CN109494749B - 一种即插即用集成模块化串联型动态电压补偿器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种即插即用集成模块化串联型动态电压补偿器，属于电力补偿器领域。该补偿器利用补偿电压计算模块根据负载电压的跌落计算出所需的动态电压补偿量；电压检测模块包括电压互感器与加法器，电压互感器检测特制互感器二次侧的电压，加法器动态电压补偿量与特制互感器二次侧电压相加后输出参考电压信号；特制互感器一次侧绕组作为母排接入电网，二次侧绕组沿着铁芯轴向方向绕制，并与逆变控制模块的输出端连接；逆变控制模块根据参考电压信号输出控制电压使特制互感器二次侧产生补偿电压，反作用于一次侧进行电压补偿。本发明通过特制互感器的空心柱状铁芯接入电网，接入方便、逆变量较小、结构和控制简单且补偿效果好。

Description

一种即插即用集成模块化串联型动态电压补偿器

技术领域

本发明属于电力补偿器领域，更具体地，涉及一种即插即用集成模块化串联型动态电压补偿器。

背景技术

随着科学技术的发展和人民生活水平的提高，基于计算机、微处理器的敏感型用电设备被大量使用，它们对电能质量的要求很高。国内外大量统计资料表明，在所有的电能质量问题中，电压暂变的发生频率很高、危害最为严重，而在电压暂变问题中，电网电压跌落会造成相当大的经济损失。因此，电压暂变补偿问题具有巨大的经济和社会效益，是电力研究领域的一个热点。

动态电压补偿器DVR(dynamic voltage restorer)是一种串联在电源和负荷之间的电能质量补偿装置，可快速生成补偿电压，抵消系统中受干扰的电压，保证负荷侧电压波形为标准正弦，消除电压谐波、电压波动和电压闪变对负荷的影响，一般用于保护用户端的敏感负荷。

常见的DVR主要由电压型逆变器(VSC)、控制单元、输出滤波器、储能单元、串联变压器和旁路保护系统组成。DVR进行补偿时，控制单元控制VSC产生串联补偿电压,经串联变压器注入线路中。其中：输出滤波器用于滤除高次谐波；储能单元提供补偿所需的有功功率；旁路系统通常由机械断路器和双向可控硅等组成，用于系统发生短路和电压浪涌故障时的VSC保护。

现有的动态电压补偿器大致可以分为如下几种：

(1)根据应用场合不同，DVR可分为中压DVR和低压DVR。中压DVR应用于三相三线电力系统，而低压DVR应用于三相四线电力系统。对于不平衡电压暂降，中压DVR只需补偿正序和负序电压，而低压DVR还需要额外补偿零序电压。

(2)按照逆变器分类，DVR的逆变器有二种结构。最常用的是采用三个独立的单相逆变器，在这种结构中，三相补偿电压之间完全独立，可向线路中注入正序、负序和零序补偿电压；其中，单相逆变器可采用两电平半桥、两电平全桥和三电平半桥等结构类型。

另一种DVR逆变器为三相全桥结构，在这种结构中，三相脉冲需要统一控制，不能相互独立，无法补偿零序电压。

(3)根据与电网的连接方式不同，DVR可分为有串联变压器类型和无串联变压器类型。

有串联变压器DVR通常采用升压变压器，从而降低直流侧电压等级，另外，变压器还起到隔离逆变器和电网的作用。但是，变压器的参数设计比较复杂，需要考虑变压器损耗及允许压降、负荷容量、电压暂降特征、滤波器参数、储能单元容量以及补偿策略等因素。但是，这种DVR进行电压补偿时，变压器的饱和会产生极大的激磁涌流，引起负荷电压畸变。

采用无串联变压器DVR则可以消除变压器所带来的附加相移、电压降落、谐波损耗以及冲击电流等问题，但为了避免三相节点短路问题，这种DVR必须采用三个单相结构。无串联变压器DVR通常应用于低压系统中，在高压应用场合，可以采用功率器件的串并联来提升容量等级。但多个功率器件的直接串联需要复杂的缓冲电路和驱动电路，这会降低DVR的响应速度。

