CN104578082B - 动态电压校正装置、校正方法及负载短路故障的隔离方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种动态电压校正装置，包括由L、S5、S6、C1、C2构成的第一变换器，由D1、D2、S1、S2、S3、S4构成的第二变换器，由Lf、Cf构成的LC滤波器以及双向开关；端子a和端子b为交流输入端，连接交流电源；端子c和端子d为交流输出端，连接交流负载。当交流电源的电压幅值跌落或者升高超出正常范围时，双向开关断开，该装置由交流输入端电压与第二变换器的输出电压叠加后经LC滤波器滤波将交流输出端电压幅值校正至正常范围；当负载发生短路故障时，该装置可限制负载短路电流，交流电源不受负载短路影响；该动态电压校正装置无变压器、无外部供电，具有体积重量小、结构简洁、输出波形质量高的优点。

Description

动态电压校正装置、校正方法及负载短路故障的隔离方法
技术领域
本发明涉及一种动态电压校正装置，属于电能质量控制领域。
背景技术
在交流电网供电方式下公共连接点电压会不可避免地出现电压幅值暂降或暂升扰动，对电压敏感的负载通常需要在接入端串联相应功率等级的电压校正装置将供电电压矫正到正常电压范围。传统的用于校正电压的动态电压恢复器（Dynamic VoltageRestorer）采用串联变压器将补偿的电压串入供电端以稳定供电电压。为减小装置体积重量，无变压器的动态电压恢复器将补偿变换器的输出端电容直接串入供电端，但该方案仍需要隔离的供电电源对装置进行供电。
专利200880021386.7中提出的动态电压暂降校正（Dynamic Sag Corrector）装置利用电网电压自供电，拓扑结构简洁。通过设计该装置中的输入端或输出端变压器匝比，一方面可匹配宽输入电压范围的电压暂降补偿，另一方面可使其中的逆变部分具有较高调制比，补偿的电压波形质量较高。但是该装置仍采用变压器结构，并且无法实现电网电压暂升情况下的校正。
有文献研究了上述动态电压暂降校正装置在电网电压暂升情况下的电压校正问题，主要解决电网电压暂升补偿下能量倒灌导致的该装置直流母线电压上升问题。采用零有功功率补偿的方案可使补偿电压的相位与负载电流垂直以实现零能量倒灌，但补偿后的端口电压相位随电网电压跌落深度变化，难以实现实时的零有功功率补偿。有文献研究了上述动态电压暂降校正装置在无变压器条件下提高补偿电压的波形质量。采用在该装置的直流母线上直接串接可控功率开关的方案可降低直流母线电压，通过提高直流电压利用率的方式提高补偿电压的波形质量，但因添加可控功率开关后整流部分输出电流为基波频率的窄脉冲，给电网侧注入较大的电流谐波。由于该方法中的直流母线电流必须断续，如电路中存在电感则可控功率开关将被过压击穿，电路工作的安全性差。
在交流电网供电方式下单个设备发生故障，如负载瞬时短路，会影响公共连接点电压，对同网受电的其他敏感设备造成影响。现有研究采用固态限流器解决负载瞬时短路时的短路电流限制，减小负载短路故障对公共连接点影响。固态限流器通过负载短路瞬间在负载接入端串入较大感值的电感以限制负载短路电流和维持公共连接点电压。该设备的工作可靠性较高，但是具有设备体积重量较大的缺点。
因而，存在这样一种动态电压校正器的需求，在该装置可实现电网电压暂降和暂升的校正，可在无变压器条件下提高补偿电压的波形质量，同时还可兼顾负载短路故障隔离的功能。
发明内容
所要解决的技术问题：
本发明旨在提出一种动态电压校正装置，该装置可应用于电网供电下对敏感负载进行动态电压校正和负载短路故障隔离。
技术方案：
