CN104410063B - 一种级联型统一电能质量调节系统 - Google Patents

Abstract

一种级联型统一电能质量调节系统，包括：级联并联单元，由多个H桥模块级联而成，接入电网；逆变单元，用来将级联并联单元各个电位上的直流电容上电压，通过逆变成交流电；隔离变压器，用来将从逆变单元逆变过来的交流电通过磁耦合的方式传递给整流单元；整流单元，用来将隔离变压器传过来的交流能量转换成直流侧，给直流电压稳压；串联单元，由多个H桥模块级联而成，然后与连接电抗Lc和串联电容Cc进行并联，通过控制输出的电压对负载所取的电压的幅值、电压谐波进行补偿；TSR支路，由多个晶闸管组串联后再与电抗Lg串联，通过控制晶闸管串的导通来将电抗Lg串入回路。本发明具有原理简单、易实现、适用范围广、能大大提高电能质量等优点。

Description

一种级联型统一电能质量调节系统

技术领域

本发明主要涉及到电力电子技术领域，特指一种用于改善电能质量的级联型统一电能质量调节系统。

背景技术

随着科学技术和国民经济的快速发展，电能的需求量也极大的增长。但是随着近年来电网中非线性负荷及冲击性负荷的增加，如电气化铁路、电弧炉及大型整流设备的增加，使得电能质量日益恶化。

近年来，电能质量引起了人们广泛的关注。电力公司对运行于高功率因数状态一直非常关心，因为高功率因数运行可以降低设备所需的额定值以及线路损耗和压降，从而减少对电压调节设备的需求。然而，电力公司的上述要求是与工业界大量使用变速传动和电力电子设备相并行的。变速传动和电力电子设备是带来电能质量问题的根源，这些设备与功率因数校正电容器组相互作用，导致了电压和电流的放大效应。而用户则希望得到高质量的电能。这三种相互冲突的局面决定了电能质量倍受关注，必须严肃对待。

随着生产的发展，电网中对电能质量敏感的负载，如基于微处理器的控制装置和电力电子装置、计算机设备、微电子设备等，不断增多，使得用户对供电质量的要求日益提高。冶金、化工学等现代化大工业和电气化铁路的发展，使得电网的负荷增大;电力系统中的非线性、冲击性及波动性负荷，导致电网发生波形畸变，产生谐波、电压波动、闪变、三相不平衡等电能质量问题;电网的非对称性和负荷波动性日趋严重，电能质量日趋恶化。为了应付电能质量的恶化，设备生产商致力于更好性能的设备如复杂的电力电子装置，用以改进系统的稳定性、运行和效率，但是，通常这种设备对电力质量扰动更加敏感，而且这些设备本身就是电能质量恶化的主要来源。这种问题的矛盾愈来愈突出，这使得电能质量问题对电网和配电系统造成的直接危害和可能对人类生活和生产造成的损失也越来越大。

电能质量问题分为电压质量问题和波形畸变问题，其中电压质量问题仅与供电质量有关，而波形畸变问题则涉及供电质量和用电质量两个方面的内容，即它既可能是电压质量问题，也可能是电流质量问题，如谐波问题，可能是电网电压的谐波问题，也可能是负载电流谐波问题。随着配电网结构和电力负荷成分的日趋复杂,各种电能质量问题在同一配电系统中或在同一用电负荷中同时出现的情况也会越来越多。例如在同一配电母线上，既有电压敏感负荷又有非线性负荷，还有冲击负荷，这种情况下，就需要安装电压补偿装置，如DVR，这类装置大多以串联的方式出现在电网侧，用以提供符合负载要求的供电电压；同时还需要安装电流补偿装置，如APF，以免负载侧的谐波电流或不平衡电流流入电网，影响供电系统的可靠性和其它负荷的正常运行。此时，若针对每一种电能质量问题都分别采取一种类型的调节装置，这样多种装置就会同时使用，将会大大增加治理成本，还会增加装置运行维护的复杂程度，并且各装置之间还存在着调配合问题，影响联合运行的可靠性，所以既不经济又不现实，如果有一种能够同时解决多种电能质量问题的装置，上述问题就可以解决。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、易实现、适用范围广、能大大提高电能质量的级联型统一电能质量调节系统。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种级联型统一电能质量调节系统，包括：