鉴于现有的单相或三相电压补偿器结构复杂、安装或工作过程中易给电网带来不利影响的问题，亟需一种结构简单、负面影响小的电压补偿器。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种即插即用集成模块化串联型动态电压补偿器，其目的在于，以模块化集成的方式搭建电压补偿器，以空心柱状的特制互感器铁芯构造实现即插即用，由此在简化电压补偿器的构造，减少对电网不利影响的同时，解决电网电压波动、负载电压跌落等电源质量问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种即插即用集成模块化串联型动态电压补偿器，包括：电压检测模块、逆变控制模块、补偿电压计算模块和特制互感器；

补偿电压计算模块用于检测负载电压的变化值，从而获得所需的动态电压补偿量；

电压检测模块包括电压互感器与加法器，电压互感器用于检测特制互感器二次侧的电压，加法器用于将所述动态电压补偿量与特制互感器二次侧电压相加后输出参考电压信号；

逆变控制模块的输入端连接直流侧电压，逆变控制模块的控制端连接至加法器的输出端，逆变控制模块的输出端连接特制互感器的二次侧；逆变控制模块用于根据参考电压信号输出反相位控制电压并注入特制互感器的二次侧，以在特制互感器的二次侧产生补偿电压；

其中，特制互感器包括一次侧绕组、二次侧绕组和铁芯，一次侧绕组作为母排接入电网，二次侧绕组沿着铁芯轴向方向绕制，并与逆变控制模块的输出端连接；铁芯为空心柱状构造，母排沿铁芯轴向穿过铁芯，铁芯的尺寸按照如下方式确定：

特制互感器的一次侧等效励磁电感L为：

式中，W₁为特制互感器一次侧匝数，μ为铁芯的磁导率，A为铁芯截面积，l为平均磁路长度，r₁为铁芯内径，r₂为铁芯外径，x为铁芯轴向长度；

r₁和r₂根据电网母排的电缆直径和电网的设备设计标准取为定值，以此为基准，通过增大x的值，在减小磁路长度l的同时增大铁芯截面积A来增大电感L，以使特制互感器二次侧的补偿电压能够驱动特制互感器一次侧产生相应的电压变化值，从而确定x的值，实现对负载进行电压补偿。

进一步地，特制互感器的铁芯为开口式设计，由两个半开口的弧形板拼合为可开合的空心圆柱状构造，或由两个半开口的弯折板拼合为可开合的空心方柱状构造。

进一步地，将逆变控制模块和特制互感器一起集成为标准化模块，以铁芯的开口式设计作为一次侧预留接口，打开铁芯将电网母排置于开口中，闭合后母排即构成特制互感器的一次侧绕组；或者，将逆变控制模块和特制互感器分别集成为标准化模块，以铁芯的开口式设计作为一次侧预留接口，在铁芯的二次侧设置逆变器预留接口以及二次侧短接开关，而在逆变控制模块的输出端设置与逆变器预留接口匹配对接的铁芯二次侧预留接口。

进一步地，特制互感器的铁芯为闭口式设计，独立集成为模块化构造并在铁芯的二次侧设置逆变器预留接口以及二次侧短接开关，而在逆变控制模块的输出端设置与逆变器预留接口匹配对接的铁芯二次侧预留接口；将铁芯套在电网的母排上，使母排成为特制互感器的一次侧绕组，从而将特制互感器预置于电网中。

进一步地，为x预设一阈值，若满足使特制互感器一次侧产生相应的电压变化值的要求时对应的x超过该阈值，则将多个电压补偿器通过各自的x不超过阈值的特制电感器串联接入电网，直至能够使特制互感器一次侧产生相应的电压变化值。