为了实现以上功能，本发明提供了一种动态电压校正装置，其特征在于：该动态电压校正装置设有交流输入端和交流输出端，所述交流输入端包括第一交流输入端a和第二交流输入端b，所述交流输出端包括第一交流输出端c和第二交流输出端d；所述装置包括第一变换器1、第二变换器2、LC滤波器3以及双向开关VS；所述第一变换器1的输入端连接交流输入端a和b，其输出端作为第二变换器2的输入端连接第二变换器2，第二变换器2的输出端连接LC滤波器3和第一交流输入端a，所述LC滤波器3连接交流输出端c和d；所述交流输入端a和b电压与第二变换器2的输出电压叠加后经LC滤波器滤波3滤波得到交流输出端c和d的电压；所述双向开关VS一端连接第一交流输入端a，另一端连接第一交流输出端c，双向开关VS在装置工作时断开，在装置退出工作时闭合。
所述第一变换器1具体包括电感器L、第五晶体管S5、第六晶体管S6、第一电容器C1以及第二电容器C2；所述第五晶体管S5和第六晶体管S6同向串联连接，第一电容器C1和第二电容器C2同向串联连接；第一交流输入端a与电容器的连接点即中点相连，并且连接第一电容器C1的负极和第二电容器C2的正极；第五晶体管S5的集电极连接第一电容器C1的正极，第六晶体管S6的发射极连接第二电容器C2 的负极；第二交流输入端b经电感器L连接到第六晶体管S6的集电极。
所述第二变换器2具体为一个二极管箝位型三电平拓扑结构，包括两个二极管D1、D2 和四个晶体管S1、S2、S3、S4；所述二极管D1、D2 同向串联，晶体管S1、S2、S3、S4 同向串联；第一交流输入端a连接第一二极管D1的正极和第二二极管D2的负极，第一二极管D1的负极连接第一晶体管S1 的发射极和第二晶体管S2的集电极，第二二极管D2的正极连接第三晶体管S3 的发射极和第四晶体管S4的集电极；所述第二变换器2输入直流电压连接在第一电容器C1和第二电容器C2上，第一电容器C1的正极连接第一晶体管S1 的集电极，第二电容器C2的负极连接第四晶体管S4 的发射极；所述第二变换器2第一输出端与LC滤波器3相连接，其第二输出端连接于第一交流输入端a。
所述晶体管均并联一个反向二极管或寄生一个反向并联的体二极管。
所述LC滤波器3包括连接于第二变换器2第一输出端与第一交流输出端c之间的滤波电感器Lf，连接于第一交流输出端c与第二交流输出端d之间的滤波电容器Cf，第二交流输入端b与第二交流输出端d相连。
一种动态电压校正方法，其特征在于：当交流输入端电压幅值跌落或者升高超出正常范围时双向开关VS断开，所述第一变换器1将交流输入端的交流电压整流为直流电压并引出中点，通过调节第五晶体管S5和第六晶体管S6 的开关逻辑控制第一电容器C1和第二电容器C2两端的直流电压；所述第二变换器2将包含中点的直流电压逆变为三电平交流脉冲电压，通过调节第二变换器2的晶体管S1、S2、S3和S4的开关逻辑控制三电平交流脉冲电压的基波幅值和相位，从而校正交流输出端电压；该三电平交流脉冲电压与交流输入端a和b电压叠加后经LC滤波器3滤波得到交流输出端c和d的电压。
一种负载短路故障的隔离措施，其特征在于：当交流输出端负载发生短路故障时双向开关VS断开，通过调节第一变换器1的第五晶体管S5和第六晶体管S6的开关逻辑控制第一电容器C1和第二电容器C2两端的直流电压，通过调节第二变换器2的晶体管S1、S2、S3和S4的开关逻辑限制短路电流；负载短路故障期间交流输入端电压不受负载短路故障干扰，当负载短路故障消失后该装置恢复动态电压校正功能。
有益效果：
从上述的技术方案可以看出，本发明提供的动态电压校正装置与现有技术相比具有如下益效果：
1、本装置无变压器结构，拓扑简洁，在进行动态电压校正功能时无需外部电源供给。
2、第一变换器可实现双向功率流动，在电网电压暂降情况下，第一变换器将补偿能量从交流电网传输至直流母线；在电网电压暂升情况下，第一变换器将倒灌至直流母线上的能量回馈到交流电网，保持直流母线电压的稳定。
3、第二变换器采用的三电平半桥拓扑一方面降低了功率器件的电压应力，另一方面提高了校正电压的波形质量；在没有变压器结构的条件下，该拓扑提高了调制比。
4、本装置实现了一机两用，在负载发生短路故障时迅速实现短路限流，不改变控制策略条件下自然实现故障隔离功能；负载短路故障期间交流电网电压不受影响。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1 本发明提供的动态电压校正装置主电路图；
