CN112531711A - 一种中压供电质量综合调节系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统输配电领域，具体公开一种中压供电质量综合调节系统，包括旁路模块、限流模块、并网电抗器模块、功率单元级联模块，解决中压高敏感负载供电质量问题。其中，限流模块连接中压供电质量综合调节系统输入端口和输出端口，在交流电源正常运行时抑制交流电源的谐波分量，在交流电源故障时限制交流电流；旁路模块与限流模块并联，用于在交流电源与负载之间提供一个低阻抗的电流流通支路，促使交流电源直接向负载供电；功率单元级联模块通过并网电抗器连接至中压供电质量综合调节系统输出端口，用于在交流电源正常运行时调节负载的电能质量与有功功率，在交流电源故障时输出满足负载要求的交流电压，从而维持负载电压不间断。

Description

一种中压供电质量综合调节系统

技术领域

本发明属于电力系统输配电技术领域，更具体地，涉及一种中压供电质量综合调节系统。

背景技术

近年来，以电压暂降、短时中断、谐波为代表的各类供电质量问题给高敏感企业(微电子、半导体、数据中心等)造成的经济损失和不良影响日益突出。如何满足敏感负荷供电质量提升需求显得十分迫切与必要。目前，现有的供电质量提升方案主要从低压与中压两个层面来解决。在低压层面，现有的低压供电质量提升装置单台容量一般在50kVA～200kVA之间，虽然可以通过多台并联实现扩容，但受限于低压系统传输容量，并联后的低压供电质量提升设备一般只能达到2～3MVA，无法满足更大容量高敏感用户的需求。在中压层面，ABB公司的Robert Turner，Nick Elliott等人在文献《A new UPS topology formulti-megawatt medium voltage power protection》中提出了基于一种阻抗隔离型中压大容量并联在线式UPS。该方案应用于兆瓦级大容量场合存在的弊端是：(1)其直流侧电池簇直接进行串并联以提升电压与容量等级，导致电池簇间并联环流大，电池簇内部短板效应明显，系统充放电综合效率低。(2)该UPS内部的低压逆变器运行于大电流工况，不仅对功率器件的电流等级要求较高，也导致低压逆变器的运行效率难以提升。为了避免电池簇直接串并联引起的问题，国外的Piller等公司研制了基于飞轮储能的中压UPS系统(US7459803)。然而，由于单台飞轮储能系统的容量一般为2～3MW，其应用于百兆瓦级的场合时，需要大量的单台UPS进行并联，导致系统控制较为复杂，并且，Piller研制的中压UPS无法对其接入点的电能质量进行治理，功能较为单一。

同时，配电网源、网、荷的多元化趋势使供电质量问题从单一指标向综合事件发展，若干种供电质量问题在同一配电系统或在同一用电负荷中同时出现的情况也会越来越多，若针对每一种供电质量问题各采取一种类型的装置，不仅增加成本和装置运行维护的复杂程度，还易因各装置之间的耦合影响以及协调配合问题，影响联合运行效果。

发明内容

本发明提供一种中压供电质量综合调节系统，用以解决现有在提升中压三相交流系统的供电质量中所采用的系统装置不能有效应对多种供电质量事件造成应用受限的技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种中压供电质量综合调节系统，用于调节中压三相交流系统的供电质量，包括：控制器，旁路模块，限流模块，并网电抗器模块，以及功率单元级联模块；其中，所述调节系统的输入端口连接至交流电源、输出端口连接至负载，所述限流模块和所述旁路模块均跨接在所述调节系统的输入端口与输出端口之间构成并联；所述并网电抗器模块连接限流模块的输出端口，所述功率单元级联模块连接所述并网电抗器模块；