进一步地，逆变控制模块包括逆变器、PWM控制驱动器和滤波器；

PWM控制驱动器的输入端连接至加法器的输出端，逆变器的输入端连接直流侧电压，逆变器的控制端连接至PWM控制驱动器的输出端，滤波器的输入端连接至逆变器的输出端，滤波器的输出端连接特制互感器二次侧；

PWM控制驱动器用于根据参考电压信号生成用于控制逆变器中各开关管导通状态的PWM波信号；逆变器在PWM波信号的控制下，将直流侧电压逆变为反相位控制电压，经滤波器滤波后，注入特制互感器的二次侧。

总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)即插即用，采用空心柱状构造的铁芯，直接以电网母排作为一次侧绕组，无需对原有电网进行改造，直接将铁芯套在电网母排外或将电网母排穿过铁芯即可正常工作，接入电网方便、逆变量较小、结构和控制简单且补偿效果好。

(2)采用特定的轴向绕组结合增加电流互感器铁芯长度的方式来获得一个特制的互感器结构，从而增大互感器一次侧的等效电感及等效阻抗，实现利用二次侧电压驱动一次侧电压变化的目的，从而能够通过二次侧的电压控制来影响一次侧，以对负载的电压变化进行补偿。

(3)改进控制，通过在特制电流互感器的二次侧采用有源的方式注入一个与一次侧电压频率相同、相位相反的电压，改变特制互感器的二次侧注入电压的大小便可实现特制电压主磁通的连续可调。

(4)采用闭口电流互感器式或者开口互感器式的接入方式，配合不同的模块集成方式实现不同方式的即插即用，以适用于不同的场景。例如，对于允许长期或需要频繁接入补偿电路的场景，采用闭口式设计直接在电网例行维护或初装时将空心柱状铁芯穿在母排上即可，以后随时可以使用；对于不便于长期或无需频繁接入补偿电路的场景，可以将特制互感器制成闭口式的独立模块预置在电网母排上，而在需要电压补偿时直接插接电压补偿器的其他模块进行使用；或者直接使用开口式设计，需要的时候直接将铁芯打开，将母排置入，再闭合即可将电压补偿器串联进电网正常使用；对于需要经常补偿不同电网的用户，还可以将开口式设计的特制互感器也作为独立模块，则极大地方便了用户根据不同电网随时更换不同的特制互感器。

(5)当特制互感器作为独立模块时，在二次侧设置短接开关，可以更好地保护电网，例如：可以先将特制互感器二次侧短接，再拆除其他模块；待二次侧对接其他模块后，再取消短接。

(6)通过模块集成设计，如果电压补偿器的一次侧等效阻抗或等效电感不足，则可以直接在电网母排线路中多串联几个本发明的电压补偿器一起使用。

附图说明

图1为本发明的串联型动态电压补偿器通过特制互感器接入电网的单相原理电路结构示意图；

图2(a)和2(b)分别为本发明提出的闭口柱状铁芯特制互感器的一次侧、二次侧示意图；其中，2(a)为闭口空心圆柱铁芯特制互感器一次侧结构示意图，2(b)为闭口空心柱状铁芯特制互感器二次侧结构示意图；

图3(a)和3(b)为本发明的闭口空心柱状铁芯尺寸示意图；其中，3(a)为闭口空心柱状铁芯特制互感器的正视图，3(b)为闭口空心柱状铁芯特制互感器的侧视图；

图4(a)和4(b)分别为本发明提出的开口柱状铁芯特制互感器的一次侧、二次侧示意图；其中，4(a)为开口空心柱状铁芯特制互感器一次侧结构示意图，4(b)为开口空心柱状铁芯特制互感器二次侧结构示意图；

图5(a)和5(b)分别为本发明提出的适用于母排的闭口特制互感器的一次侧、二次侧示意图；其中，5(a)为适用于母排的闭口特制互感器一次侧结构示意图；5(b)为适用于母排的闭口特制互感器二次侧结构示意图；