图2 本装置中第一变换器的控制原理框图；
图3 本装置中第二变换器的控制原理框图；
图4 本装置对电网电压暂降情况校正的仿真图；
图5 本装置对电网电压暂升情况校正的仿真图；
图6 本装置在负载短路情况下的故障隔离仿真图；
上述图中主要符号名称：1——第一变换器；2——第二变换器；3——LC滤波器；S1，S2，S3，S4，S5，S6——晶体管及其反相并联二极管；D1，D2——二极管；C1，C2——电容器；L——电感器；Lf——滤波电感器；Cf——滤波电容器，VS——双向开关；Us——输入端电压；Uo——输出端电压；IL——输入端电感电流；Io——输出电流，Udc——直流母线电压。
具体实施方式
本发明提供一种动态电压校正装置，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1所示的动态电压校正装置的主电路设有交流输入端a和b以及交流输出端c和d，其包括第一变换器1、第二变换器2、LC滤波器3以及双向开关VS；所述第一变换器1的输入端连接交流输入端a和b，其输出端作为第二变换器2的输入端连接第二变换器2，第二变换器2的输出端连接LC滤波器3和第一交流输入端a，所述LC滤波器3连接交流输出端c和d；所述第二交流输入端b电压与第二变换器2的输出电压叠加后经LC滤波器3滤波；所述双向开关VS一端连接第一交流输入端a，另一端连接第一交流输出端c，双向开关VS在装置工作时断开，在装置退出工作时闭合。该装置的交流输出端电压是由其交流输入端电压与变换器2输出的三电平交流脉冲电压叠加后经LC滤波器3滤波得到的。
该装置中的第一变换器1结构具体包括电感器L、第五晶体管S5、第六晶体管S6、第一电容器C1以及第二电容器C2；所述第五晶体管S5和第六晶体管S6同向串联连接，第一电容器C1和第二电容器C2同向串联连接；第一交流输入端子a与电容器的连接点即中点相连，并且连接第一电容器C1的负极和第二电容器C2的正极；第五晶体管S5的集电极连接第一电容器C1的正极，第六晶体管S6的发射极连接第二电容器C2 的负极；第二交流输入端b经电感器L连接到第六晶体管S6的集电极。
该装置中的变换器2结构具体为一个二极管箝位型三电平拓扑结构，包括两个二极管D1、D2 和四个晶体管S1、S2、S3、S4；所述二极管D1、D2 同向串联，晶体管S1、S2、S3、S4 同向串联；第一交流输入端（a）连接第一二极管D1的正极和第二二极管D2的负极，第一二极管D1的负极连接第一晶体管S1 的发射极和第二晶体管S2的集电极，第二二极管D2的正极连接第三晶体管S3 的发射极和第四晶体管S4的集电极；所述第二变换器2输入直流电压连接在第一电容器C1和第二电容器C2上，第一电容器C1的正极连接第一晶体管S1 的集电极，第二电容器C2的负极连接第四晶体管S4 的发射极；所述第二变换器2第一输出端与LC滤波器3相连接，其第二输出端连接于第一交流输入端a。
该装置中的LC滤波器3包括连接于第二变换器2第一输出端与第一交流输出端c之间的滤波电感器Lf，连接于第一交流输出端c与第二交流输出端d之间的滤波电容器Cf，第二交流输入端b与第二交流输出端d相连。
采用本发明提供的动态电压校正装置既能够实现动态电压校正的功能，又能够在单个设备发生短路时，对电网进行故障隔离。
当交流输入端电压幅值跌落或者升高超出正常范围时双向开关VS断开，所述第一变换器1将交流输入端的交流电压整流为直流电压并引出中点，通过调节第五晶体管S5和第六晶体管S6 的开关逻辑控制第一电容器C1和第二电容器C2两端的直流电压；所述第二变换器2将包含中点的直流电压逆变为三电平交流脉冲电压，通过调节第二变换器2的晶体管S1、S2、S3和S4的开关逻辑控制三电平交流脉冲电压的基波幅值和相位，从而校正交流输出端电压；该三电平交流脉冲电压与第二交流输入端b电压叠加后经LC滤波器3滤波得到交流输出端电压。