当系统正常工作时，交流电源通过限流模块给负载供电和向所述功率单元级联模块充电；当交流电源出现电压谐波超标、电压跌落故障或负载出现功率因素异常时，所述控制器控制限流模块对外呈现的限流阻抗大小，所述限流模块对应地进行谐波抑制、交流故障电流限制或负载电压相位幅值调节，控制器控制功率单元级联模块在并网电抗器模块辅助下向负载所输出的电流和电压的频率、幅值、相位，以维持供电质量；控制器当接收到交流电源发送的能量回馈指令时控制功率单元级联模块放电；所述旁路模块用于当限流模块、并网电抗器模块或功率单元级联模块故障时控制器控制旁路模块导通，使交流电源通过旁路模块直接向负载供电。

本发明的有益效果是：本发明提出一种中压供电质量综合调节系统，用于调节中压三相交流系统的供电质量，包括旁路模块、限流模块、并网电抗器模块和功率单元级联模块，旁路模块和限流模块以并联的关系连接在交流电源和负载之间，在故障时旁路模块能够旁路限流模块，直接来给负载供电，另外，在交流电源故障时，能够通过限流模块来抑制谐波、限制故障电流或调节负载的电流电压特性，在负载出现功率因素异常时，通过功率单元级联模块在并网电抗器模块辅助下向负载所输出的电流和电压的频率、幅值、相位，以维持供电质量。另外，控制器当接收到交流电源发送的能量回馈指令时控制功率单元级联模块将其所储存的电能进行释放。因此，本发明提出的调节系统能够应对多种供电质量事件，避免了仅针对单一供电质量事件所造成的成本高的问题，能够有效综合提升中压三相交流系统的供电质量，在中压等级解决了高敏感负载的供电质量问题。

上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述限流模块的拓扑结构包括：第一电感，第二电感，以及常通型双向电力电子开关；其中，所述第一电感与所述常通型双向电力电子开关进行串联构成第一串联支路，所述第一串联支路与所述第二电感并联构成第一混连支路；

在交流电源正常运行时，常通型双向电力电子开关处于闭合状态，第一串联支路与第二电感并联连接，从而使得第一混连支路总体低阻抗，不影响交流电源向负载传输有功功率；交流电源或者负载发生故障后，断开常通型双向电力电子开关，切除第一串联支路中的第一电感，第二电感投入，第一混连支路阻抗增大，以抑制交流故障电流；

或者，

所述限流模块的拓扑结构包括：第三电感，第四电感，以及常通型双向电力电子开关；其中，第三电感与常通型双向电力电子开关进行并联构成第一并联支路，所述第一并联支路与第四电感串联构成第二混连支路；

交流电源正常运行时，常通型双向电力电子开关处于闭合状态，第三电感被常通型双向电力电子开关旁路，使得第一并联支路呈现低阻抗，第二混连支路阻抗较小，不影响交流电源向负载传输有功功率；交流电源或者负载发生故障后，断开第一并联支路中的常通型双向电力电子开关以投入第一电感，使得第一并联支路呈现高阻抗，使得第二混连支路阻抗增大，以限制故障电流。

本发明的进一步有益效果是：本申请提出的新的限流模块的拓扑结构通过改变阻抗大小且改变幅度较大，以有效应对故障电流。

进一步，所述常通型双向电力电子开关包括：常通型碳化硅场效应管和单相不可控整流桥；其中，所述常通型碳化硅场效应管的漏极连接至所述单相不可控整流桥的正极，所述常通型碳化硅场效应管的源极连接至单相不可控整流桥的负极；当所述限流模块的拓扑结构为所述第一混连支路时，所述单相不可控整流桥的交流端口一端连接所述第一电感、另一端连接负载；当所述限流模块的拓扑结构为所述第二混连支路时，所述单相不可控整流桥的交流端口跨接在所述第三电感的两端；

当交流电源正常运行时，常通型碳化硅场效应管处于闭合状态，通过采用常通型碳化硅场效应管与单相不可控整流桥的组合结构，使得常通型双向电力电子开关具备双向通流能力；当交流电源或者负载发生故障后，断开常通型碳化硅场效应管，通过采用常通型SIC-JFET与单相不可控整流桥的组合结构，使得常通型双向电力电子开关具备双向断流能力。

