CN104882890A - 一种限流型动态电压恢复器及其不间断供电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种限流型动态电压恢复器及其不间断供电方法，该恢复器包括变流器、A相串联变压器、B相串联变压器和C相串联变压器；所述A相、B相、C相变压器原边侧输入端分别与供电电源A相、B相、C相连接，原边侧输出端分别与负载连接，所述变流器输出端分为对应A、B、C三相，分别与所述A相、B相、C相变压器副边侧串联。所述限流型动态电压恢复器采用串联方式接入电网与负载之间，既能对电网电压进行动态补偿，也可对电网短路故障电流进行限流。该不间断供电方法，包括IGBT旁路工作模式、晶闸管续流工作模式和机械开关旁路工作模式，在增加电网安全性与可靠性的同时，实现了负载供电的连续性，保障了电网与负载的正常运行。

Description

一种限流型动态电压恢复器及其不间断供电方法

技术领域

本发明涉及到电能质量管理方法领域，尤其涉及一种限流型动态电压恢复器及其不间断供电方法。

背景技术

随着科学技术的发展，社会对电力的需求也越来越大，对电能质量的要求也越来越高。大量的统计数据表明，电压跌落是发生频率最高、影响最严重、造成经济损失最大的一类动态电能质量问题。电压跌落对设备造成最直接的影响就是由于电压较额定电压低，当跌落持续时间较长时，设备得不到足够的能量而无法正常工作；电压跌落同时会引起一些保护继电器动作，直接将设备退出运行；对于大多数微机及微电子控制设备，电压跌落的恢复过程，会引起微机的重新启动。另一方面，随着电力系统规模不断增大，结构也日益复杂，导致电力系统短路容量增加，一旦发生短路将危机电气设备及人身安全，严重时还会破坏整个系统的正常运行，因此在电力系统中发展并应用有效的短路限流技术是解决短路容量增大问题的关键。

动态电压恢复器(DVR)被认为是目前解决电压跌落问题最经济、最有效的电力装置，国内外对DVR也进行了较多的研究。但现有技术存在以下缺点：(1)现有的动态电压恢复器不具有短路限流功能，应用范围有限，无法充分保障电网的安全运行；(2)现有的动态电压恢复器在投入与退出过程中大多采用机械旁路开关，由于动作时间长，一般动作时间为上百毫秒，会对负载的连续供电造成影响；(3)现有的短路故障限流器功能单一，成本较高，在非短路故障工况下装置的使用率低，装置的性价比不高。

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，本发明提供一种既能在电网电压跌落时进行电压动态补偿，又能在电网发生短路故障时实现对短路故障电流进行限流的限流型动态电压恢复器。

本发明进一步提供了一种在基于上述限流型动态电压恢复器在投入与退出电网时，能够保障电网正常供电的不间断供电方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种限流型动态电压恢复器，包括变流器、A相串联变压器、B相串联变压器和C相串联变压器；所述A相串联变压器的原边侧输入端与电源的A相连接，所述A相串联变压器的原边侧输出端与负载连接；所述B相串联变压器的原边侧输入端与电源的B相连接，所述B相串联变压器的原边侧输出端与负载连接；所述C相串联变压器的原边侧输入端与电源的C相连接，所述C相串联变压器的原边侧输出端与负载连接；所述变流器输出端分为A、B、C三相，其中A相输出端与所述A相串联变压器的副边侧串联，B相输出端与所述B相串联变压器的副边侧串联，C相输出端与所述C相串联变压器副边侧串联。

作为本发明的进一步改进，所述变流器包括三个单相变流器；每个所述单相变流器包括功率单元、输出接触器、限流单元、滤波电感、滤波电容、电流互感器和逆变电压互感器；所述功率模块包括一个或多个输出端级联连接的多个功率单元，所述功率单元的直流侧端连接到直流电源，所述功率模块的输出端分别连接输出接触器的上输入端和输出接触器的下输入端；所述输出接触器的上输出端分为两路，一路与限流单元输入端连接，一路与滤波电感连接，输出接触器的下输出端与限流单元输出端连接，并作为单相变流器的输出端；所述滤波电感的输入端与输出接触器的上输出端连接，输出端与电流互感器的输入端连接；所述电流互感器的输出端作为单相变流器的输出端；所述滤波电容的一端与滤波电感的输出端连接，另一端与输出接触器的下输出端连接；所述逆变电压互感器并联在单相变流器的输出端之间。

