CN107453367A - 一种基于有源箝位变流器的七电平动态电压恢复装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于有源箝位变流器的七电平动态电压恢复装置，包括10kV/380V变压器、软起单元、第一滤波器、整流单元、储能逆变单元、第二滤波器、耦合变压器、旁路断路器和检测控制单元。整流单元与10kV电网之间通过10kV/380V变压器、软起单元和第一滤波器相连，整得的直流电压给储能逆变单元的直流电容充电；直流电容为三电容串联结构，为储能逆变单元的七电平有源中点钳位变流器提供能量；七电平有源中点钳位变流器通过对直流电压的逆变产生补偿电压，补偿电压经过第二滤波器滤波，滤波后的补偿电压通过耦合变压器耦合到三相10kV电网，耦合变压器与旁路断路器并联；整流单元和七电平有源中点钳位变流器均连接有检测控制单元输出的用于调整输出电压的调制信号。
Description
技术领域
本发明公开了一种基于有源箝位变流器的七电平动态电压恢复装置，属于10kV电力设备技术领域。
背景技术
为满足我国产业结构升级对10kV配网电压质量的要求，保证高新科技设备数控机床等敏感负荷安全高效地运行，改善10Kv配网电压质量已成为供电部门工作的重点。动态电压恢复装置(Dynamic Voltage Restorer,DVR)作为一种串联型电能质量补偿装置，以其运行效率高、动态性能好以及实时补偿能力强等特点，是目前保障电压质量的有效手段之一。
动态电压恢复装置为了提高补偿范围，改善输出电压波形，一般都会采用多电平结构。传统的级联多电平结构由于各模块直流侧电容独立，容易与整流单元配合，被广泛应用于多电平动态电压恢复装置中。但是级联型多电平结构，输出电压每提高两个电平，就必须多配一个整流单元，整流单元可以是二极管不控整流或IGBT全控型整流，经济效益低，控制系统复杂。
研究有源箝位变流器作为动态电压恢复装置的逆变单元，在提高逆变器输出电平数为7的同时，每相只需一个整流单元，减少了整流单元个数，简化了整流单元的设计与控制，提高了动态电压恢复装置的经济效益。
发明内容
技术问题：本发明提供一种基于有源箝位变流器的七电平动态电压恢复装置，其目的是解决当前级联型多电平动态电压恢复装置，输出电压每提高两个电平数，就必须多配一个整流单元，经济效益低、控制系统复杂、动态响应不高的问题。
本发明的技术方案如下：
一种基于有源箝位变流器的七电平动态电压恢复装置，包括整流单元，所述整流单元4与10kV电网之间通过10kV/380V变压器1、软起单元2和第一滤波器3相连，整得的直流电压给储能逆变单元5的直流电容充电；所述直流电容为三电容串联结构，为储能逆变单元5的七电平有源中点钳位变流器提供能量；所述七电平有源中点钳位变流器通过对直流电压的逆变产生补偿电压，补偿电压经过第二滤波器6滤波，滤波后的补偿电压通过耦合变压器耦合到三相10kV电网，耦合变压器与旁路断路器并联；所述整流单元4和七电平有源中点钳位变流器均连接有检测控制单元9输出的用于调整输出电压的调制信号。
所述整流单元4为IGBT10组成的三相全桥整流单元；所述整流单元4与三相电网之间通过10kV/380V变压器1、软起单元2和滤波器3连接；所述软起单元2为电阻串联继电器之后再与继电器并联而成；所述第一滤波器3为单电感滤波器。
所述储能逆变单元5的直流电容为三个电容器组串联结构，串联电容器组整体与所述整流单元4并联。
所述七电平有源中点钳位变流器由8个IGBT组成，两个半桥PEBB(电力电子积木块)分别对称地嵌入H桥三电平变流器H桥的正负极母线上。
所述七电平有源中点钳位变流器与三相电网之间依次串联有第二滤波器6和耦合变压器；所述第二滤波器6为LCL滤波器；所述耦合变压器7为单相变压器；所述旁路断路器8为10kV断路器。
所述整流单元4采用SPWM调制方法；所述七电平有源中点钳位变流器采用SVPWM调制方法。
有益效果
经济效益高：本发明提供的基于有源箝位变流器的七电平动态电压恢复装置，逆变侧采用有源箝位变流器，在输出电平数提高到7时，每相只需一个整流单元，比传统的基于级联型七电平的动态电压恢复装置，每相减少了两个整流单元，经济效益高。
动态性能好：由于本发明提供的基于有源箝位变流器的七电平动态电压恢复装置每相只需一个整流单元，整流控制算法大为简便，直流侧电压响应速度与稳定性更好。动态电压恢复装置逆变侧发出的补偿电压受直流电压的影响，直流侧电压越稳定，逆变侧发出的补偿电压波形也就越稳定。