图6(a)和6(b)分别为本发明提出的适用于母排的开口特制互感器的一次侧、二次侧示意图；其中，6(a)为适用于母排的开口特制互感器一次侧结构示意图；6(b)适用于母排的开口特制互感器二次侧结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-电网线，2-圆柱铁芯，3-二次绕组，4-母排，5-长方体铁芯。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明基于一种动态电压补偿器的原理，通过在铁芯带气隙的特制互感器的二次侧采用有源的方式注入一个与一次侧电压频率相同、相位相反的电压，改变特制互感器的二次侧注入电压的大小便可实现互感器主磁通的连续可调，从而实现互感器一次侧电压的连续可调，实现电压补偿功能。

如图1所示，为了动态电压补偿器易于接入电网且不改变电网本来的结构，本发明提出了一种即插即用模块化串联型动态电压补偿器，包括：电压检测模块，逆变控制模块，补偿电压计算模块和特制互感器；补偿电压计算模块用于检测负载电压的跌落，从而计算出所需的动态电压补偿量；电压检测模块包括电压互感器与加法器，电压互感器用于检测特制互感器二次侧的电压，加法器用于将所述动态电压补偿量与所述互感器二次侧电压相加后输出所述参考电压信号；特制互感器包括一次侧绕组和二次侧绕组，其中，一次侧绕组作为母排接入电网，二次侧绕组沿着轴向方向绕制，并与逆变控制模块的输出端连接；逆变控制模块的输入端连接直流侧电压，逆变控制模块的控制端连接至所述电压检测模块的输出端，所述逆变控制模块用于根据参考电压信号输出用于控制所述互感器二次侧产生补偿电压所对应的控制电压。

逆变控制模块包括：逆变器、PWM控制驱动器和滤波器；所述PWM控制驱动器的输入端连接至所述加法器的输出端，所述逆变器的输入连接直流侧电压，所述逆变器的控制端连接至所述PWM控制驱动器的输出端，所述滤波器的输入端连接至逆变器的输出端，所述滤波器的输出端连接所述互感器二次侧；所述PWM控制驱动器用于根据所述参考电压信号产生用于控制逆变器中开关管导通的PWM波信号；所述逆变器在所述PWM波信号的控制下，将直流侧电压逆变为所述控制电压。

特制互感器的一次侧即为电网的电力线路，连接在电网和负载之间，二次侧连接到逆变控制模块的输出端。

逆变控制模块将电压检测模块的输出参考电压信号作为其指令电压，然后电力电子逆变器产生一个基波电压施加到特制互感器的二次侧，其输出的补偿电压折算值电压经过一个LC滤波电路后通过一个特制互感器接入系统。LC滤波电路用于抑制逆变器产生的高频纹波。

特制互感器用于将逆变器控制模块输出的控制电压通过互感器产生基波补偿电压接入到系统中。

直流母线电压U_d的获取可以通过三种方式：(1)就地感应取电；(2)通过对逆变器的控制来控制有功功率流入逆变器，从而实现对U_d的控制；(3)直接用蓄电池接入直流母线侧，通过对逆变器控制实现母线电压的恒定。

本发明的主要工作原理如下：通过补偿电压计算模块里的电压互感器实时检测负载侧的电压情况，当发生电压跌落时，补偿电压运算器会计算出所需的电压补偿值(设为Δu)，除以特制互感器变比k后输入电压检测模块，经过加法器的运算后得到参考电压信号，用于控制逆变控制模块，逆变控制模块用于根据参考电压信号输出用于控制所述互感器二次侧产生补偿电压所对应的控制电压，在特制互感器的一次侧变会产生响应的动态补偿电压，从而完成实时动态电压补偿功能。

为了更进一步的说明本发明提供的即插即用集成模块化串联型动态电压补偿器，下面结合附图及具体实例详细具体地对串联型动态电压补偿器原理和特制互感器进一步说明：

如图1所示，设在特制互感器铁芯上一次侧绕组AX的匝数为W₁(在这里为1)，二次侧绕组的匝数为W₂，则一次侧与二次侧的匝比k＝W₁/W₂。若将此特制互感器的一次侧AX串联接在电网和一个负载之间，则在其一次侧产生的动态电压Δu₁即为所需的补偿电压。通过检测负载侧电压的变化Δu，然后经过补偿电压运算器，输出比值

