CN111313424A - 一种三相四线制通用电能质量控制器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三相四线制通用电能质量控制器及其控制方法，电能质量控制器的电路拓扑结构包括电源侧电路，A、B、C三相电网电源端Vsa、Vsb和Vsc连接电源侧电路；电源侧电路经公共桥臂与负载侧电路连接，负载侧电路与串联耦合变压器Ta、Tb、Tc连接构成串联补偿装置，公共桥臂输出经滤波电感Lf7后同时与电源中性线N和串联耦合变压器Ta、Tb、Tc变流器侧的中性线连接；通过输出三相补偿电压对三相电网电压进行补偿，使负载电压为三相恒定、平衡、对称的正弦电压。本发明采用单储能电容器结构，电容器容量小，电容电压波动低，损耗小；采用电力电子器件少，构成的通用电能质量控制器电路结构简单、造价低、效率高；控制方法简单、容易实现。

Description

一种三相四线制通用电能质量控制器及其控制方法
技术领域
本发明属于电能质量控制技术领域，具体涉及一种三相四线制通用电能质量控制器及其控制方法。
背景技术
现代科学技术的发展，一方面，造成电能质量问题的因素不断增长；另一方面，各种复杂的、精密的、对电能质量敏感的用电设备不断普及，人们对电能质量及可靠性的要求越来越高，上述问题的矛盾愈来愈突出。技术上，电能质量问题进一步分为电源(网)侧的电压质量问题(如电压升高、跌落、瞬变、谐波等)和负载侧电路的电流质量问题(电流谐波、无功、不平衡等)。电网(电源)和负载存在的各种干扰，将导致一些重要负载或对电能质量敏感设备的正常使用、性能降低、寿命缩短，还会造成一些生产设备无法正常运行、甚至损坏，严重的电能质量问题还有可能造成重大事故。
通用(统一)电能质量控制器(UPQC)采用双变流器结构，含补偿电流质量的并联变流器和补偿电压质量的串联变流器，二者共用一个直流储能环节。它综合了串联补偿装置和并联补偿装置的优点，既可解决电源端的供电质量问题(谐波、过压、欠压、跌落、突升等)，为重要用户提供优质电能；也可解决负载端的用电质量问题(电流谐波、无功、不平衡等)，提高电能的利用效率，是一种非常理想的电能质量控制装置。
我国低压配电系统有三相三线制、三相四线制和三相五线制。三相四线制系统(TN-C)的电源中性线(N)与接地保护线(PE)是合一的，三相五线制系统(TN-S)的电源中性线(N)与接地保护线(PE)二者是分开的。三相四线制系统除提供三相电源外，还要提供电源中性线，一方面可以为负荷提供相电压供电，另一方面为系统接地、防雷等保护以及电磁兼容等需要提供基准和参考点。与三相三线制通用电能质量控制器相比，三相四线制通用电能质量控制器除能解决一般电网(电源)侧的电压质量问题和负载侧电路的电流质量问题外，还要求能具有补偿负载侧电路中性线电流和电网(电源)侧不平衡(相)电压(零序电压)的能力。目前，三相三线制系统变流器改变为三相四线制系统变流器主要有两种方法：分裂电容和增加第四桥臂。
现有大多关注和研究的一种三相四线制通用电能质量控制器电路拓扑如图1所示，采用的是分裂电容法。图1中，电源侧电路接的是并联变流器，负载侧电路接的是串联变流器；也可以采用电源侧电路接串联变流器、负载侧电路接并联变流器的电路结构，这主要取决于电网(电源)与负载的具体状况。直流母线分裂电容C1与C2的中点和串联变流器输出的中点与电源中性线N相连接，使该电路拓扑具有补偿负载侧电路中性线电流和电网(电源)侧不平衡(相)电压(零序电压)的能力。该电路拓扑存在的主要问题是，系统补偿负载侧电路中性线电流和电网(电源)侧零序电压是通过直流母线分裂电容C1与C2的充、放电进行的，电容C1、C2电压的波动比较大；电容C1、C2本身的差异还造成它们的电压可能不均衡。为了解决这个问题，一方面需要选用储能容量比较大的电容，如电解电容器，另一方面需要在控制上增加对电容电压的均衡控制。电解电容器的寿命比较短，影响装置的整体寿命，现在普遍期望选用寿命比较长的膜电容器；而相同体积和造价下膜电容器的容量小，电容C1、C2的容量就不可能选择很大。电容C1与C2电压较大的波动会增大电容器的损耗和发热，也将带来可靠性的问题。