所述限流单元包括限流电抗器和限流阀组，所述限流电抗器与限流阀组串联；所述限流阀组包括多个串联的晶闸管组，每个所述晶闸管组包括两个反向并联的晶闸管。

所述功率单元包括由四个电力电子开关与四个反并联二极管组成的H桥结构，所述H桥结构并联有直流侧储能电容和直流均压电阻。

作为以上技术方案的进一步改进，还包括输入断路器、旁路断路器和输出断路器；所述输入断路器分为A、B、C三相，所述输入断路器的输入端分别与电源的A相、B相、C相连接，所述输入断路器的输出端分别与A相串联变压器原边侧输入端、B相串联变压器原边侧输入端、C相串联变压器原边侧输入端连接；所述输出断路器分为A、B、C三相，所述输出断路器的输入端分别与A相串联变压器原边侧输出端、B相串联变压器原边侧输出端、C相串联变压器原边侧输出端连接，所述输出断路器的输出端分别与负载连接；所述旁路断路器分为A、B、C三相，所述旁路断路器的输入端分别与输入断路器输入端对应相并联，所述旁路断路器的输出端分别与输出断路器输出端对应相并联。

一种基于上述限流型动态电压恢复器的不间断供电方法，包括IGBT旁路工作模式、晶闸管续流工作模式和机械开关旁路工作模式三种工作模式；所述IGBT旁路工作模式：旁路断路器处于分闸状态，输入断路器和输出断路器处于合闸状态，变流器功率单元触发导通，限流阀组封锁脉冲，输出接触器处于合闸状态，当电网供电电压发生跌落时，变流器进行电压补偿，通过输入断路器、变流器中旁路IGBT、输出断路器向负载供电；所述晶闸管续流工作模式：旁路断路器处于分闸状态，输入断路器和输出断路器处于合闸状态，变流器功率单元封锁脉冲，限流阀组触发导通，输出接触器处于分闸状态，电网通过输入断路器、变流器中限流阀组、输出断路器向负载供电；所述机械开关旁路工作模式：旁路断路器处于合闸状态，输入断路器和输出断路器处于分闸状态，变流器功率单元封锁脉冲，限流阀组封锁脉冲，电网通过旁路断路器向负载供电。

作为本发明的进一步改进，采用短路故障限流与电压补偿的协调控制机制，具体包括如下步骤：

S1.实时检测三相负载电压值和三相负载电流值，判断是否有故障发生；

S2.当判定电路发生非短路故障或单相接地故障时，跳转到步骤S3；当判定电路发生两相间短路故障或两相接地故障时，跳转到步骤S4；当判定电路发生三相短路故障或三相接地故障时，跳转到步骤S4；

S3.限流型动态电压恢复器对负载进行电压补偿；

S4.限流型动态电压恢复器立即封锁故障相逆变脉冲，同时发生故障相限流阀组导通使能指令，在故障相的功率单元输出电压处于峰值时触发故障相限流阀组，进入晶闸管续流工作模式，等待上级开关继保装置保护动作完成。