当交流输出端负载发生短路故障时双向开关VS断开，通过调节第一变换器1的第五晶体管S5和第六晶体管S6的开关逻辑控制第一电容器C1和第二电容器C2两端的直流电压，通过调节第二变换器2的晶体管S1、S2、S3和S4的开关逻辑限制短路电流；负载短路故障期间交流输入端电压不受负载短路故障干扰，当负载短路故障消失后该装置恢复动态电压校正功能。
结合图2和图3具体阐述对第一变换器1、第二变换器2的控制方法。
图2为变换器1的控制框图，第一变换器1的采样值包括直流母线电压采样，第一电容器C1电压采样，第二电容器C2电压采样，输入端电感电流采样和电网电压相位。直流母线电压基准值和直流母线电压采样值分别与第一电压调节器的同相输入端和反相输入端相连接，第一电容器C1电压采样值和第二电容器C2电压采样值分别与中点电压均衡调节器的同相输入端和反相输入端相连接，第一电压调节器的输出和中点电压均衡调节器的输出均与第一电流调节器的同相输入端相连接，第一电压调节器的输出信号需包含电网电压的相位信息，输入端电感电流采样值与第一电流调节器的反相输入端相连接，第一电流调节器的输出和三角载波分别与电压比较器的同相输入端和反相输入端相连接，电压比较器的输出经过驱动逻辑运算提供给晶体管S5和S6的驱动信号。对第一变换器1的控制可实现直流母线的稳定，直流母线电容均压和输入端的单位功率因数，同时可实现能量的双向流动。
图3为第二变换器2的控制框图。第二变换器2的采样值包括输出电压采样，输出滤波电感电流采样和电网电压相位。包含电网电压相位信息的输出电压基准值与第二电压调节器的同相输入端相连接，输出电压采样值与第二电压调节器的反相输入端相连接，第二电压调节器的输出端与电流基准限幅的输入端相连接，电流基准限幅的输出端和输出滤波电感电流采样值分别与第二电流调节器的同相输入端和反相输入端相连接，第二电流调节器的输出端和三角载波分别与电压比较器的同相输入端和反相输入端相连接，电压比较器的输出经过驱动逻辑运算提供给晶体管S1、S2、S3和S4的驱动信号。对第二变换器2的控制可实现电压暂降和升高的补偿，使得输出电压稳定。在负载发生短路故障时可实现对负载电流的限幅。
图4、图5和图6为基于以上具体实施方式下的仿真波形。以115V/400Hz电源系统为例进行仿真，敏感负载的供电电压要求为115V/400Hz，额定功率为30kVA。
图4中输入端电压Us的幅值在0.16s（秒）处瞬时暂降67%并于0.18s恢复。电压突变时间点均选择在电压波谷位置以仿真最恶劣情况。输出电压Uo不受输入端电压暂降的影响，动态电压校正装置对电压暂降的校正精度高，响应速度快。输入端电感电流IL在电压跌落期间增大，输入端电网通过第一变换器1经直流母线向第二变换器2提供补偿电压跌落部分的能量。直流母线电压Udc稳定于400V附近。
图5中输入端电压Us在0.2s处瞬时暂升23%并于0.22s恢复。电压突变时间点均选择在电压波峰位置以仿真最恶劣情况。输出电压Uo不受输入端电压暂升的影响，动态电压校正装置对电压暂升的校正精度高，响应速度快。输入端电感电流IL在电压暂升期间的基波相位与输入电压相位相反，第一变换器1向电网回馈能量。直流母线电压Udc稳定于400V附近。
图6中负载在0.24s处发生短路故障。此时输出电压Uo为0，输出电流Io与输入端电感电流IL的峰值均受限制。负载短路故障未影响输入端电压Us，实现了瞬时短路故障的隔离。短路期间直流母线电压Udc的纹波增大，但仍稳定于400V附近。