构成三相四线制通用电能质量控制器电路拓扑的另一种方法是在三相三线制变流器电路拓扑基础上增加第四桥臂，其原理简图如图2所示。图2中，电网(电源)侧接并联变流器，通过增加第四桥臂输出与电网中性线相连，使其具有补偿负载侧电路中性线电流的能力；负载侧电路接串联变流器，也通过增加第四桥臂输出与串联耦合变压器的中性线(点)相连使其具有补偿电网(电源)侧不平衡(相)电压(零序电压)的能力；同样这两种变流器接入电网(电源)和负载的位置也可以交换。增加第四桥臂的电路拓扑采用的是单一储能电容器，不存在中性线电流直接对储能电容器充、放电的问题，电容电压的波动小，但该拓扑将增加电力电子开关器件的数量，造价高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种三相四线制通用电能质量控制器及其控制方法，降低了三相四线制系统通用电能质量控制器的成本，提高了电能质量控制装置的效率。
本发明采用以下技术方案：
一种三相四线制通用电能质量控制器，电能质量控制器的电路拓扑结构包括电源侧电路，A、B、C三相电网电源端Vsa、Vsb和Vsc连接电源侧电路；电源侧电路经公共桥臂与负载侧电路连接，负载侧电路与串联耦合变压器Ta、Tb、Tc连接构成串联补偿装置，公共桥臂输出经滤波电感Lf7后同时与电源中性线N和串联耦合变压器Ta、Tb、Tc逆变器侧的中性线连接；通过输出三相补偿电压对三相电网电压进行补偿，使负载电压为三相恒定、平衡、对称的正弦电压。
具体的，电源侧电路为三相并联变流器，三相并联变流器能够对负载谐波、无功、不平衡电流和中性线电流进行补偿，控制入网电流为三相平衡对称的正弦有功电流。
进一步的，三相并联变流器包括电力电子开关器件V1、V2、V3、V4、V5和V6，V1和V2、V3和V4、V5和V6两两串联后桥臂中点分别连接对应的交流滤波电感Lf3、Lf2、Lf1，V1和V2、V3和V4、V5和V6的两端连接储能电容器CD和公共桥臂。
具体的，负载侧电路为三相串联变流器，三相串联变流器能够对电网电压谐波、正序、负序和零序电压进行补偿，输出三相补偿电压对三相电网电压进行补偿。
进一步的，三相串联变流器包括电力电子开关器件V7、V8、V9、V10、V11和V12，V7和V8、V9和V10、V11和V12两两串联后桥臂中点分别连接对应的滤波电感Lf6、Lf5和Lf4后分两路，一路分别经滤波电容Cf4、Cf5和Cf6连接串联耦合变压器Ta、Tb、Tc的一端连接，另一路分别与串联耦合变压器Ta、Tb、Tc的另一端连接；V7和V8、V9和V10、V11和V12的两端连接储能电容器CD和公共桥臂。
具体的，公共桥臂包括串联连接的电力电子开关器件V13和V14，V13和V14的输出经滤波电感Lf7与串联耦合变压器Ta、Tb、Tc、电源侧电路和负载侧电路连接。
本发明的另一个技术方案是，一种三相四线制通用电能质量控制方法，利用所述的三相四线制通用电能质量控制器，将电能质量控制器公共桥臂V13和V14按设定频率的50％占空比进行通断；通过三相并联变流器控制入网电流为三相平衡对称的正弦有功电流，负载的谐波电流、无功电流和不平衡电流得到补偿，中性线电流通过滤波电感Lf7、公共桥臂V13、V14和储能电容CD与并联变流器得到补偿；然后以公共桥臂V13和V14经过滤波电感Lf7后的输出电压作为电压参考，通过三相串联变流器输出三相补偿电压对三相电网电压进行补偿，使负载电压为三相恒定、平衡、对称的正弦电压。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种三相四线制通用电能质量控制器，采用单一母线储能电容和仅设置一个公共桥臂，实现了对负载谐波、无功、不平衡电流和中性线电流等的补偿和对电网谐波、正序、负序和零序电压等的补偿，装置结构简单、成本低。