附图说明
图1是本发明基于有源箝位变流器的七电平动态电压恢复装置结构示意图。
图2为本发明中储能逆变单元结构示意图。
图3为本发明中有源箝位变流器工作状态示意图。
图中：1-10kV/380V变压器；2-软起单元；3—第一滤波器；4--整流单元；5--储能逆变单元；6—第二滤波器2；7--耦合变压器，8--旁路断路器；9--检测控制单元；10--IGBT。
具体实施方案
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
图1是本发明基于有源箝位变流器的七电平动态电压恢复装置结构示意图。如图1所示，本发明的基于有源箝位变流器的七电平动态电压恢复装置包括10kV/380V变压器1、软起单元2、第一滤波器3、整流单元4、储能逆变单元5、耦合变压器7和旁路断路器8。整流单元4为IGBT10组成的三相全桥整流器，与10kV电网之间通过10kV/380V变压1器、软起单元2和第一滤波器3连接。其中，软启单元2为电阻串联继电器再与继电器并联而成，装置启动时，与电阻串联的继电器闭合，电阻限制电流突变，启动过程结束后，无串联电阻的继电器闭合，将电阻旁路，以实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸，起到保护装置电路的作用。第一滤波器3是一电感元件，起到滤波的作用。整流单元将三相交流电压整成直流电压，给储能逆变单元5的直流电容充电，直流电容为三电容串联结构。储能逆变单元的的有源箝位变流器通过将直流电容上的电压逆变成当前10kV电网电压与标准电压的差值，经过滤波器2滤波，滤波后的补偿电压通过耦合变压器耦合到三相电网。第二滤波器6为LCL滤波器，用于减小输出电压的毛刺，起到滤波的作用。耦合变压器7为单相变压器，耦合变压器7上并联着用于保护装置的10kV旁路断路器。
图2是本发明中的储能逆变单元结构示意图。如图2所示，本发明中的储能逆变单元5为七电平有源箝位变流器。七电平有源箝位变流器由8个IGBT组成，两个半桥PEBB(电力电子积木块)分别对称地嵌入H桥三电平变流器H桥的正负极母线上。该拓扑不仅符合传统的中点钳位多电平变流器的工作规则，而且由H桥的开关网络完成换相和输出电平的倍增，因此称为七电平H桥换相有源中点钳位型变流器。
图3为本发明中有源箝位变流器工作状态示意图。该有源箝位变流器共有10种工作状态：
状态1：如图3(a)所示，开关管VT3、VT5处于导通状态，其他开关管处于关闭状态，输出电压Vo＝0；
状态2：如图3(b)所示，开关管VT2、VT4、VT5、VT7处于导通状态，其他开关管处于闭合状态，输出电压Vo＝E；
状态3：如图3(c)所示，开关管VT2、VT4、VT5、VT8处于导通状态，其他开关管处于闭合状态，输出电压Vo＝2E；
状态4：如图3(d)所示，开关管VT1、VT4、VT5、VT7处于导通状态，其他开关管处于闭合状态，输出电压Vo＝2E；
状态5：如图3(e)所示，开关管VT1、VT4、VT5、VT8处于导通状态，其他开关管处于闭合状态，输出电压Vo＝3E；
状态6：如图3(f)所示，开关管VT4、VT6处于导通状态，其他开关管处于关闭状态，输出电压Vo＝0；
状态7：如图3(g)所示，开关管VT2、VT3、VT6、VT7处于导通状态，其他开关管处于闭合状态，输出电压Vo＝-E；
状态8：如图3(h)所示，开关管VT2、VT3、VT6、VT8处于导通状态，其他开关管处于闭合状态，输出电压Vo＝-2E；
状态9：如图3(i)所示，开关管VT1、VT3、VT6、VT7处于导通状态，其他开关管处于闭合状态，输出电压Vo＝-2E；
状态10：如图3(j)所示，开关管VT1、VT3、VT6、VT8处于导通状态，其他开关管处于闭合状态，输出电压Vo＝-3E；
将该有源箝位变流器通过SVPWM进行调制，即可输出7电平，满足10kV动态电压恢复装置的电平要求。
检测控制单元9主要有两个作用，首先为整流单元4电压稳定发出控制信号，其次检测当前电网电压、负载侧电压及动态电压恢复装置输出电压，通过计算当前电网电压与标准电压之间的差值，生成调制信号，调制信号经过驱动电路(图中未标出)后控制IGBT10通断，控制有源箝位变流器发出补偿电压，补偿电压耦合到电网电压中，改善电压质量。当电网电压发生跌落时，基于有源箝位变流器的七电平动态电压恢复装置发出与电网电压同相的补偿电压，二者相加，使负载电压保持标准电压不变；当电网电压发生骤升是，基于有源箝位变流器的七电平动态电压恢复装置发出与电网电压反相的补偿电压，二者互相抵消，使负载电压保持标准电压不变。