本发明的进一步有益效果是：通过采用单相不可控整流桥实现所述常通型双向电力电子开关的双向通流与双向断流能力，减小常通型SIC-JFET的数量。

进一步，所述常通型双向电力电子开关包括：常通型碳化硅场效应管和二极管；其中，常通型SIC-JFET与二极管串联并联构成混合开关，所述混合开关进行反向并联，得到组合开关结构；

当交流电源正常运行时，常通型碳化硅场效应管处于闭合状态，通过采用所述组合开关结构，使得常通型双向电力电子开关具备双向通流能力；当交流电源或者负载发生故障后，断开常通型碳化硅场效应管，通过所述组合开关结构，使得常通型双向电力电子开关具备双向断流能力。

本发明的进一步有益效果是：通过采用常通型SIC-JFET与二极管的串、并联组合拓扑结构实现所述常通型双向电力电子开关的双向通流与断开能力，减小二极管的数量。

进一步，所述功率单元级联模块包括多个功率单元；

其中，每个所述功率单元包括储能子单元与全桥子单元，所述全桥子单元的直流侧连接所述储能子单元；其中一个功率单元的全桥子单元交流侧连接所述并网电抗器，其它功率单元的全桥子单元在该全桥子单元上通过交流侧依次级联；

每个储能子单元通过其对应的全桥子单元与外部进行充放电，其中，当所述交流电源正常运行且该储能子单元能量不足时，交流电源通过其对应的全桥子单元对该储能子单元进行充电；当交流电源故障时，该储能子单元通过其对应的全桥子单元向负载释放能量。

本发明的进一步有益效果是：当交流电源故障时，中压供电质量综合调节系统可以通过释放其内部储能子单元的能量，从而达到持续为负载供电的目的。同时，交流电源也可以通过中压供电质量综合调节系统向储能子单元进行充电。

进一步，每个所述功率单元还包括电感，该功率单元中的全桥子单元的直流侧通过所述电感连接至该功率单元中的储能子单元，所述电感用于减小储能子单元在充放电过程中的谐波电流。

进一步，每个所述功率单元还包括直流-直流变换器子单元；

所述储能子单元连接至直流-直流变换器子单元的第一端口，所述全桥子单元连接至直流-直流变换器子单元的第二端口；所述直流-直流变换器子单元用于维持全桥子单元的直流侧电压恒定以及限制储能子单元的充放电电流大小。

本发明的进一步有益效果是：通过在储能子单元、全桥子单元之间增加直流-直流变换器子单元，提高了在储能子单元充放电过程中，功率单元内部电压、电流等物理量的可控性。

进一步，每个所述功率单元还包括：直流-直流变换器子单元和直流开关；

其中，该功率单元中的储能子单元通过所述直流开关连接至所述直流-直流变换器子单元的第一端口，所述直流-直流变换器子单元的第二端口连接至该功率单元中的全桥子单元的直流侧；当该储能子单元正常运行时，闭合所述直流开关，以为该储能子单元的充放电提供电流路径；当该储能子单元出现故障时，断开所述直流开关，以隔离所述直流-直流变换器子单元与故障后的储能子单元。

本发明的进一步有益效果是：通过在功率单元内部增加直流开关，可以有效隔离功率单元内部已发生故障的储能子单元，维持功率单元内部其他健全元件的正常运行。

进一步，每个所述功率单元还包括：旁路开关；所述旁路开关跨接在该功率单元中的全桥子单元的交流侧；

当该功率单元正常运行时，断开所述旁路开关，该功率单元与外部电路正常进行能量交换；当该功率单元发生故障时，闭合其内部旁路开关以旁路该功率单元，维持其它非故障的功率单元的正常工作。

本发明的进一步有益效果是：通过在功率单元内部增加旁路开关，避免因单个功率单元故障导致整个中压供电质量调节系统退出运行，提高了系统运行的整体可靠性。

本发明还提供一种中压供电质量综合调节系统，用于调节中压三相交流系统的供电质量，包括：耦合电感模块，旁路模块，并网电抗器模块，以及功率单元级联模块；其中，所述调节系统的输入端口连接至交流电源、输出端口连接至负载，所述耦合电感模块的输入端口连接至所述调节系统输入端口、输出端口分别连接至所述旁路模块和所述调节系统的输出端口；所述旁路模块的输入端口连接所述耦合电感模块的一输出端口，所述旁路模块的输出端口连接至所述调节系统的输出端口；所述并网电抗器模块跨接在限流模块输出端口与功率单元级联模块之间，所述并网电抗器模块连接所述调节系统的输出端口，所述功率单元级联模块连接所述并网电抗器模块；