进一步的，串联变流器以公共桥臂V13和V14的输出(经过滤波电感Lf7滤波后)电压作为电压参考，可以输出三相正序、负序和零序(或谐波)等补偿电压对三相电网电压进行补偿，使负载电压为三相恒定、平衡、对称的正弦电压，控制逻辑清晰、方法简单实用。
一种三相四线制通用电能质量控制方法，公共桥臂V13和V14按设定频率的50％占空比进行通断，为中性线电流提供回路，三相并联变流器控制入网电流为三相平衡对称的正弦有功电流，负载的谐波电流、无功电流和中性线电流等自动得到补偿，控制方法简单、可靠。
综上所述，本发明采用单储能电容器结构，电容器容量小，电容电压波动低，损耗小；采用电力电子器件少，构成的通用电能质量控制器电路结构简单、造价低、效率高；控制方法简单、容易实现。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为现有的三相四线制通用电能质量控制器电路拓扑图；
图2为两个四桥臂构成的三相四线制通用电能质量控制器电路拓扑图；
图3为本发明三相四线制通用电能质量控制器的电路拓扑图；
图4为本发明实施例的电路拓扑图。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图3，本发明一种三相四线制通用电能质量控制器，电能质量控制器的拓扑电路包括电网(电源)侧电路，负载侧电路和公共桥臂，A、B、C三相电网电源端Vsa、Vsb和Vsc连接电源侧电路，电源侧电路经公共桥臂与负载侧电路连接，公共桥臂输出经滤波电感Lf7后同时与电源中性线N和串联耦合变压器Ta、Tb、Tc变流器侧的中性线(公共中性点)相连；电源侧电路为并联变流器结构，负载侧电路是串联变流器结构；并联变流器通过对负载谐波、无功、不平衡电流和中性线电流进行补偿，控制入网电流为三相平衡对称的正弦有功电流(单位功率因数)，串联变流器通过对电网电压谐波、正序、负序和零序电压进行补偿，使负载电压为三相恒定、平衡、对称的正弦电压。
电力电子开关器件(如IGBT，内含反并联二极管)V1、V2、V3、V4、V5和V6组成电源侧电路的三相并联变流器，Lf3、Lf2、Lf1为交流滤波电感，或采用LCL滤波器结构；CD为储能电容器；
电力电子开关器件V1和V2、V3和V4、V5和V6两两串联后各自形成一个桥臂，桥臂中点分别连接对应的交流滤波电感Lf3、Lf2、Lf1的一端；各桥臂的一端(上端或共集电极端)相连、另一端(下端或共发射极端)相连，这两端分别连接储能电容器CD的两端和公共桥臂V13和V14的一端。
交流滤波电感Lf3、Lf2、Lf1的一端分别与V1和V2、V3和V4、V5和V6桥臂中点相连，另一端分别与电网侧A、B、C相电源相连。
储能电容器CD的两端分别连接在桥臂的两端，具体为：上端或共集电极端与下端或共发射极端。
电力电子开关器件(如IGBT，内含反并联二极管)V7、V8、V9、V10、V11和V12组成负载侧电路的串联变流器与串联耦合变压器Ta、Tb、Tc一起构成串联补偿装置；Lf4、Lf5和Lf6为滤波电感，Cf4、Cf5和Cf6为滤波电容；Ka、Kb和Kc为旁路开关，可由接触器和(或)电力电子双向开关(如双向晶闸管)组成。
电力电子开关器件V7和V8、V9和V10、V11和V12两两串联后各自形成一个桥臂，桥臂中点分别连接对应的滤波电感Lf6、Lf5和Lf4的一端；各桥臂的一端(上端或共集电极端)相连、另一端(下端或共发射极端)相连，这两端分别与储能电容器CD的两端相连。
滤波电感Lf6、Lf5和Lf4的另一端一路分别经滤波电容Cf4、Cf5和Cf6与串联耦合变压器Ta、Tb、Tc变流器侧的一端连接，另一路分别与串联耦合变压器Ta、Tb、Tc变流器侧的另一端连接.
