CN104617580A - 谐振式限流系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种谐振式限流系统及控制方法，其中，系统包括:三条相支路；每条相支路，包括变压器、PWM整流模块、级联逆变模块和三相带MOV保护的TCR支路；电网与变压器的初级相连接，PWM整流模块与变压器的次级相连接，用于对变压器输出电压进行整流；所述级联逆变模块的输入端与PWM整流模块的输出端连接；LCL输出滤波器连接在级联逆变模块的输出端与非线性负载之间，输出滤波器用于对级联逆变模块输出的电压进行滤波，并将滤波后的电压输给非线性负载；三相带MOV保护的TCR支路连接在LCL输出滤波器的逆变器出口侧滤波电感和滤波电容之间。通过本发明提供的谐振式限流系统及控制方法，能够提供多功能的限流器，稳定负荷电压，限制故障电流，故障期间谐波电流治理，提高电网安全性。

Description

谐振式限流系统及控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种谐振式限流系统及控制方法。
背景技术
电能是广泛应用于工业和人们日常生活中的一种基础能源。近年来，随着我国工业化的迅速发展，变速传动和电力电子设备在工业中大量增加的使用，以及电力系统大量增加使用电力电容器，使得电能质量和谐波问题越来越受到关注。非线性、冲击性等负荷不仅引起了电压波动、无功功率增加和三相不平衡等危害，还给电网中注入大量的谐波，这给电网带来额外负担同时，严重影响电力系统供电质量。一方面由于无功补偿调节不力而使得电网电压偏高或偏低，导致电压幅值达不到电能质量要求。另一方面电力电子装置等负荷的非线性使得电网电压、电流产生畸变，谐波在电网中的含量不断上升，造成了对电力系统安全以及稳定的潜在危害，很大的影响到周边的电气环境，是电网的一大公害。
电力系统运行的基本要求是保证可靠地持续供电、保证良好的电能质量及保证系统运行的经济性。一方面，随着工业生产中精密仪器的增多，及居民用户对电能质量要求的不断提高，各类电能质量补偿装置在电力系统中逐渐增多，例如：动态电压补偿器、有源电力滤波器、电力电子变压器等。另一方面，电力需求的日益增加，使得电力系统的规模越来越大，造成系统短路容量不断增大，系统短路电流水平不断提高，严重威胁着电力系统中的各类设备。电力电子型限流器由于动作速度快、允许多次动作等特点，在电力系统中有着广阔的应用。然而，专门在系统中安装限流器或增加单独的电能质量调节装置势必增加额外的电网投资。开关高频滤波器通常采用LC型及LCL型。但是LC型滤波器的滤波效果通常受电网阻抗参数影响较大；而LCL型滤波器拓扑虽然较为复杂，滤波效果却十分显著。且同样滤波效果下的两种类型滤波器相比较，LCL滤波器的参数选择设计数值小的多，因此对于减小设备体积，提高设备效益更加有利。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种谐振式限流系统及控制方法，能够提供多功能的限流器，稳定负荷电压，限制故障电流，提高电网安全性，使得谐振式限流系统的应用范围广泛，优化电网寂静投资成本。
第一方面，本发明提供一种谐振式限流系统，包括：三条相支路；
其中，每条相支路，包括变压器、脉冲宽度调制PWM整流模块、级联逆变模块和三相带金属氧化物压敏电阻MOV保护的晶闸管控制电抗器TCR支路；
电网与所述变压器的初级相连接，所述PWM整流模块与所述变压器的次级相连接，用于对所述变压器输出电压进行整流；
所述级联逆变模块的输入端与所述PWM整流模块的输出端连接；
所述LCL输出滤波器连接在所述级联逆变模块的输出端与非线性负载之间，所述输出滤波器用于对所述级联逆变模块输出的电压进行滤波，并将滤波后的电压输给所述非线性负载；
所述三相带MOV保护的TCR支路连接在所述LCL输出滤波器的逆变器出口侧滤波电感和滤波电容之间。
进一步地，所述PWM整流模块还包括滤波电感，所述滤波电感连接在所述PWM整流模块和所述变压器的次级之间。
进一步地，所述级联逆变模块还包括共用电容，所述共用电容连接在所述PWM整流模块和所述级联逆变模块之间。
进一步地，在所述三相带MOV保护的TCR支路中，所述MOV并联在TCR支路两端。