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种动态电压校正装置，其特征在于：该动态电压校正装置设有交流输入端（a，b）和交流输出端（c，d），所述交流输入端（a，b）包括第一交流输入端（a）和第二交流输入端（b），所述交流输出端（c，d）包括第一交流输出端（c）和第二交流输出端（d）；所述装置包括第一变换器（1）、第二变换器（2）、LC滤波器（3）以及双向开关（VS）；所述第一变换器（1）的输入端连接交流输入端（a，b），其输出端作为第二变换器（2）的输入端连接第二变换器（2），第二变换器（2）的输出端连接LC滤波器（3）和第一交流输入端（a），所述LC滤波器（3）连接交流输出端（c，d）；所述交流输入端（a，b）电压与第二变换器（2）的输出电压叠加后经LC滤波器（3）滤波得到交流输出端（c，d）电压；所述双向开关（VS）一端连接第一交流输入端（a），另一端连接第一交流输出端（c），双向开关（VS）在装置工作时断开，在装置退出工作时闭合；
所述第一变换器（1）具体包括电感器L、第五晶体管S5、第六晶体管S6、第一电容器C1以及第二电容器C2；所述第五晶体管S5和第六晶体管S6同向串联连接，第一电容器C1和第二电容器C2同向串联连接；第一交流输入端（a）与电容器的连接点即中点相连，并且连接第一电容器C1的负极和第二电容器C2的正极；第五晶体管S5的集电极连接第一电容器C1的正极，第六晶体管S6的发射极连接第二电容器C2 的负极；第二交流输入端（b）经电感器L连接到第六晶体管S6的集电极。
2.根据权利要求1所述的一种动态电压校正装置，其特征在于：所述第二变换器（2）具体为一个二极管箝位型三电平拓扑结构，包括两个二极管D1、D2 和四个晶体管S1、S2、S3、S4；所述二极管D1、D2 同向串联，晶体管S1、S2、S3、S4 同向串联；第一交流输入端（a）连接第一二极管D1的正极和第二二极管D2的负极，第一二极管D1的负极连接第一晶体管S1 的发射极和第二晶体管S2的集电极，第二二极管D2的正极连接第三晶体管S3 的发射极和第四晶体管S4的集电极；所述第二变换器（2）输入直流电压连接在第一电容器C1和第二电容器C2上，第一电容器C1的正极连接第一晶体管S1 的集电极，第二电容器C2的负极连接第四晶体管S4 的发射极；所述第二变换器（2）第一输出端与LC滤波器（3）相连接，其第二输出端连接于第一交流输入端（a）。
3.根据权利要求1或2所述的一种动态电压校正装置，其特征在于：所述晶体管均并联一个反向二极管或寄生一个反向并联的体二极管。
4.根据权利要求1所述的一种动态电压校正装置，其特征在于：所述LC滤波器（3）包括连接于第二变换器（2）第一输出端与第一交流输出端（c）之间的滤波电感器Lf，连接于第一交流输出端（c）与第二交流输出端（d）之间的滤波电容器Cf，第二交流输入端（b）与第二交流输出端（d）相连。
5.根据权利要求2所述动态电压校正装置的一种动态电压校正方法，其特征在于：当交流输入端电压幅值跌落或者升高超出正常范围时双向开关（VS）断开，所述第一变换器（1）将交流输入端的交流电压整流为直流电压并引出中点，通过调节第五晶体管S5和第六晶体管S6 的开关逻辑控制第一电容器C1和第二电容器C2两端的直流电压；所述第二变换器（2）将包含中点的直流电压逆变为三电平交流脉冲电压，通过调节第二变换器（2）的晶体管S1、S2、S3和S4的开关逻辑控制三电平交流脉冲电压的基波幅值和相位，从而校正交流输出端电压；该三电平交流脉冲电压与交流输入端（a，b）电压叠加后经LC滤波器（3）滤波得到交流输出端（c，d）电压。
6.根据权利要求2所述动态电压校正装置的一种负载短路故障的隔离方法，其特征在于：当交流输出端负载发生短路故障时双向开关（VS）断开，通过调节第一变换器（1）的第五晶体管S5和第六晶体管S6的开关逻辑控制第一电容器C1和第二电容器C2两端的直流电压，通过调节第二变换器（2）的晶体管S1、S2、S3和S4的开关逻辑限制短路电流；负载短路故障期间交流输入端电压不受负载短路故障干扰，当负载短路故障消失后所述动态电压校正装置恢复动态电压校正功能。
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