作为本发明的进一步改进，还包括动态电压恢复器投入不间断供电过程；所述动态电压恢复器投入不间断供电过程的具体步骤包括：

S11.输入断路器合闸，输出断路器合闸，旁路断路器分闸；

S12.变流器限流阀组封锁脉冲，输出接触器合闸，触发功率单元处于IGBT旁路工作模式；

S13.检测动态电压恢复器所有开关状态是否正常，正常则执行步骤S14，不正常则跳转到步骤S12；

S14.触发功率单元IGBT脉冲，启动动态电压恢复器，完成装置投入不间断供电过程。

作为本发明的进一步改进，还包括动态电压恢复器退出不间断供电过程；

所述动态电压恢复器退出不间断供电过程的具体步骤包括：

S21.动态电压恢复器停机，变流器功率单元脉冲封锁，触发功率单元处于IGBT旁路工作模式；

S22.变流器限流阀组触发导通，输出接触器分闸，进入晶闸管续流工作模式；

S23.旁路断路器合闸，输入断路器和输出断路器分闸，进入机械开关旁路工作模式；

S24.检测动态电压恢复器所有开关状态是否正常的步骤，正常则执行步骤S25，不正常则跳转到步骤S23；

S25.完成动态电压恢复器退出不间断供电过程。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明提供了一种限流型动态电压恢复器，兼具电压补偿与短路故障限流两大功能，采用串联连接方式接入电网与负载之间，在电网电压跌落时能够对电压进行动态补偿，在电网短路工况下能够对短路故障电流进行限制，增强了电网的安全性与可靠性。同时，本发明全面覆盖了电网短路故障工况与非短路故障工况下的装置使用范围，极大的提高了装置的使用率与性价比。

2、本发明提供了一种限流型动态电压恢复器，其变流器功率单元采用级联连接，使用载波移相和双极倍频技术极大地提高了等效开关频率，输出电压谐波含量低，三个互相独立的单相变流器可具有分相电压补偿与三相不平衡治理等功能。

3、本发明提供了一种基于上述限流型动态电压恢复器的不间断供电方法，采用短路故障限流与电压补偿的协调控制机制，在运行过程中，实时检测三相负载电压值和电流值，从而判断是否有故障发生，针对不同的故障类型执行相应的保护运行动作。

4、本发明提供了一种基于上述限流型动态电压恢复器的不间断供电方法，在该限流型动态电压恢复器投入与退出过程中，充分利用了IGBT和晶闸管快速开关特性，微秒级的响应时间，加上普通机械开关的配合，可以顺利实现负载不间断供电。

附图说明

图1为本发明一种限流型动态电压恢复器实施例系统示意图。

图2为本发明一种限流型动态电压恢复器实施例变流器拓扑图。

图3为本发明一种限流型动态电压恢复器实施例变流器功率单元拓扑图。

图4为本发明一种不间断供电方法实施例IGBT旁路工作模式图。

图5为本发明一种不间断供电方法实施例晶闸管续流工作模式图。

图6为本发明一种不间断供电方法实施例机械开关旁路工作模式图。

图7为本发明一种不间断供电方法实施例短路故障限流与电压补偿协调流程图。

图8为本发明一种不间断供电方法实施例电压恢复器投入供电流程图。

图9为本发明一种不间断供电方法实施例电压恢复器退出供电流程图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的限流型动态电压恢复器包括：变流器、输入断路器QF1、旁路断路器QF2、输出断路器QF3、A相串联变压器Ta、B相串联变压器Tb和C相串联变压器Tc组成；A相串联变压器Ta、B相串联变压器Tb、C相串联变压器Tc所组成；其中输入断路器QF1的输入端与旁路断路器QF2的输入端接入电网电源端，旁路断路器QF2的输出端与输出断路器QF3的输出端接至电网负荷端；变流器的A相输出端U1和U2分别接至串联变压器Ta的副边侧a和x，变流器的B相输出端V1和V2分别接至串联变压器Tb的副边侧b和y，变流器的C相输出端W1和W2分别接至串联变压器Tc的副边侧c和z；串联变压器Ta的原边侧A和X分别接入输入断路器QF1的A相输出端和输出断路器QF3的A相输入端，串联变压器Tb的原边侧B和Y分别接入输入断路器QF1的B相输出端和输出断路器QF3的B相输入端，串联变压器Tc的原边侧C和Z分别接入输入断路器QF1的C相输出端和输出断路器QF3的C相输入端。在本实施例中，电网电源为10kV三相不接地电源。

如图2所示，变流器的主电路由三个单相变流器所组成，每个单相变流器包括功率模块、输出接触器、限流单元、滤波电感、滤波电容、电流互感器和逆变电压互感器。其中功率模块包括一个或多个级联连接的功率单元，限流单元包括限流电抗器和限流阀组，限流阀组由一个或多个反向并联的晶闸管组串联而成。三个单相变流器的组成及结构相同，以A相变流器为例具体说明单相变流器的电路拓扑结构。