第二方面，本发明提供了一种用于控制谐振式限流系统的方法，在电网侧的电压发生波动且三相电压不平衡时，使TCR支路不发出触发信号，且使MOV关断。
进一步地，所述方法还包括：在非线性负载侧发生谐波电压时，级联逆变模块输出与所述谐波电压大小相等、方向相反的谐波电压，使所述TCR支路不发出触发信号，且使所述MOV关断。
进一步地，所述方法还包括：在相电流大于预设的电流值时，与所述相电流对应的所述MOV导通，并将与所述相电流对应的级联逆变封锁；
将所述相电流对应的所述相TCR支路导通，使得所述TCR支路与所述相电流对应的输出滤波器中的滤波电容并联谐振，并与所述相电流对应的输出滤波器中的电网侧的滤波电感进行限流。
进一步地，所述方法还包括：在相电流大于预设的电流值时，将所述相电流对应的PWM整流模块和所述相电流对应的变压器组成有源电力滤波器，用于对故障产生的谐波电流补偿。
由上述技术方案可知，通过本发明提供的谐振式限流系统及控制方法，其中，系统包括:三条相支路；其中，每条相支路，包括变压器、脉冲宽度调制PWM整流模块、级联逆变模块和三相带金属氧化物压敏电阻MOV保护的晶闸管控制电抗器TCR支路；电网与所述变压器的初级相连接，所述PWM整流模块与所述变压器的次级相连接，用于对所述变压器输出电压进行整流；所述级联逆变模块的输入端与所述PWM整流模块的输出端连接；所述LCL输出滤波器连接在所述级联逆变模块的输出端与非线性负载之间，所述输出滤波器用于对所述级联逆变模块输出的电压进行滤波，并将滤波后的电压输给所述非线性负载；所述三相带MOV保护的TCR支路连接在所述LCL输出滤波器的逆变器出口侧滤波电感和滤波电容之间。通过本发明提供的谐振式限流系统及控制方法，能够提供多功能的限流器，稳定负荷电压，限制故障电流，提高电网安全性，使得谐振式限流系统的应用范围广泛，优化电网寂静投资成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种谐振式限流系统的拓扑结构图；
图2为本发明实施例提供的一种动态电压补偿及谐波电压补偿模式的流程示意图；
图3为本发明实施例提供的一种控制谐振式限流系统的方法的谐振态拓扑结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种控制谐振式限流系统的方法的故障限流控制的拓扑结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他的实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的一种谐振式限流系统的拓扑结构图，如图1所示，本实施例的谐振式限流系统如下所述。
谐振式限流系统，包括：三条相支路，在三相电路中对应为A相、B相、C相。同时在外接电路时有三条支路与这三相电连接。
应理解的是，每一条支路都包括变压器、脉冲宽度调制(Pulse WidthModulation，简称PWM)整流模块、级联逆变模块、输出滤波器和三相带金属氧化物压敏电阻(Metal Oxide Varistor，简称MOV)保护的晶闸管控制电抗器(Thyristor Controller Reactor，简称TCR)支路。
应理解的是，变压器为Ta，变压器为Tb，变压器为Tc，三个变压器组成变压器模块。
其中，电网与变压器的初级相连接，PWM整流模块与变压器的次级相连接，用于对变压器输出电压进行整流，变压器将电网侧的高压降低为低压，输送到PWM整流模块。
应理解的是，级联逆变模块的输入端与所述PWM整流模块的输出端连接。
应理解的是，LCL输出滤波器连接在所述级联逆变模块的输出端与非线性负载之间，输出滤波器用于对所述级联逆变模块输出的电压进行滤波，并将滤波后的电压输给非线性负载。
应理解的是，三相带MOV保护的TCR支路连接在所述LCL输出滤波器的逆滤波电感和滤波电容之间。
可以理解的是，三相带MOV保护的TCR支路连接在输出滤波器的逆变器侧的滤波电感和逆变器侧的滤波电容之间。
应理解的是，PWM整流模块还包括滤波电感，滤波电感连接在所述PWM整流模块和所述变压器的次级之间。
