发明内容
本发明的目的是提出一种综合电能质量控制器,以克服现有技术之不足,在电网电压正常时可以运行在动态无功、不平衡负荷和谐波电流补偿模式,而一旦发生电网电压跌落,则转变为电网电压补偿模式运行,稳定负荷端电压。
本发明提出的综合电能质量控制器,包括A相串联开关电路、B相串联开关电路、C相串联开关电路和一台三相链式电压源储能变流器;所述的A相串联开关电路含有2N+1个输入端,其中的一个输入端与综合电能质量控制器的交流输入端A相接,其中的2N个输入端为单相交流电源输入端,A相串联开关电路的输出端接到综合电能质量控制器的交流输出端U;所述的B相串联开关电路含有2N+1个输入端,其中的一个输入端与综合电能质量控制器的交流输入端B相接,其中的2N个输入端为单相交流电源输入端,B相串联开关电路的输出端接到综合电能质量控制器的交流输出端V;所述的C相串联开关电路含有2N+1个输入端,其中的一个输入端与综合电能质量控制器的交流输入端C相接,其中的2N个输入端为单相交流电源输入端,C相串联开关电路的输出端接到综合电能质量控制器的交流输出端W;所述的三相链式电压源储能变流器的三相交流输出端X、Y、Z分别接到所述的三相链式电压源储能变流器的三个交流输出端U、V、W。
上述综合电能质量控制器中,所述的三相链式电压源储能变流器包括:3M个单相电压源储能变流模块、三个连接电抗器、三个限流电阻以及三个旁路开关,其中,每M个单相电压源储能变流模块的交流输出端串联连接后与一个连接电抗器和一个限流电阻串联连接,形成一相变流电路,三相变流电路的一端互相连接到一起形成星型连接接,三相变流电路的另一端作为三相链式电压源储能变流器的三相交流输出端X、Y、Z,所述的三个旁路开关分别并联于所述的三个限流电阻两端。
上述综合电能质量控制器中,所述的A相串联开关电路、B相串联开关电路、C相串联开关电路中的每相串联开关电路,包括一个旁路可控硅强制关断电路、一组反并联旁路可控硅、第一检修开关、第二检修开关和一个自动旁路开关;所述的串联开关电路的输入端同时接到所述的第一检修开关的一端及所述的自动旁路开关的一端,所述的旁路可控硅强制关断电路的第一输出端同时接到第一检修开关的另一端和反并联旁路可控硅的一端,所述的旁路可控硅强制关断电路的第二输出端同时接到所述的第二检修开关的一端和反并联旁路可控硅的另一端,第二检修开关的另一端接到所述的自动旁路开关的另一端,并作为所述的串联开关电路的输出端,所述的旁路可控硅强制关断电路设有N组单相交流电源输入端。其中所述的旁路可控硅强制关断电路,包括N个单相整流与逆变器、第一滤波电感、第二滤波电感以及一个电阻和电容串联滤波支路,每个单相整流与逆变器包括一组单相交流电源输入端和一组单相逆变输出端,N个单相整流与逆变器的单相逆变输出端串联连接形成第一逆变输出端和第二逆变输出端,第一逆变输出端连接到所述的第一滤波电感的一端,第二逆变输出端连接到所述的第二滤波电感的一端,第一滤波电感的另一端连接到所述的电阻和电容串联滤波支路的一端,并作为旁路可控硅强制关断电路的第一输出端,第二滤波电感的另一端连接到所述的电阻和电容串联滤波支路的另一端,并作为旁路可控硅强制关断电路第二输出端。其中的单相整流与逆变器的,包括一个单相全波二极管整流桥、第一直流电容和第一单相电压源全桥逆变桥,所述的单相全波二极管整流桥的两个交流端分别连接到单相整流与逆变器的单相交流电源输入端,所述的单相全波二极管整流桥的直流正端和负端分别连接到第一直流电容的正极和负极,所述的第一单相电压源全桥逆变桥的正极和负极分别连接到所述的第一直流电容的正极和负极,第一单相电压源全桥逆变桥的两个交流输出端分别作为单相整流与逆变器的两个单相逆变输出端。
上述综合电能质量控制器中,所述的单相电压源储能变流模块,包括第二单相电压源全桥逆变桥、第二直流电容、第一带反并联二极管的半导体开关、第二带反并联二极管的半导体开关、一个斩波电抗器以及一组储能超级电容;所述的第二单相电压源全桥逆变桥的两个交流输出端分别作为单相电压源储能变流模块的交流输出端,第二单相电压源全桥逆变桥的直流正极和负极分别连接到第二直流电容的正极和负极,第二直流电容的正极连接到所述的第一带反并联二极管的半导体开关的集电极,第二直流电容的负极同时接到所述的第二带反并联二极管的半导体开关的发射极以及储能超级电容的负极,第一带反并联二极管的半导体开关的发射极连接到第二带反并联二极管的半导体开关的集电极以及斩波电抗器的一端,斩波电抗器的另一端连接到储能超级电容的正极。