至电压检测模块，并采用一个电压型逆变器跟踪此电压从而产生一个电压差值Δu₂，将Δu₂反相位注入特制互感器的二次侧，从而会在特制互感器的一次侧产生电压的变化，变化值Δu₁＝ku₂＝Δu，从而起到了动态电压补偿的效果。

由于基于基波磁通补偿的有源串联补偿器串联在线路中，接入线路不方便，所以提出使用特制的互感器代替串联变压器。图2(a)和(b)为闭口空心圆柱铁芯特制互感器具体结构图，其中2(a)图为互感器铁芯和电网线示意图，2(b)图为互感器二次侧绕组在铁芯上的绕制图，沿铁芯轴向进行绕制；图4(a)和4(b)为开口空心圆柱铁芯特制互感器具体结构图，其中4(a)图为互感器铁芯和电网线示意图，4(b)图为互感器二次侧绕组在铁芯上的绕制图，沿铁芯轴向进行绕制；图5(a)和5(b)为适用于母排的闭口特制互感器具体结构图，其中5(a)图为互感器铁芯和母排示意图，5(b)图为互感器二次侧绕组在长方体铁芯上的绕制图，沿铁芯轴向进行绕制；图6(a)和6(b)为适用于母排的开口特制互感器具体结构图，其中6(a)图为互感器铁芯和母排示意图，6(b)图为互感器二次侧绕组在长方体铁芯上的绕制图，沿铁芯轴向进行绕制。其中开口式特制互感器，可以仿照电流钳的方式接入电网，考虑到电流钳开口结构市场上比较成熟，这里对原理图4(a)和4(b)、6(a)和6(b)中电流钳形式的具体结构不再赘述。

如图3所示，特制互感器一次侧的等效电感L为：

式中，W₁为特制互感器一次侧匝数，由于特制互感器的一次侧为电网母排，仅有线路一匝，故W₁＝1，μ为铁芯的磁导率，A为铁芯截面积，l为平均磁路长度，r₁为铁芯内径，r₂为铁芯外径，x为铁芯轴向长度；

r₁和r₂根据电网母排的电缆直径和电网的设备设计标准取为定值，以此为基准，通过增大x的值，在减小磁路长度l的同时增大铁芯截面积A来增大电感L，以使特制互感器二次侧的补偿电压能够驱动特制互感器一次侧产生相应的电压变化值，从而确定x的值，实现对负载进行电压补偿。

如果用普通铁芯，电网一次侧等效电感太小，所以将各实施例的特制互感器的铁芯做成细长圆柱状或长方体状以减小磁路长度、增大铁芯截面积，从而增大电感L。若电感值仍不满足要求，可将多个即插即用补偿器串联接入电网。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种即插即用集成模块化串联型动态电压补偿器，其特征在于，包括：电压检测模块、逆变控制模块、补偿电压计算模块和特制互感器；

补偿电压计算模块用于检测负载电压的变化值，从而获得所需的动态电压补偿量；

电压检测模块包括电压互感器与加法器，电压互感器用于检测特制互感器二次侧的电压，加法器用于将所述动态电压补偿量与特制互感器二次侧电压相加后输出参考电压信号；

逆变控制模块的输入端连接直流侧电压，逆变控制模块的控制端连接至加法器的输出端，逆变控制模块的输出端连接特制互感器的二次侧；逆变控制模块用于根据参考电压信号输出反相位控制电压并注入特制互感器的二次侧，以在特制互感器的二次侧产生补偿电压；

其中，特制互感器包括一次侧绕组、二次侧绕组和铁芯，一次侧绕组作为母排接入电网，二次侧绕组沿着铁芯轴向方向绕制，并与逆变控制模块的输出端连接；铁芯为空心柱状构造，母排沿铁芯轴向穿过铁芯，铁芯的尺寸按照如下方式确定：