应理解的是，级联逆变模块还包括共用电容，共用电容连接在所述PWM整流模块和级联逆变模块之间。
应理解的是，三相带MOV保护的TCR支路中，MOV并联在TCR支路两端，输出滤波器为LCL输出滤波器。
应理解的是，PWM整流模块，经过滤波电感滤波，整流后经过与级联逆变模块并联的电容稳压，实现对级联逆变模块的供能，级联逆变模块，每相级联逆变模块分别检测各相电源电压和负载电压，控制级联逆变模块对负载电压波动和谐波电压进行补偿。
LCL型输出滤波器模块，对级联逆变输出进行滤波，使负载的电能质量达到要求。
应理解的是，三相带MOV保护的TCR支路，用于使故障相TCR支路与故障相LCL型输出滤波器的滤波电容发生并联谐振，并结合故障相滤波器模块的电网侧滤波电感一起进行限流，MOV用于过电压保护。
应理解的是，TCR支路连接在LCL型输出滤波器模块的逆变器侧滤波电感和滤波电容之间，通过双向晶闸管短路到级联逆变模块的另一输出端。
应理解的是，三相带MOV保护的TCR支路中，MOV并联在TCR支路两侧。
通过本实施例提供的谐振式限流系统，能够提供多功能的限流器，稳定负荷电压，限制故障电流，故障期间谐波电流治理，提高电网安全性，使得谐振式限流系统的应用范围广泛，优化电网投资成本。
图2为本发明实施例提供的一种动态电压补偿及谐波电压补偿模式的流程示意图，图3为本发明实施例提供的一种控制谐振式限流系统的方法的谐振态拓扑结构示意图，图4为本发明实施例提供的一种控制谐振式限流系统的方法的故障限流控制的拓扑结构示意图，如图2至4所示，本实施例的控制谐振式限流系统的方法如下所述。
在电网侧的电压发生波动且三相电压不平衡时，使TCR支路不发出触发信号，且使MOV关断。
应理解的是，当检测到电网侧的电压波动且三相电压不平衡时，谐振式限流系统工作在动态电压补偿工作模式，以使TCR支路不发出触发信号，MOV关断。
在非线性负载侧发生谐波电压时，级联逆变模块输出与所述谐波电压大小相等、方向相反的谐波电压，使TCR支路不发出触发信号，且使MOV关断。
应理解的是，在非线性负载侧发生谐波电压时，谐振式限流系统工作在谐波电压补偿模式，级联逆变模块输出与所述谐波电压大小相等、方向相反的谐波电压，对谐波电压进行补偿，TCR支路不发出触发信号，MOV关断。
在相电流大于预设的电流值时，与所述相电流对应的所述MOV导通，并将与所述相电流对应的级联逆变封锁。
将相电流对应的所述相TCR支路导通，使得TCR支路与所述相电流对应的输出滤波器中的滤波电容并联谐振，并与相电流对应的输出滤波器中的电网侧的滤波电感进行限流。
在相电流大于预设的电流值时，将相电流对应的PWM整流模块和相电流对应的变压器组成有源电力滤波器，用于对非线性负载提供谐波电流。
应理解的是，当检测到相电流增大时，可判断谐振式限流系统发生短路故障，则故障相工作在限流模式，MOV过电压保护导通；非故障相持续运行。当电网发生短路故障后，MOV过电压保护立即动作；在系统检测到故障发生后，立即封锁故障相级联逆变模块脉冲，待故障相级联逆变模块退出运行后，将故障相TCR支路导通，通过控制故障相TCR支路与故障相LCL型输出滤波器的滤波电容发生并联谐振，并与故障相滤波器模块的电网侧滤波电感一起进行限流；此外，故障相的PWM整流模块与对应的并联变压器一起构成并联有源电力滤波器(Active Power Filter，简称APF)结构，可补偿故障期间的系统谐波电流补偿。
图2为本发明实施例提供的一种动态电压补偿及谐波电压补偿模式的流程示意图，当系统检测到电源电压波动或负载侧谐波电压时，级联逆变模块动态输出补偿电压，满足电压电能质量的要求。
图3为本发明实施例提供的一种控制谐振式限流系统的方法的谐振态拓扑结构示意图，以A相为例，当系统检测到故障发生后，级联逆变模块迅速退出运行；整流逆变模块仍然并联在系统中，直流侧电压维持稳定，有助于故障消失的系统快速恢复；带MOV保护的晶闸管支路导通后，通过调整MOV的导通角度，使得TCR能够与滤波电容发生并联谐振。由于并联谐振导纳趋于0，可以看作阻抗趋于无穷大，可与电网侧滤波电感一起进行限制短路故障电流。
