成，二者通过公共直流母线连接在一起，实现能量交换。

当发生大容量设备启动、电网短路故障时，会相应地引起电压暂降，电压暂降是指在工频情况下电压有效值降低至0.9p.u～0.1p.u，且持续时间在0.5个周波到1min。而电压暂降对电能质量敏感设备的危害很大，引起了半导体制造、汽车制造、金融贸易等行业的重视。

传统的UPQC解决电压暂降问题是在公共直流母线侧配置大容量的储能装置（如图1所示）。当出现电压暂降时，储能装置储存的能量对该电压暂降进行补偿。

申请人在实施本发明时发现上述现有技术至少存在以下技术问题：

现有技术中，使用大容量的储能装置对电压暂降进行补偿，若电压暂降持续补偿时间越长，对应的储能装置的容量要求就越大，由于大容量的储能装置价格极其昂贵，造成电能质量控制器的成本急剧增加。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提出了一种统一电能质量控制器，能有效解决储能装置价格昂贵的问题。

所述统一电能质量控制器，包括：

串联单元、并联单元和取能单元；所述串联单元包括一个串联换流器和三个单相变压器，所述并联单元包括一个并联换流器，所述取能单元包括一个并联换流器；所述串联单元和并联单元的交流侧通过三相馈线连接；

其中所述串联单元中的串联换流器交流侧的三个单相输出端分别连接至所述三个单相变压器的输出端，所述三个单相变压器的输入端分别连接至三相馈线的每一条馈线上；所述并联单元中的并联换流器交流侧的三个单相输出端分别连接至所述三相馈线的每一条馈线上；所述取能单元的并联换流器交流侧的三个单相输出端形成三个接入端子；所述串联单元中的串联换流器、所述并联单元中的并联换流器与所述取能单元中的并联换流器的公共直流侧并联在一起。

现有技术是通过使用大容量的储能装置对电压暂降进行补偿，与现有技术相比，上述统一电能质量控制器，增加了取能单元，当电压正常情况下，与三相馈线连接的电源通过并联单元维持公共直流母线电压；当发生电压暂降时，与取能单元的三个接入端子相连的电源处于连通状态，通过取能单元维持公共直流母线电压，持续对该电压暂降进行补偿，有效地解决重要负荷的电能质量问题，特别是当负荷的供电电源发生电压暂降时，能够持续对该电压暂降进行补偿，使负荷电压的电能质量不受影响，而所述统一电能质量控制器不需要额外配置大容量储能装置，有效地降低了电能质量控制器的成本。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了一种统一电能质量控制器的现有技术结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例一提供的统一电能质量控制器的结构示意图；

图3示出了根据本发明实施例一提供的电能质量控制器与双路电源连接时的结构示意图；

图4示出了根据本发明另一实施例提供的模块化多电平换流器的结构示意图；

图5示出了根据本发明另一实施例中模块化多电平换流器一子模块的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明实施例提供的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明实施例中的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明实施例而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明实施例，并且能够将本发明实施例的范围完整的传达给本领域的技术人员。

实施例一

如图2所示，是本发明统一电能质量控制器在实施例一中的结构示意图，包括串联单元11、并联单元和取能单元；所述串联单元11包括串联换流器111和三个单相变压器组成的三相变压器T1，所述并联单元包括一个并联换流器121，所述取能单元包括一个并联换流器131；所述串联单元和并联单元的交流侧通过三相馈线连接。

其中，所述串联单元中的串联换流器111交流侧的三个单相输出端分别连接至所述三个单相变压器的输出端（T_a、T_b、T_c），所述三个单相变压器T1的输入端分别连接至三相馈线（U_a1、U_b1、U_c1）的每一条馈线上；所述并联单元中的并联换流器121交流侧的三个单相输出端分别连接至所述三相馈线（U_a1、U_b1、U_c1）的每一条馈线上；所述取能单元的并联换流器131交流侧的三个单相输出端形成三个接入端子（U_a2、U_b2、U_c2）；所述并联单元中的并联换流器、所述取能单元中的并联换流器与所述取能单元中的串联换流器的公共直流侧并联在一起。

图3示出了将上述实施例一中的电能质量控制器与双路电源连接时的结构示意图。

如图3所示，所述三相馈线（U_a1、U_b1、U_c1）与三个接入端子（U_a2、U_b2、U_c2）相连的电源为双路独立电源。所谓的双路独立电源是指电压等级、性质均相同的两路电源，其中，一个为正常电源U_s1，另一个为备用电源U_s2。对于双路独立电源，供电正常的情况下，电气设备使用正常电源U_s1，当正常电源U_s1因故发生电压暂降或断电时，备用电源U_s2会在极短的时间里自动切换投入，从而保证电气设备供电的连续性及电能质量；当正常电源U_s1恢复供电时，又自动在极短的时间里切换回正常电源U_s1供电。

本发明实施例提供的统一电能质量控制器增加了一个取能单元，并且具有与双路独立电源连接的接口。在实施本发明时，将本发明实施例提供的电能质量控制器与双独立电源连接，当电压正常情况下，与三相馈线连接的正常电源U_s1通过并联单元维持公共直流母线电压；当发生电压暂降时，与取能单元的三个接入端子相连的备用电源U_s2处于连通状态，通过取能单元维持公共直流母线电压，持续对该电压暂降进行补偿，使负荷电压的电能质量不受影响；当电压暂降结束，与取能单元的三个接入端子相连的备用电源U_s2处于开路状态。