特制互感器的一次侧等效励磁电感L为：

式中，W₁为特制互感器一次侧匝数，μ为铁芯的磁导率，A为铁芯截面积，l为平均磁路长度，r₁为铁芯内径，r₂为铁芯外径，x为铁芯轴向长度；

r₁和r₂根据电网母排的电缆直径和电网的设备设计标准取为定值，以此为基准，通过增大x的值，在减小磁路长度l的同时增大铁芯截面积A来增大电感L，以使特制互感器二次侧的补偿电压能够驱动特制互感器一次侧产生相应的电压变化值，从而确定x的值，实现对负载进行电压补偿；

其中，设在特制互感器铁芯上二次侧绕组的匝数为W₂，则一次侧与二次侧的匝比k＝W₁/W₂，其一次侧产生的动态电压Δu₁即为所需的补偿电压；通过检测负载侧电压的变化值Δu，然后经过补偿电压运算器，输出比值

即所需的动态电压补偿量至电压检测模块，并采用一个电压型逆变器跟踪此电压从而产生一个电压差值Δu₂，将Δu₂反相位注入特制互感器的二次侧，从而会在特制互感器的一次侧产生电压的变化，变化值Δu₁＝ku₂＝Δu，从而起到动态电压补偿的效果。

2.如权利要求1所述的一种即插即用集成模块化串联型动态电压补偿器，其特征在于，特制互感器的铁芯为开口式设计，由两个半开口的弧形板拼合为可开合的空心圆柱状构造，或由两个半开口的弯折板拼合为可开合的空心方柱状构造。

3.如权利要求2所述的一种即插即用集成模块化串联型动态电压补偿器，其特征在于，将逆变控制模块和特制互感器一起集成为标准化模块，以铁芯的开口式设计作为一次侧预留接口，打开铁芯将电网母排置于开口中，闭合后母排即构成特制互感器的一次侧绕组；或者，将逆变控制模块和特制互感器分别集成为标准化模块，以铁芯的开口式设计作为一次侧预留接口，在铁芯的二次侧设置逆变器预留接口以及二次侧短接开关，而在逆变控制模块的输出端设置与逆变器预留接口匹配对接的铁芯二次侧预留接口。

4.如权利要求1所述的一种即插即用集成模块化串联型动态电压补偿器，其特征在于，特制互感器的铁芯为闭口式设计，独立集成为模块化构造并在铁芯的二次侧设置逆变器预留接口以及二次侧短接开关，而在逆变控制模块的输出端设置与逆变器预留接口匹配对接的铁芯二次侧预留接口；将铁芯套在电网的母排上，使母排成为特制互感器的一次侧绕组，从而将特制互感器预置于电网中。

5.如权利要求1～4任意一项所述的一种即插即用集成模块化串联型动态电压补偿器，其特征在于，为x预设一阈值，若满足使特制互感器一次侧产生相应的电压变化值的要求时对应的x超过该阈值，则将多个电压补偿器通过各自的x不超过阈值的特制电感器串联接入电网，直至能够使特制互感器一次侧产生相应的电压变化值。

6.如权利要求1～4任意一项所述的一种即插即用集成模块化串联型动态电压补偿器，其特征在于，逆变控制模块包括逆变器、PWM控制驱动器和滤波器；

PWM控制驱动器的输入端连接至加法器的输出端，逆变器的输入端连接直流侧电压，逆变器的控制端连接至PWM控制驱动器的输出端，滤波器的输入端连接至逆变器的输出端，滤波器的输出端连接特制互感器二次侧；

PWM控制驱动器用于根据参考电压信号生成用于控制逆变器中各开关管导通状态的PWM波信号；逆变器在PWM波信号的控制下，将直流侧电压逆变为反相位控制电压，经滤波器滤波后，注入特制互感器的二次侧。

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