A相变流器的主电路拓扑为：功率模块包括四个功率单元UA1、UA2、UA3和UA4，由四个外供直流电源DC1、DC2、DC3和DC4为功率单元供电；四个功率单元的直流侧端口T+和T-分别接至四个外供直流电源的正端和负端，功率单元UA1的交流输出端口T1接至输出接触器KMa的上输入端，功率单元UA1的交流输出端口T2接至下一级联功率单元UA2的交流输出端口T1，依次完成4个功率单元的级联连接，功率单元UA4的交流输出端口T2接至输出接触器KMa的下输入端，输出接触器KMa的下输出端作为A相变流器输出端口U2，限流单元由限流电抗器L2a和晶闸管阀组TSRa串联组成，限流电抗器L2a的输入端与晶闸管阀组TSRa的输出端分别接至输出接触器KMa的上输出端和下输出端；滤波电感L1a的输入端接至KMa的上输出端，滤波电感L1a的输出端接至电流互感器CTa输入端；滤波电容Ca一端与滤波电感L1a的输出端连接，另一端与输出接触器KMa的下输出端连接，逆变电压互感器PTa并联接至A相变流器输出端口U1和U2之间，电流互感器CTa输出端作为A相变流器输出端口U1。

如图3所示，单相变流器功率单元采用4个IGBT电力电子开关器件与4个反并联二极管所组成H桥结构，其中4个IGBT电力电子器件分别为VT1、VT2、VT3、VT4，4个反并联二极管分别为VD1、VD2、VD3、VD4，直流侧储能电容C、直流均压电阻R与H桥并联，功率单元的交流侧端口为T1和T2，直流侧端口为T+和T-，用于实现直流到交流的逆变过程。

本发明一种不间断供电方法，包括IGBT旁路工作模式、晶闸管续流工作模式和机械开关旁路工作模式三种工作模式；

如图4所示，IGBT旁路工作模式，因B相、C相与A相相同，只以A相电源和负载为例详细描述。在此工作模式中，输入断路器QF1和输出断路器QF3处于合闸状态，旁路断路器QF2处于分闸状态，A相变流器中限流阀组TSRa封锁脉冲，A相输出接触器KMa处于合闸状态，当供电电网发生电压跌落时，A相变流器中4个功率单元UA1～UA4中所有IGBT上管VT1和VT2同时触发导通(IGBT下管VT3和VT4同时导通与VT1和VT2同时导通效果相同)，电网通过QF1、A相变流器中旁路IGBT、QF3向负载供电。

如图5所示，晶闸管续流工作模式，因B相、C相与A相相同，只以A相电源和负载为例详细描述。在此工作模式中，输入断路器QF1和输出断路器QF3处于合闸状态，旁路断路器QF2处于分闸状态，A相变流器中限流阀组TSRa触发导通，A相变流器中4个功率单元均封锁脉冲，A相输出接触器KMa处于分闸状态，电网通过QF1、A相变流器中阀组TSRa、QF3向负载续流供电。

如图6所示，机械开关旁路工作模式，因B相、C相与A相相同，只以A相电源和负载为例详细描述。在此工作模式中，输入断路器QF1和输出断路器QF3处于分闸状态，旁路断路器QF2处于合闸状态，A相变流器中4个功率单元均封锁脉冲，A相变流器中限流阀组TSRa封锁脉冲，电网通过QF2向负载供电。

如图7所示，本发明采用短路故障限流与电压补偿的协调控制机制，在运行过程中，实时检测三相负载电压和三相负载电流值，判断是否有故障发生及发生故障的类型；当发生非短路故障或者单相接地故障时，限流型动态电压恢复器处于IGBT旁路工作模式，对负载进行电压补偿；当发生相间短路故障或者两相接地故障时，装置将立即封锁故障相逆变脉冲，同时发生故障相限流阀组TSR导通使能指令，在判断故障相的功率模块输出端电压的处于峰值时触发故障相限流阀组TSR晶闸管，动态电压恢复器处于晶闸管续流工作模式，最后等待上级开关继保装置保护动作完成；当发生三相短路故障或者三相接地故障时，装置将立即封锁故障相逆变脉冲，同时发生故障相限流阀组TSR导通使能指令，在判断故障相的功率模块输出端电压的处于峰值时触发故障相限流阀组TSR晶闸管，动态电压恢复器处于晶闸管续流工作模式，最后等待上级开关继保装置保护动作完成。