串联耦合变压器Ta、Tb、Tc电源侧的一端与电源侧A、B、C相相连，另一端与负载相连；串联耦合变压器Ta、Tb、Tc变流器侧中性线(点)与电源中性线N相连，再与滤波电感Lf7的一端相连。
旁路开关Ka、Kb和Kc的一端接电源侧，另一端接负载侧。
电力电子开关器件(如IGBT，内含反并联二极管)V13和V14为公共桥臂，桥臂中点与滤波电感Lf7的一端相连，滤波电感Lf7的另一端同时与电源中性线N和串联耦合变压器Ta、Tb、Tc变流器侧的中性线(公共中性点)相连；电路拓扑除能解决电网(电源)侧的电压质量问题和负载侧电路的电流质量问题外，还具有补偿负载侧中性线电流和电网(电源)侧零序电压的能力。
V13和V14串联形成公共桥臂，桥臂中点与滤波电感Lf7的一端相连；桥臂的一端(上端或集电极端)与储能电容器CD的一端相连，桥臂的另一端(下端或发射极端)与储能电容器CD的另一端相连；电源中性线N与滤波电感Lf7的一端和负载相连。
本发明一种三相四线制通用电能质量控制器的控制方法，具体为：
S1、公共桥臂V13和V14按设定频率的50％占空比通断；
S2、三相并联变流器(对于图3，由V1、V2、V3、V4、V5和V6组成；对于图4，由V7、V8、V9、V10、V11和V12组成)控制入网电流为三相平衡对称的正弦有功电流，这时负载的谐波电流、无功电流和不平衡电流得到补偿，中性线电流自动通过滤波电感Lf7、公共桥臂V13、V14和储能电容CD与并联变流器得到补偿；
S3、三相串联变流器(对于图3，由V7、V8、V9、V10、V11和V12组成；对于图4，由V1、V2、V3、V4、V5和V6组成)以公共桥臂V13和V14经过滤波电感Lf7后的输出电压作为电压参考，输出三相补偿电压对三相电网电压(包括零序电压)进行补偿，使负载电压为三相恒定、平衡、对称的正弦电压。
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、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
请参阅图4，为一种三相四线制通用电能质量控制器，电能质量控制器电路拓扑结构中的电源侧电路是串联变流器结构，负载侧电路采用并联变流器结构。
Vsa、Vsb和Vsc为A、B、C三相电网电源，N为中性线；
电力电子开关器件(如IGBT，内含反并联二极管)V1、V2、V3、V4、V5和V6组成电网(电源)侧的串联变流器与串联耦合变压器Ta、Tb、Tc一起构成串联补偿装置；Lf1、Lf2和Lf3为滤波电感，Cf1、Cf2和Cf3为滤波电容；Ka、Kb和Kc为旁路开关，可由接触器和/或电力电子双向开关(如双向晶闸管)组成；CD为储能电容器；
电力电子开关器件V1和V2、V3和V4、V5和V6两两串联后各自形成一个桥臂，桥臂中点分别连接对应的滤波电感Lf3、Lf2和Lf1的一端；各桥臂的一端(上端或共集电极端)相连、另一端(下端或共发射极端)相连，这两端分别与储能电容器CD的两端相连。
滤波电感Lf1、Lf2和Lf3的另一端一路分别经滤波电容Cf1、Cf2和Cf3与串联耦合变压器Ta、Tb、Tc变流器侧的一端连接，另一路分别与串联耦合变压器Ta、Tb、Tc变流器侧的另一端连接。
串联耦合变压器Ta、Tb、Tc电源侧的一端与电源侧A、B、C相相连，另一端与负载相连；串联耦合变压器Ta、Tb、Tc变流器侧中性线(点)与电源中性线N相连，再与滤波电感Lf7的一端相连；旁路开关Ka、Kb和Kc的一端接电源侧，另一端接负载侧。
电力电子开关器件(如IGBT，内含反并联二极管)V7、V8、V9、V10、V11和V12组成负载侧电路的并联变流器，Lf6、Lf5、Lf4为交流滤波电感，也可采用LCL滤波器结构；电力电子开关器件(如IGBT，内含反并联二极管)V13和V14为公共桥臂，输出同时与电源中性线N和串联耦合变压器Ta、Tb、Tc的中性线(公共中性点)相连；