当系统正常工作时，交流电源通过耦合电感模块给负载供电和向所述功率单元级联模块充电，旁路模块导通，耦合电感对外体现为电抗值较小的感抗；当交流电源出现电压谐波超标、电压跌落故障或负载出现功率因素异常时，所述耦合电感模块对应地进行谐波抑制、交流故障电流限制或负载电压相位幅值调节，旁路模块断开使得耦合电感对外呈现电抗值较大的感抗，控制器控制功率单元级联模块在并网电抗器模块辅助下向负载所输出的电流和电压的频率、幅值、相位，以维持供电质量；控制器当接收到交流电源发送的能量回馈指令时控制功率单元级联模块放电；所述旁路模块用于在耦合电感模块、并网电抗器模块或功率单元级联模块故障时旁路这三者，使得交流电源通过旁路模块直接向负载供电。

本发明的有益效果是：本发明提出一种中压供电质量综合调节系统，用于调节中压三相交流系统的供电质量，包括旁路模块、耦合电感模块、并网电抗器模块和功率单元级联模块，耦合电感模块的输入端与交流电源连接，第一输出端与旁路模块的输入端连接，另一输出端与负载连接以给负载供电，旁路模块的输出端也与负载连接以在耦合电感模块、并网电抗器模块、功率单元级联模块等故障时代替耦合电感模块给负载供电，具体的，根据交流电源以及负载是否发生故障，通过断开或者导通旁路模块，从而相应地使得耦合电感对外分别呈现较高感抗或者较低感抗，从而实现耦合电感在故障前后的感抗值突变，进而提高整个中压供电质量调节系统的运行性能。另外，在交流电源故障时，能够通过耦合电感模块来抑制谐波、限制故障电流或调节负载的电流电压特性，在负载出现功率因素异常时，通过功率单元级联模块在并网电抗器模块辅助下向负载所输出的电流和电压的频率、幅值、相位，以维持供电质量。另外，控制器当接收到交流电源发送的能量回馈指令时控制功率单元级联模块将其所储存的电能进行释放。因此，本发明提出的调节系统能够应对多种供电质量事件，避免了仅针对单一供电质量事件所造成的成本高的问题，能够有效综合提升中压三相交流系统的供电质量，在中压等级解决了高敏感负载的供电质量问题。

进一步，所述耦合电感模块包括级联的多个相同的耦合电感，每个耦合电感由采用异名端连接方式的第一线圈与第二线圈组合构成；所述第一线圈的两端分别连接交流电源和所述调节系统输出端口，所述第二线圈的两端分别连接所述调节系统输入端口和旁路模块；

交流电源或者负载发生故障时，旁路模块断开从而切除耦合电感的第二线圈，使得耦合电感的第一线圈投入运行，耦合电感对外呈现电抗值较大的感抗，从而限制电流。

进一步，所述调节系统中的限流模块为如上所述的一种中压供电质量综合调节系统中的限流模块拓扑结构；和/或，所述调节系统中的功率单元级联模块为如上所述的一种中压供电质量综合调节系统中的功率单元级联模块拓扑结构。