图4为本发明实施例提供的一种控制谐振式限流系统的方法的故障限流控制的拓扑结构示意图，以A相为例，当系统检测到故障发生后，立即封锁故障相级联逆变模块脉冲，待故障相级联逆变模块退出运行后，将故障相TCR支路导通，通过控制故障相TCR支路与故障相LCL型输出滤波器的滤波电容发生并联谐振，并与故障相滤波器模块的电网侧滤波电感一起进行限流，此时故障相处于谐振态，可使得故障后大的短路电流限制在恰当的水平，等待继电保护动作；非故障相持续运行。此外，故障相的PWM整流模块可以与并联变压器Ta一起构成并联APF结构，通过相应控制可补偿故障期间的谐波电流，本发明中对谐波电流计算的具体方法并不做限制。
当电网发生短路故障后，故障相MOV过电压保护立即动作，MOV投入运行限制系统短路过电压；当故障相处于谐振态时，MOV用于保护系统谐振过电压。
通过本实施例提供的控制谐振式限流系统的方法，能够提供多功能的限流器，稳定负荷电压，限制故障电流，提高电网安全性，使得谐振式限流系统的应用范围广泛，优化电网寂静投资成本。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或者部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储在计算机可读取的存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质中。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但是，本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替代，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种谐振式限流系统，其特征在于，包括：三条相支路；
其中，每条相支路，包括变压器、脉冲宽度调制PWM整流模块、级联逆变模块和三相带金属氧化物压敏电阻MOV保护的晶闸管控制电抗器TCR支路；
电网与所述变压器的初级相连接，所述PWM整流模块与所述变压器的次级相连接，用于对所述变压器输出电压进行整流；
所述级联逆变模块的输入端与所述PWM整流模块的输出端连接；
所述LCL输出滤波器连接在所述级联逆变模块的输出端与非线性负载之间，所述输出滤波器用于对所述级联逆变模块输出的电压进行滤波，并将滤波后的电压输给所述非线性负载；
所述三相带MOV保护的TCR支路连接在所述LCL输出滤波器的逆变器出口侧滤波电感和滤波电容之间。
2.根据权利要求1所述的谐振式限流系统，其特征在于，所述PWM整流模块还包括滤波电感，所述滤波电感连接在所述PWM整流模块和所述变压器的次级之间。
3.根据权利要求1所述的谐振式限流系统，其特征在于，所述级联逆变模块还包括共用电容，所述共用电容连接在所述PWM整流模块和所述级联逆变模块之间。
4.根据权利要求1所述的谐振式限流系统，其特征在于，在所述三相带MOV保护的TCR支路中，所述MOV并联在TCR支路两端。
5.一种用于控制权利要求1的谐振式限流系统的方法，其特征在于，在电网侧的电压发生波动且三相电压不平衡时，使TCR支路不发出触发信号，且使MOV关断。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：在非线性负载侧发生谐波电压时，级联逆变模块输出与所述谐波电压大小相等、方向相反的谐波电压，使所述TCR支路不发出触发信号，且使所述MOV关断。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：在相电流大于预设的电流值时，与所述相电流对应的所述MOV导通，并将与所述相电流对应的级联逆变封锁；
将所述相电流对应的所述相TCR支路导通，使得所述TCR支路与所述相电流对应的输出滤波器中的滤波电容并联谐振，并与所述相电流对应的输出滤波器中的电网侧的滤波电感进行限流。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：在相电流大于预设的电流值时，将所述相电流对应的PWM整流模块和所述相电流对应的变压器组成有源电力滤波器，用于对故障产生的谐波电流补偿。
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