本发明提出的综合电能质量控制器,其优点是:在电网电压正常时可以运行在动态无功、不平衡负荷与谐波电流补偿模式,而一旦发生电网电压跌落,则转变为负荷电压补偿模式运行,稳定负荷端电压。
附图说明
图1为本发明提出的综合电能质量控制器的电路原理图。
图2为本发明综合电能质量控制器中串联开关电路的电路原理图。
图3为图2所示的串联开关电路中旁路可控硅强制关断电路的电路原理图。
图4为图3所示的旁路可控硅强制关断电路中的单相整流与逆变器电路原理图。
图5为图1所示三相链式电压源储能变流器中单相电压源储能变流模块电路原理图。
图6为图3所示旁路可控硅强制关断电路中的单相整流与逆变器的另一种电路原理图。
图1-图5中,1是A相串联开关电路,2是B相串联开关电路,3是C相串联开关电路,4是三相链式电压源储能变流器,5是单相电压源储能变流模块,6是连接电抗器,7是限流电阻,8是旁路开关,9是旁路可控硅强制关断电路,10是反并联旁路可控硅组,11是第一检修开关,12是第二检修开关,13是自动旁路开关,14是单相整流与逆变器,15是第一滤波电感,16是第二滤波电感,17是电阻和电容串联滤波支路,18是单相全波二极管整流桥,19是第一直流电容,20是第一单相电压源全桥逆变桥,21是第二单相电压源全桥逆变桥,22是第二直流电容,23是第一带反并联二极管的半导体开关,24是第二带反并联二极管的半导体开关,25是斩波电抗器,26是储能超级电容,
具体实施方式
本发明提出的综合电能质量控制器,包括A相串联开关电路、B相串联开关电路、C相串联开关电路和一台三相链式电压源储能变流器,如图1中所示;
所述的A相串联开关电路含有2N+1个输入端,其中的一个输入端与综合电能质量控制器的交流输入端A相接,其中的2N个输入端为单相交流电源输入端,A相串联开关电路的输出端接到综合电能质量控制器的交流输出端U;
所述的B相串联开关电路含有2N+1个输入端,其中的一个输入端与综合电能质量控制器的交流输入端B相接,其中的2N输入端为N组单相交流电源输入端,B相串联开关电路的输出端接到综合电能质量控制器的交流输出端V;
所述的C相串联开关电路含有2N+1个输入端,其中的一个输入端与综合电能质量控制器的交流输入端C相接,其中的2N个输入端为单相交流电源输入端,C相串联开关电路的输出端接到综合电能质量控制器的交流输出端W;
所述的三相链式电压源储能变流器的三相交流输出端X、Y、Z分别接到所述的三相链式电压源储能变流器的三个交流输出端U、V、W。
上述综合电能质量控制器中,所述的三相链式电压源储能变流器的电路图如图1中所示,包括:3M个单相电压源储能变流模块、三个连接电抗器、三个限流电阻以及三个旁路开关,其中,每M个单相电压源储能变流模块的交流输出端串联连接后与一个连接电抗器和一个限流电阻串联连接,形成一相变流电路,三相变流电路的一端互相连接到一起形成星型连接接,三相变流电路的另一端作为三相链式电压源储能变流器的三相交流输出端X、Y、Z,所述的三个旁路开关分别并联于所述的三个限流电阻两端。
上述综合电能质量控制器中,所述的A相串联开关电路、B相串联开关电路、C相串联开关电路中的每相串联开关电路,其电路原理图如图2所示,包括一个旁路可控硅强制关断电路、一组反并联旁路可控硅、第一检修开关、第二检修开关和一个自动旁路开关;所述的串联开关电路的输入端同时接到所述的第一检修开关的一端及所述的自动旁路开关的一端,所述的旁路可控硅强制关断电路的第一输出端同时接到第一检修开关的另一端和反并联旁路可控硅的一端,所述的旁路可控硅强制关断电路的第二输出端同时接到所述的第二检修开关的一端和反并联旁路可控硅的另一端,第二检修开关的另一端接到所述的自动旁路开关的另一端,并作为所述的串联开关电路的输出端,所述的旁路可控硅强制关断电路设有N组单相交流电源输入端。