如图8所示，动态电压恢复器投入供电系统前处于机械开关旁路工作模式，其投入不间断供电的具体步骤为：

S11.发出输入断路器QF1合闸指令，输出断路器QF3合闸指令，旁路断路器QF2分闸指令，使输入断路器QF1合闸，输出断路器QF3合闸，旁路断路器QF2分闸；

S12.变流器限流阀组TSR封锁脉冲，输出接触器KM合闸，触发功率单元处于IGBT旁路工作模式；

S13.检测限流型动态电压恢复器所有开关状态是否正常，正常则跳转到步骤S14，不正常跳转到步骤S12；

S14.触发功率单元IGBT脉冲，启动限流型动态电压恢复器，完成装置投入不间断供电过程；

需要说明的是，步骤S13用于确认限流型动态电压恢复器的开关状态，确保其安全投入供电系统。

如图9所示，限流型动态电压恢复器退出不间断供电的具体步骤为：

S21.发出限流型动态电压恢复器停机指令，变流器功率单元脉冲IGBT封锁，触发功率单元处于IGBT旁路工作模式；

S22.变流器限流阀组触发导通，输出接触器分闸，进入晶闸管续流工作模式；

S23.旁路断路器合闸，输入断路器和输出断路器分闸，进入机械开关旁路工作模式；

S24.检测限流型动态电压恢复器所有开关状态是否正常，正常则跳转到步骤S25，不正常跳转到步骤S22；

S25.完成限流型动态电压恢复器退出不间断供电过程。

需要说明的是，步骤S24用于确认限流型动态电压恢复器的开关状态，确保其安全退出供电系统。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种限流型动态电压恢复器，其特征在于，包括：变流器、A相串联变压器、B相串联变压器和C相串联变压器；

所述A相串联变压器的原边侧输入端与电源的A相连接，所述A相串联变压器的原边侧输出端与负载连接；

所述B相串联变压器的原边侧输入端与电源的B相连接，所述B相串联变压器的原边侧输出端与负载连接；

所述C相串联变压器的原边侧输入端与电源的C相连接，所述C相串联变压器的原边侧输出端与负载连接；

所述变流器输出端分为A、B、C三相，其中A相输出端与所述A相串联变压器的副边侧串联，B相输出端与所述B相串联变压器的副边侧串联，C相输出端与所述C相串联变压器副边侧串联。

2.根据权利要求1所述的限流型动态电压恢复器，其特征在于，所述变流器包括三个单相变流器；每个所述单相变流器包括功率单元、输出接触器、限流单元、滤波电感、滤波电容、电流互感器和逆变电压互感器；

所述功率模块包括一个或多个输出端级联连接的多个功率单元，所述功率单元的直流侧端连接到直流电源，所述功率模块的输出端分别连接输出接触器的上输入端和输出接触器的下输入端；

所述输出接触器的上输出端分为两路，一路与限流单元输入端连接，一路与滤波电感连接，输出接触器的下输出端与限流单元输出端连接，并作为单相变流器的输出端；

所述滤波电感的输入端与输出接触器的上输出端连接，输出端与电流互感器的输入端连接；

所述电流互感器的输出端作为单相变流器的输出端；

所述滤波电容的一端与滤波电感的输出端连接，另一端与输出接触器的下输出端连接；

所述逆变电压互感器并联在单相变流器的输出端之间。

3.根据权利要求2所述的限流型动态电压恢复器，其特征在于：所述限流单元包括限流电抗器和限流阀组，所述限流电抗器与限流阀组串联；所述限流阀组包括多个串联的晶闸管组，每个所述晶闸管组包括两个反向并联的晶闸管。

4.根据权利要求2所述的限流型动态电压恢复器，其特征在于：所述功率单元包括由四个电力电子开关与四个反并联二极管组成的H桥结构，所述H桥结构并联有直流侧储能电容和直流均压电阻。