级联并联单元，由多个H桥模块级联而成，接入电网；

逆变单元，用来将级联并联单元各个电位上的直流电容上电压，通过逆变成交流电；

隔离变压器，用来将从逆变单元逆变过来的交流电通过磁耦合的方式传递给整流单元；

整流单元，用来将隔离变压器传过来的交流能量转换成直流侧，给直流电压稳压；

串联单元，由多个H桥模块级联而成，然后与连接电抗Lc和串联电容Cc进行并联，通过控制输出的电压对负载所取的电压的幅值、电压谐波进行补偿；

TSR支路，由多个晶闸管组串联后再与电抗Lg串联，通过控制晶闸管串的导通来将电抗Lg串入回路。

作为本发明的进一步改进：所述整流单元连接有储能装置，所述储能装置吸收负载制动时产生的能量。

作为本发明的进一步改进：所述级联并联单元通过连接电抗Ls接入电网。

作为本发明的进一步改进：所述隔离变压器采用中频或者高频变压器。

作为本发明的进一步改进：所述级联并联单元和串联单元均是采用相同的模块级联，所述隔离变压器在并联侧采用多绕组、在串联侧采用单绕组的方式来进行能量传输。

作为本发明的进一步改进：所述级联并联单元与电网之间采用单相对应接法。

作为本发明的进一步改进：所述级联并联单元与电网之间采用三相角接型接法。

作为本发明的进一步改进：所述级联并联单元与电网之间采用三相星型接法。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）本发明在应用后，变流系统与电网连接不需要变压器，可以直接接入高压系统，从而有利于提高系统响应时间，减少损耗和占地面积等优势。

（2）本发明利用高功率密度的中频或者高频变压器实行电气隔离和能量传输，其能确保系统的电气隔离，有利于提高系统的可靠性，同时由于功率密度大，占地和损耗少。

（3）本发明并联侧采用高压级联的方式，可兼顾高压侧的无功功率和谐波治理，而且响应时间快。

（4）本发明还具备储能功能，能在一定功率范围内给负载供电，即当电网断电时，储能装置存储的能力通过并联变流器输出，形成供电回路，相当于UPS的功能。

（5）本发明的串联侧还配备晶闸管阀控制电抗器回路，能控制系统的故障电流，具备故障限流器功能。

（6）本发明的并联侧和串联侧均使用级联电路，可根据实际所需的串联补偿电压补偿能力来匹配合适的级联模块数量和电压等级。

（7）本发明可应用于牵引供电网，解决牵引供电网的无功功率、谐波电流和谐波电压的问题，解决牵引网的谐振问题；也可以通过并联侧采用星型接法，串联侧采用三个单相使用于三相系统。

（8）本发明的并联侧采用级联技术，等效开关频率高，可以利用低开关频率器件实现对高压侧谐波的直接补偿。相对以往变压器降压的方式，谐波补偿延时小，响应更快。并联侧可以对谐波、无功功率、负序电流进行治理，还可以对有功功率进行调度；而串联侧可以对电压波动、闪变和电压谐波进行治理，因此整个装置可以对电压和电流的质量进行同时治理。

（9）本发明还对故障情况下的故障电流的大小进行限制，减少故障危害，为保护赢取时间。

附图说明

图1是本发明实施例1在具体应用实例中的结构原理示意图。

图2是本发明实施例2在具体应用实例中的结构原理示意图。

图3是本发明实施例3在具体应用实例中的结构原理示意图。

图例说明：

1、级联并联单元；2、逆变单元；3、隔离变压器；4、整流单元；5、串联单元；6、TSR支路。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1：如图1所示，本实例为单相统一电能质量调节器。本发明的级联型统一电能质量调节系统，包括：

级联并联单元1，由m*n个H桥模块级联而成，通过连接电抗Ls接入电网，与电网进行有功功率、无功功率和谐波功率的交换。电网侧的级联并联单元1采用基于H桥级联的模式，单个开关器件开关频率比较低，但级联后等效开关频率高达数十千赫兹，进而可以对谐波进行有效补偿。即，通过级联后，使得等效的开关频率很高，具备谐波补偿功能，能有效的对电网的电流谐波进行治理。通过对基波的整流控制，实现了从电网取电整流给直流电容充电，也可将直流电容上的电能反馈电网。

逆变单元2，用来将与级联并联单元1的各个电位上的直流电容上电压，通过逆变成交流电，这个交流电的频率根据隔离变压器3设计的频率来定，其中逆变输出采用串电容与变压器内抗形成谐振回路，加快能量传输效率。

隔离变压器3，用来将从逆变单元2逆变过来的交流电通过磁耦合的方式传递给整流单元4。本实施例中，隔离变压器3可以采用工频的，但是为了减少变压器的体积，加大整个系统的功能密度，在其他的实施例中也可以采用中频或者高频变压器。隔离变压器3的目标是实现并联侧和串联侧的电位隔离，连接方式可以是多种，例如原边多绕组次边单绕组，也可是是原边单绕组次边多绕组，或者原边和次边都是单绕组，具体方式需要根据串联和并联的模块电压特点进行匹配。在本实施例中，假设串联和并联单元采用的模块是一样的，考虑到串联补偿的电压比并联整流取得的直流电压要低，因此利用并联侧多绕组、串联侧单绕组的方式来进行能量传输。在具体使用时，可以通过改变中、高频隔离变压器3的原边和次边的绕组数、匝数来改变并联侧直流电压和并联侧直流电压的比，从而串联侧变流器合适的级联数。