上述综合电能质量控制器中的旁路可控硅强制关断电路,其电路图如图3所示,包括N个单相整流与逆变器、第一滤波电感、第二滤波电感以及一个电阻和电容串联滤波支路,每个单相整流与逆变器包括一组单相交流电源输入端和一组单相逆变输出端,N个单相整流与逆变器的单相逆变输出端串联连接形成第一逆变输出端和第二逆变输出端,第一逆变输出端连接到所述的第一滤波电感的一端,第二逆变输出端连接到所述的第二滤波电感的一端,第一滤波电感的另一端连接到所述的电阻和电容串联滤波支路的一端,并作为旁路可控硅强制关断电路的第一输出端,第二滤波电感的另一端连接到所述的电阻和电容串联滤波支路的另一端,并作为旁路可控硅强制关断电路第二输出端。
所述综合电能质量控制器中的单相整流与逆变器,其电路图如图4所示,包括一个单相全波二极管整流桥、第一直流电容和第一单相电压源全桥逆变桥,所述的单相全波二极管整流桥的两个交流端分别连接到单相整流与逆变器的单相交流电源输入端,所述的单相全波二极管整流桥的直流正端和负端分别连接到第一直流电容的正极和负极,所述的第一单相电压源全桥逆变桥的正极和负极分别连接到所述的第一直流电容的正极和负极,第一单相电压源全桥逆变桥的两个交流输出端分别作为单相整流与逆变器的两个单相逆变输出端。
上述综合电能质量控制器中的单相电压源储能变流模块,其电路图如图5所示,包括第二单相电压源全桥逆变桥、第二直流电容、第一带反并联二极管的半导体开关、第二带反并联二极管的半导体开关、一个斩波电抗器以及一组储能超级电容;所述的第二单相电压源全桥逆变桥的两个交流输出端分别作为单相电压源储能变流模块的交流输出端,第二单相电压源全桥逆变桥的直流正极和负极分别连接到第二直流电容的正极和负极,第二直流电容的正极连接到所述的第一带反并联二极管的半导体开关的集电极,第二直流电容的负极同时接到所述的第二带反并联二极管的半导体开关的发射极以及储能超级电容的负极,第一带反并联二极管的半导体开关的发射极连接到第二带反并联二极管的半导体开关的集电极以及斩波电抗器的一端,斩波电抗器的另一端连接到储能超级电容的正极。
本发明提出的综合电能质量控制器,对于高电压应用,旁路可控硅强制关断电路中的单相整流与逆变器需要N个(N为自然数)低压的串联以便可承担高压,电网电压越高,N越大;三相链式电压源储能变流器中的单相电压源储能变流模块也需要M个(M个自然数)低压的串联以便可输出高压,电网电压越高,M越大。
图1所示为综合电能质量控制器的电路原理图,包括A相、B相、C相三个串联开关电路(1)(2)(3),一台三相链式电压源储能变流器(4),综合电能质量控制器有三个交流输入端A、B、C,三个交流输出端U、V、W。交流输入端A接到所述的A相串联开关电路(1)的输入端AI,A相串联开关电路(1)的输出端AO接到的交流输出端U,A相串联开关电路(1)还有N组单相交流电源输入端AI11/AI12、AI21/AI22、AIN1/AIN2等;交流输入端B接到B相串联开关电路(2)的输入端BI,B相串联开关电路(2)的输出端BO接到交流输出端V,B相串联开关电路(2)还有N组单相交流电源输入端BI11/BI12、BI21/BI22、BIN1/BIN2等;交流输入端C接到C相串联开关电路(3)的输入端CI,C相串联开关电路(3)的输出端CO接到交流输出端W,C相串联开关电路(3)还有N组单相交流电源输入端CI11/CI12、CI21/CI22、CIN1/CIN2等;三相链式电压源储能变流器(4)的三相交流输出端X、Y、Z分别接到三个交流输出端U、V、W。
如图1所示,三相链式电压源储能变流器(4)包括3N个单相电压源储能变流模块(5)PA1-PAN/PB1-PBN/PC1-PCN、三个连接电抗器(6)LA/LB/LC、三个限流电阻(7)RA/RB/RC及三个旁路开关(8)KA/KB/KC;N个单相电压源储能变流模块(5)的交流输输出端串联连接后和一个连接电抗器(6)及一个限流电阻(7)串联连接形成一相变流电路,三相变流电路的一端互相连接到一起形成星型连接接,三相变流电路的另一端作为三相链式电压源储能变流器的三相交流输出端X、Y、Z,三个旁路开关(8)KA/KB/KC分别并联于三个限流电阻(7)RA/RB/RC两端。