5.根据权利要求1～4任一项所述的限流型动态电压恢复器，其特征在于：还包括输入断路器、旁路断路器和输出断路器；

所述输入断路器分为A、B、C三相，所述输入断路器的输入端分别与电源的A相、B相、C相连接，所述输入断路器的输出端分别与A相串联变压器原边侧输入端、B相串联变压器原边侧输入端、C相串联变压器原边侧输入端连接；

所述输出断路器分为A、B、C三相，所述输出断路器的输入端分别与A相串联变压器原边侧输出端、B相串联变压器原边侧输出端、C相串联变压器原边侧输出端连接，所述输出断路器的输出端分别与负载连接；

所述旁路断路器分为A、B、C三相，所述旁路断路器的输入端分别与输入断路器输入端对应相并联，所述旁路断路器的输出端分别与输出断路器输出端对应相并联。

6.一种基于上述权利要求5所述限流型动态电压恢复器的不间断供电方法，其特征在于：包括IGBT旁路工作模式、晶闸管续流工作模式和机械开关旁路工作模式三种工作模式；

所述IGBT旁路工作模式：旁路断路器处于分闸状态，输入断路器和输出断路器处于合闸状态，变流器功率单元触发导通，限流阀组封锁脉冲，输出接触器处于合闸状态，当电网供电电压发生跌落时，变流器进行电压补偿，通过输入断路器、变流器中旁路IGBT、输出断路器向负载供电；

所述晶闸管续流工作模式：旁路断路器处于分闸状态，输入断路器和输出断路器处于合闸状态，变流器功率单元封锁脉冲，限流阀组触发导通，输出接触器处于分闸状态，电网通过输入断路器、变流器中限流阀组、输出断路器向负载供电；

所述机械开关旁路工作模式：旁路断路器处于合闸状态，输入断路器和输出断路器处于分闸状态，变流器功率单元封锁脉冲，限流阀组封锁脉冲，电网通过旁路断路器向负载供电。

7.根据权利要求6所述的不间断供电方法，其特征在于，包括采用短路故障限流与电压补偿的协调控制机制，具体步骤为：

S1.实时检测三相负载电压值和三相负载电流值，判断是否有故障发生；

S2.当判定电路发生非短路故障或单相接地故障时，跳转到步骤S3；当判定电路发生两相间短路故障或两相接地故障时，跳转到步骤S4；当判定电路发生三相短路故障或三相接地故障时，跳转到步骤S4；

S3.限流型动态电压恢复器对负载进行电压补偿；

S4.限流型动态电压恢复器立即封锁故障相逆变脉冲，同时发生故障相限流阀组导通使能指令，在故障相的功率单元输出电压处于峰值时触发故障相限流阀组，进入晶闸管续流工作模式，等待上级开关继保装置保护动作完成。

8.根据权利要求6或7所述的一种不间断供电方法，其特征在于：还包括动态电压恢复器投入不间断供电过程；

所述动态电压恢复器投入不间断供电过程的具体步骤包括：

S11.输入断路器合闸，输出断路器合闸，旁路断路器分闸；

S12.变流器限流阀组封锁脉冲，输出接触器合闸，触发功率单元处于IGBT旁路工作模式；

S13.检测动态电压恢复器所有开关状态是否正常，正常则执行步骤S14，不正常则跳转到步骤S12；

S14.触发功率单元IGBT脉冲，启动动态电压恢复器，完成装置投入不间断供电过程。

9.根据权利要求6或7所述的一种不间断供电方法，其特征在于：还包括动态电压恢复器退出不间断供电过程；

所述动态电压恢复器退出不间断供电过程的具体步骤包括：

S21.动态电压恢复器停机，变流器功率单元脉冲封锁，触发功率单元处于IGBT旁路工作模式；

S22.变流器限流阀组触发导通，输出接触器分闸，进入晶闸管续流工作模式；

S23.旁路断路器合闸，输入断路器和输出断路器分闸，进入机械开关旁路工作模式；

S24.检测动态电压恢复器所有开关状态是否正常的步骤，正常则执行步骤S25，不正常则跳转到步骤S23；

S25.完成动态电压恢复器退出不间断供电过程。