本发明基于有源箝位变流器的七电平动态电压恢复装置，用于解决电网电压暂降、电压骤升或电压长期跌落，其工作过程可分为两个阶段。1、整流阶段：装置启动后立即进入整流阶段，检测控制单元9通过闭环控制，输出SPWM调制波，控制整流单元4给直流电容充电。2、稳压补偿阶段：直流电容总电压升高到600V后，控制器控制整流侧稳压，将直流电容总电压稳定在600V不变；同时，控制器计算10kV线路当前电压值与标准电压的差值，以及三电容直流储能单元每个电容之间的电压平衡度，通过SVPWM选择开关管开关状态，控制有源箝位变流器产生补偿电压，补偿当前电网电压与标准电压的差值。当电网电压发生跌落时，基于有源箝位变流器的七电平动态电压恢复装置发出与电网电压同相的补偿电压，二者相加，使负载电压保持标准电压不变；当电网电压发生骤升是，基于有源箝位变流器的七电平动态电压恢复装置发出与电网电压反相的补偿电压，二者互相抵消，使负载电压保持标准电压不变。
本发明的基于有源箝位变流器的七电平动态电压恢复装置适用于对电压质量要求较高的10kV配网，能够解决常见的电压暂降、电压骤升和电压长期跌落等问题，改善了电网电压质量，保证了精密设备的安全稳定运行。相比于传统的级联型多电平动态电压恢复装置，本发明在将输出电压电平数提高到7的同时，每相只需一个整流模块，简化了整流单元的额设计与控制，提高了装置的动态性能和经济性。
Claims (10)
1.一种基于有源箝位变流器的七电平动态电压恢复装置，其特征在于，包括整流单元(4)，所述整流单元(4)与10kV电网之间通过10kV/380V变压器(1)、软起单元(2)和第一滤波器(3)相连，整得的直流电压给储能逆变单元(5)的直流电容充电；所述直流电容为三电容串联结构，为储能逆变单元(5)的七电平有源中点钳位变流器提供能量；所述七电平有源中点钳位变流器通过对直流电压的逆变产生补偿电压，补偿电压经过第二滤波器(6)滤波，滤波后的补偿电压通过耦合变压器耦合到三相10kV电网，耦合变压器与旁路断路器并联；所述整流单元(4)和七电平有源中点钳位变流器均连接有检测控制单元(9)输出的用于调整输出电压的调制信号。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，整流单元(4)为IGBT(10)组成的三相全桥整流单元；所述整流单元(4)与三相电网之间通过10kV/380V变压器(1)、软起单元(2)和滤波器(3)连接。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述软起单元(2)为电阻串联继电器之后再与继电器并联而成。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一滤波器(3)为单电感滤波器。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述储能逆变单元(5)的直流电容为三个电容器组串联结构，串联电容器组整体与所述整流单元(4)并联。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述七电平有源中点钳位变流器由8个IGBT(10)组成，两个半桥PEBB电力电子积木块分别对称地嵌入H桥三电平变流器H桥的正负极母线上。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述七电平有源中点钳位变流器与三相电网之间依次串联有第二滤波器(6)和耦合变压器。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二滤波器(6)为LCL滤波器。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述耦合变压器(7)为单相变压器；所述旁路断路器(8)为10kV断路器。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述整流单元(4)采用SPWM调制方法；所述七电平有源中点钳位变流器采用SVPWM调制方法。
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