电力电子开关器件V7和V8、V9和V10、V11和V12两两串联后各自形成一个桥臂，桥臂中点分别连接对应的交流滤波电感Lf6、Lf5、Lf4的一端；各桥臂的一端(上端或共集电极端)相连、另一端(下端或共发射极端)相连，这两端分别连接储能电容器CD的两端和公共桥臂V13和V14的一端；交流滤波电感Lf6、Lf5、Lf4的一端分别与V7和V8、V9和V10、V11和V12桥臂中点相连，另一端分别与负载相连；储能电容器CD的两端分别连接在桥臂的两端(上端或共集电极端与下端或共发射极端)；
V13和V14串联形成公共桥臂，桥臂中点与滤波电感Lf7的一端相连；桥臂的一端(上端或集电极端)与储能电容器CD的一端相连，桥臂的另一端(下端或发射极端)与储能电容器CD的另一端相连；电源中性线N与滤波电感Lf7的一端和负载相连。
电路拓扑结构除能解决电网(电源)侧的电压质量问题和负载侧电路的电流质量问题外，还具有补偿负载侧中性线电流和电网(电源)侧零序电压的能力。
实际应用中，本发明拓扑的选择主要依据电网(电源)和负载的状况，如电网(电源)电压波动的范围、背景谐波大小、负载特性等。
三相四线制系统(TN-C)通用电能质量控制器电路拓扑基础上增加一根接地保护线(PE)，该发明也适用于三相五线制系统(TN-S)通用电能质量控制器。
综上所述，本发明一种三相四线制通用电能质量控制器及其控制方法。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种三相四线制通用电能质量控制器，其特征在于，电能质量控制器的电路拓扑结构包括电源侧电路，A、B、C三相电网电源端Vsa、Vsb和Vsc连接电源侧电路；电源侧电路经公共桥臂与负载侧电路连接，负载侧电路与串联耦合变压器Ta、Tb、Tc连接构成串联补偿装置，公共桥臂输出经滤波电感Lf7后同时与电源中性线N和串联耦合变压器Ta、Tb、Tc逆变器侧的中性线连接；通过输出三相补偿电压对三相电网电压进行补偿，使负载电压为三相恒定、平衡、对称的正弦电压。
2.根据权利要求1所述的三相四线制通用电能质量控制器，其特征在于，电源侧电路为三相并联变流器，三相并联变流器能够对负载谐波、无功、不平衡电流和中性线电流进行补偿，控制入网电流为三相平衡对称的正弦有功电流。
3.根据权利要求2所述的三相四线制通用电能质量控制器，其特征在于，三相并联变流器包括电力电子开关器件V1、V2、V3、V4、V5和V6，V1和V2、V3和V4、V5和V6两两串联后桥臂中点分别连接对应的交流滤波电感Lf3、Lf2、Lf1，V1和V2、V3和V4、V5和V6的两端连接储能电容器CD和公共桥臂。
4.根据权利要求1所述的三相四线制通用电能质量控制器，其特征在于，负载侧电路为三相串联变流器，三相串联变流器能够对电网电压谐波、正序、负序和零序电压进行补偿，输出三相补偿电压对三相电网电压进行补偿。
5.根据权利要求4所述的三相四线制通用电能质量控制器，其特征在于，三相串联变流器包括电力电子开关器件V7、V8、V9、V10、V11和V12，V7和V8、V9和V10、V11和V12两两串联后桥臂中点分别连接对应的滤波电感Lf6、Lf5和Lf4后分两路，一路分别经滤波电容Cf4、Cf5和Cf6连接串联耦合变压器Ta、Tb、Tc的一端连接，另一路分别与串联耦合变压器Ta、Tb、Tc的另一端连接；V7和V8、V9和V10、V11和V12的两端连接储能电容器CD和公共桥臂。
6.根据权利要求1所述的三相四线制通用电能质量控制器，其特征在于，公共桥臂包括串联连接的电力电子开关器件V13和V14，V13和V14的输出经滤波电感Lf7与串联耦合变压器Ta、Tb、Tc、电源侧电路和负载侧电路连接。
7.一种三相四线制通用电能质量控制方法，其特征在于，利用权利要求6所述的三相四线制通用电能质量控制器，将电能质量控制器公共桥臂的V13和V14按设定频率的50％占空比进行通断；通过三相并联变流器控制入网电流为三相平衡对称的正弦有功电流，负载的谐波电流、无功电流和不平衡电流得到补偿，中性线电流通过滤波电感Lf7、公共桥臂的V13、V14和储能电容CD与并联变流器得到补偿；以公共桥臂的V13和V14经过滤波电感Lf7后的输出电压作为电压参考，通过三相串联变流器输出三相补偿电压对三相电网电压进行补偿，使负载电压为三相恒定、平衡、对称的正弦电压。
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