如图2所示,串联开关电路包括一个旁路可控硅强制关断电路(9)、一组反并联旁路可控硅(10)S3/S4、第一检修开关(11)K2、第二检修开关(12)K3和一个自动旁路开关(13)K1;串联开关电路的输入端I同时接到第一检修开关(11)K2的一端及自动旁路开关(13)K1的一端,旁路可控硅强制关断电路(9)的第一输出端O1同时接到第一检修开关(11)K2的另一端和反并联旁路可控硅(10)S3/S4的一端,旁路可控硅强制关断电路(9)的第二输出端O2同时接到第二检修开关(12)K3的一端和反并联旁路可控硅(10)S3/S4的另一端,第二检修开关(12)K3的另一端接到自动旁路开关(13)K1的另一端,并作为串联开关电路的输出端O,所述的旁路可控硅强制关断电路还有N组单相交流电源输入端I11/I12、I21/I22、IN1/IN2。
如图3所示,旁路可控硅强制关断电路包括N个单相整流与逆变器(14)P1-PN、第一滤波电感(15)L1、第二滤波电感(16)L2和一个电阻和电容串联滤波支路(17)RF/CF;每个单相整流与逆变器(14)P1-PN包括一组单相交流电源输入端及一组单相逆变输出端,N个单相整流与逆变器(14)P1-PN的单相逆变输出端串联连接形成第一逆变输出端和第二逆变输出端,第一逆变输出端连接到第一滤波电感(15)L1的一端,第二逆变输出端连接到第二滤波电感(16)L2的一端,第一滤波电感(16)L1的另一端连接到电阻和电容串联滤波支路(17)RF/CF的一端,并作为旁路可控硅强制关断电路的第一输出端O1,第二滤波电感(16)L2的另一端连接到电阻和电容串联滤波支路(17)RF/CF的另一端,并作为旁路可控硅强制关断电路第二输出端O2。
如图4所示,单相整流与逆变器包括一个单相全波二极管整流桥(18)B1、一个直流电容(19)C、一个单相电压源全桥逆变桥(20)INV,单相全波二极管整流桥(18)B1的两个交流端分别连接到单相整流与逆变器的单相交流电源输入端I1/I2,单相全波二极管整流桥的直流正负端分别连接到直流电容(19)1C的正负极,单相电压源全桥逆变桥(20)INV的正负极分别连接到直流电容(19)C1的正负极,单相电压源全桥逆变桥(20)INV的两个交流输出端分别作为单相整流与逆变器的单相逆变输出端T1/T2。
如图5所示,单相电压源储能变流模块包括一个单相电压源全桥逆变桥(21)INV2、一个直流电容(22)C2、第一带反并联二极管的半导体开关(23)S1、第二带反并联二极管的半导体开关(24)S2、一个斩波电抗器(25)L以及一组储能超级电容(26)SC;单相电压源全桥逆变桥(21)INV2的两个交流输出端分别作为单相电压源储能变流模块的交流输出端P1/P2,单相电压源全桥逆变桥(21)INV2的直流正负极分别连接到直流电容(22)C2的正负极,直流电容(22)C2的正极连接到第一带反并联二极管的半导体开关(23)S1的集电极,直流电容(22)C2的负极接到第二带反并联二极管的半导体开关(24)S2的发射极以及储能超级电容(26)SC的负极,第一带反并联二极管的半导体开关(23)S1的发射极连接到第二带反并联二极管的半导体开关(24)S2的集电极以及斩波电抗器(25)L的一端,斩波电抗器25(L)的另一端连接到储能超级电容(26)SC的正极。
本发明提出的综合电能质量控制器中的旁路可控硅强制关断电路中的单相整流与逆变器,也可以采用半桥整流与半桥逆变器,电路原理图如图6所示。
本发明综合电能质量控制器的工作原理图是:在电源电压正常时,串联开关电路中的反并联旁路可控硅轮流导通将电源电压输送到三相三线交流负载,三相三线电压源变流及交流输出滤波器被控制运行于无功、不平衡负荷与谐波电流补偿模式;当电源电压发生跌落时,串联开关电路中的反并联旁路可控硅通过控制电压源半桥逆变电路的半导体开关被快速强制关断,三相链式电压源储能变流器被控制运行于负荷电压补偿模式,稳定负荷端电压。串联开关电路发生故障时,其内部的自动旁路开关会被自动控制到闭合状态,保证负载的供电不受影响,此后断开检修开关即可对串联开关电路进行检修。
本发明电路也可以增加其他辅助电路作为变形后的应用,可改成三相四线方式运行,也可以改成单相装置运行,三相链式电压源储能变流器中的功率模块和连接电抗器也可以采用三角形连接,储能超级电容也可以使用其他储能元件(比如各种储能电池),任何基于本发明电路所作的等效变换电路,均属于本发明的保护范围。