整流单元4，用来将隔离变压器3传过来的交流能量转换成直流侧，给直流电压稳压，剩下的能量利用储能装置进行存储。储能环节主要吸收负载制动时产生的能量，实现制动能量的就地吞吐。

串联单元5，由多个H桥模块级联而成，然后与连接电抗Lc和串联电容Cc进行并联，通过控制输出的电压对负载所取的电压的幅值、电压谐波进行补偿。当电网停电时，还可将储能装置的能量转换成交流电输出给负载供电，相当于UPS的功能。

TSR支路6，由多个晶闸管组串联后再与电抗Lg串联，通过控制晶闸管串的导通来将电抗Lg串路回路，增加回路的阻抗，从而限制故障电流，为主回路开关继电保护跳闸赢取时间。本发明具备高压故障限流器的功能一体化，通过控制TSR（ThyristorSwitchReactor:晶闸管投切电抗器）就可限制故障电流。

由上可知，在本发明的结构中，级联并联单元1采用模块级联技术直接接入高压电网，而电气隔离采用中频或者高频变压器，由于在本发明的拓扑中隔离变压器3只需要传输并联侧和串联侧的能量交换，而并联侧无功补偿的功率不需要通过，因此变压器的容量只需要很小，而且采用中、高频的方式，功率密度大，体积更小。上述整个系统的结构都采用模块化设计，便于开发、移植和推广。

实施2：如图2所示，本实例为三相角接型统一电能质量调节器，本实施例的结构和原理与实施例1基本一致，不同之处就在于：级联并联单元1中采用三角形接法，可以通过并联级联部分每相的无功功率控制，可实现对电压不平衡的补偿，治理负序电流。

实施例3：如图3所示，本实例为三相星型接统一电能质量调节器，本实施例的结构和原理与实施例1基本一致，不同之处就在于：级联并联单元1中采用三相星型接法，由于三角形接法中零序分量是内循环的，因为星型接法更便于对每相的谐波进行控制。

通过采用本发明的上述结构，取消了与电网侧相连的变压器，而采用中间的中频或者高频变压器进行电气隔离。传统的网侧采用工频变压器隔离的方式中，并联侧所有的功率都要流过工频变压器，使得工频变压器的容量和体积较大。而现有的这种方式中，并联补偿的功率不需要经过变压器，而通过变压器只需要传输维持串联侧变流器的工作能量，所需的能量小，因此变压器的总容量更小和成本更低；而且中频或者高频变压器相对工频变压器的输出密度更高，体积进一步减少。

通过采用本发明的上述结构，配合控制对有功功率的调度，可以对有功潮流进行缓冲，当负载制动或者小功率取电时存储能量，在其需要大功率有功功率时发出能量，有效减少对电网的冲击。

通过采用本发明的上述结构，能通过电流补偿实现无功补偿、谐波抑制、负序治理的功能，还可以通过串联变流器的电压补偿，实现对电压波动、电压谐波和闪变进行有效治理。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种级联型统一电能质量调节系统，其特征在于，包括：

级联并联单元（1），由多个H桥模块级联而成，接入电网；所述级联并联单元（1）通过连接电抗Ls接入电网；

逆变单元（2），用来将级联并联单元（1）各个电位上的直流电容上电压，通过逆变成交流电；

隔离变压器（3），用来将从逆变单元（2）逆变过来的交流电通过磁耦合的方式传递给整流单元（4）；

整流单元（4），用来将隔离变压器（3）传过来的交流能量转换成直流侧，给直流电压稳压；

串联单元（5），由多个H桥模块级联而成，然后与连接电抗Lc和串联电容Cc进行并联，通过控制输出的电压对负载所取的电压的幅值、电压谐波进行补偿；

TSR支路（6），由多个晶闸管组串联后再与电抗Lg串联，通过控制晶闸管串的导通来将电抗Lg串入回路；

所述级联并联单元（1）和串联单元（5）均是采用相同的模块级联，所述隔离变压器（3）在并联侧采用多绕组、在串联侧采用单绕组的方式来进行能量传输。

2.根据权利要求1所述的级联型统一电能质量调节系统，其特征在于，所述整流单元（4）连接有储能装置，所述储能装置吸收负载制动时产生的能量。

3.根据权利要求1所述的级联型统一电能质量调节系统，其特征在于，所述隔离变压器（3）采用中频或者高频变压器。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的级联型统一电能质量调节系统，其特征在于，所述级联并联单元（1）与电网之间采用单相对应接法。

5.根据权利要求1～3中任意一项所述的级联型统一电能质量调节系统，其特征在于，所述级联并联单元（1）与电网之间采用三相角接型接法。

6.根据权利要求1～3中任意一项所述的级联型统一电能质量调节系统，其特征在于，所述级联并联单元（1）与电网之间采用三相星型接法。