现有技术中，使用大容量的储能装置对电压暂降进行补偿，若电压暂降持续补偿时间越长，对应的储能装置的容量要求就越大，由于大容量的储能装置价格极其昂贵，造成电能质量控制器的成本急剧增加。而本发明实施例通过取能单元连接备用电源U_s2不仅能够持续对电压暂降进行补偿，无需任何成本昂贵的储能装置，并且由于储能单元所采用的换流器与储能装置相比价格十分低廉，因此，与现有技术相比可大大降低电能质量控制器的成本。

在本发明的另一优选实施例中，所述变压器T1优先使用单相隔离变压器。

单相隔离变压器是一种隔离电网电压，保护电网正常运行的设备，其具有抗干扰、阻抗变换、稳定系统电压、防止系统接地、降低短路电流、保护人身安全，隔离危险电压的作用。一般而言，采用常规类型的变压器，对电压暂降的补偿是通过三相电压同时补偿，而不能实现对电压暂降的分相补偿；本实施例采用三个单相隔离变压器组成的三相变压器，由于变压器为三个单相隔离变压器组成，三相中的每一相都有一个变压器，若需要补偿的是三相中的某一相，就可以用对应的相电压进行补偿。因此，与采用常规变压器的电能质量控制器相比，本发明实施例采用三个单向隔离变压器实现了对电压暂降的分相补偿，有效提高了电能质量控制器的补偿性能。

实施例二

在本实施例中，串联换流器111、并联换流器121和并联换流器131都为模块化多电平换流器（ModularMultilevelConverter，MMC），相应的，本发明提供的统一电能质量控制器也可称为MMC-UPQC。

如图4所示，为本实施例中所述模块化多电平换流器MMC的结构示意图，所述模块化多电平换流器为三相全桥电压源逆变器结构，其交流侧每相（A、B、C）都包括上桥桥臂和下桥桥臂两个桥臂（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N个子模块（如图中的子模块201和子模块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换流器交流侧每一相的输出端（A、B、C），其中N为大于1的整数。

一般而言，为了提高换流器的容量和电压等级，采用功率开关器件串联的方式，但输出的电平数少，不能满足更高电压等级要求且波形畸变严重，谐波含量高，需要用交流滤波器来减少谐波，同时存在功率器件串联均压的问题；本发明实施例使用的模块化多电平换流器模块化程度高，通过子模块串联的方式来调整换流器的电平数，输出的电平多，可以输出高电压，满足高电压等级要求；输出的谐波含量少，无需滤波器，因此，可降有效低电能质量控制器的成本。

如图5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I1和第二绝缘栅双极型晶体管I2，第一绝缘栅双极型晶体管I1的集电极连接第二绝缘栅双极型晶体管I2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D1和二极管D2）。

在本发明的另一优选实施例中，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I1的发射极，每个子模块202中的第一绝缘栅双极型晶体管I1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I1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I1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I1的发射极，各个子模块依次连接。

在本发明的另一优选实施例中，所述模块化多电平换流器交流侧三相的同侧上桥桥臂中的第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换流器的公共直流侧正极，同侧下桥桥臂中的第N子模块中的第一绝缘栅双极型晶体管的发射极都并联连接后为所述模块化多电平换流器的公共直流侧负极。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本发明实施例并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书（包括伴随的权利要求、摘要和附图）中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书（包括伴随的权利要求、摘要和附图）中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

Claims

1.一种统一电能质量控制器，其特征在于，包括：

其中，所述串联单元中的串联换流器交流侧的三个单相输出端分别连接至所述三个单相变压器的输出端，所述三个单相变压器的输入端分别串联连接至三相馈线的每一条馈线上；所述并联单元中的并联换流器交流侧的三个单相输出端分别并联连接至所述三相馈线的每一条馈线上；所述取能单元的并联换流器交流侧的三个单相输出端形成三个接入端子；所述串联单元中的串联换流器、所述并联单元中的并联换流器与所述取能单元中的并联换流器的直流侧并联在一起。

2.根据权利要求1所述的一种统一电能质量控制器，其特征在于，所述取能单元的三个接入端子在电压暂降时处于连通状态。

3.根据权利要求1所述的一种统一电能质量控制器，其特征在于，所述串联换流器和并联换流器具体为模块化多电平换流器。

4.根据权利要求3所述的一种统一电能质量控制器，其特征在于，所述模块化多电平换流器为三相全桥电压源逆变器结构，其交流侧每相都包括上桥桥臂和下桥桥臂两个桥臂，每个所述桥臂都包括一个桥臂电抗器和N个子模块，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换流器交流侧每一相的输出端；其中N为大于1的整数。

5.如权利要求4所述的一种统一电能质量控制器，其特征在于，

所述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，所述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。

6.如权利要求5所述的一种统一电能质量控制器，其特征在于，

所述每个所述上桥桥臂中的所述桥臂电抗器连接至上桥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；

每个所述下桥桥臂中的所述桥臂电抗器连接至下桥第一子模块中第一绝缘栅双极型晶体管的集电极，每个子模块中的第一绝缘栅双极型晶体管的发射极依次与另一个子模块中的第一绝缘栅双极型晶体管的集电极连接。

7.如权利要求6所述的一种统一电能质量控制器，其特征在于，

所述模块化多电平换流器交流侧三相的同侧上桥桥臂中的第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换流器的公共直流侧正极；

所述模块化多电平换流器交流侧三相的同侧下桥桥臂中的第N子模块中的第一绝缘栅双极型晶体管的发射极都并联连接后为所述模块化多电平换流器的公共直流侧负极。

8.根据权利要求1所述的一种统一电能质量控制器，其特征在于，所述的3个单相变压器都是单相隔离变压器。