附图说明

图1为ABB公司公开的一种典型中压供电质量综合提升系统示意图；

图2为本发明实施例提供的一种中压供电质量综合提升系统拓扑结构；

图3为一种由半控型电力电子器件(晶闸管)构成的双向半导体开关的拓扑结构；

图4为本发明实施例提供的第一混连支路示意图；

图5为本发明实施例提供的第二混连支路示意图；

图6为本发明实施例提供的由常通型SIC-JFET与单相不可控整流桥构成的常通型双向电力电子开关示意图；

图7为本发明实施例提供的一种由常通型SIC-JFET与二极管经过串、并联组合构成的组合开关示意图；

图8示为本发明实施例提供的一种由储能子单元与全桥子单元构成的功率单元示意图；

图9为本发明实施例提供的一种由储能子单元、电感、全桥子单元构成的功率单元示意图；

图10为本发明实施例提供的一种由储能子单元、全桥子单元以及直流-直流变换器子单元组合构成的功率单元示意图；

图11为本发明实施例提供的一种由储能子单元、全桥子单元、直流-直流变换器子单元、直流开关组合构成的功率单元示意图；

图12为本发明实施例提供的一种由储能子单元、全桥子单元、旁路开关组合构成的功率单元示意图；

图13为本发明实施例提供的另一种含耦合电感的中压供电质量综合调节系统结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

1为控制器，11为中压供电质量综合调节系统的输入端口，12为中压供电质量综合调节系统的输出端口，2为旁路模块，3为限流模块，31为第一混连支路，311为第一电感，312为第二电感，313为第一常通型双向电力电子开关，3131为单相不可控整流桥，3132为常通型碳化硅场效应管，32为第二混连支路，321为第三电感，322为第四电感，323为第二常通型双向电力电子开关，4为并网电抗器模块，5为功率单元级联模块。

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。

图1所示为ABB公司公开的一种典型中压供电质量综合提升系统示意图。储能电池通过三相全桥变流器进行直流-交流变换后，进一步通过交流升压变压器接入中压交流系统。储能电池与三相全桥变流器都处于升压变压器的低压侧。该方案的弊端在于：(1)受限于功率半导体器件的电压电流等级，三相全桥变流器的容量一般为数百千瓦。当其需要应用于兆瓦至百兆瓦级场景时，需要多个三相全桥变流器与储能电池组并联运行，增加了控制复杂度。(2)其直流侧电池簇间并联环流大，电池簇内部短板效应明显，系统充放电综合效率低。(3)其内部的低压逆变器运行于大电流工况，不仅对功率器件的电流需求要求较高，也导致低压逆变器的运行效率难以提升。本实施例提出上述调节系统，提出以下实施例，旨在综合提升中压三相交流系统的供电质量，在中压等级解决高敏感负载的供电质量问题。

实施例一

一种中压供电质量综合调节系统，用于调节中压三相交流系统的供电质量，如图2所示，包括：控制器1，旁路模块2、限流模块3、并网电抗器模块4、以及功率单元级联模块5；其中限流模块跨接在中压供电质量综合调节系统的输入端口11与输出端口12之间，具体的，限流模块的输入端口连接至中压供电质量综合调节系统输入端口，限流模块的输出端口连接至中压供电质量综合调节系统输出端口。旁路模块跨接在中压供电质量综合调节系统输入端口与输出端口之间，并与限流模块并联连接，具体的，旁路模块的输入端口连接至中压供电质量综合调节系统输入端口，旁路模块的输出端口连接至中压供电质量综合调节系统的输出端口。功率单元级联模块连接至并网电抗器模块，并网电抗器模块连接限流模块的输出端口，因而功率单元级联模块通过并网电抗器模块接入中压三相交流系统，无需使用交流变压器，减小系统整体占地面积与运行损耗。图2中的A、B、C分别表示交流电源的三个相单元。

当交流电源出现电压谐波超标这一电能质量事件时，通过限流模块自身具备的谐波抑制能力，并同时控制器调节功率单元级联模块的输出电流特性，从而抑制交流电源的电压谐波，进而减小负载电压的谐波，进而提高负载电压的电能质量；当交流电源的电压出现暂降或者中断时，一方面，通过投入限流模块内部的限流元件，以限制交流故障电流，保证功率单元级联模块以及负载不会因交流过电流而闭锁，维持功率单元级联模块以及负载在交流电源电压暂降或者中断期间的持续运行；另一方面，通过调节功率单元级联模块的输出电压，以维持负载在交流电源电压暂降或者中断期间的持续电力供电，从而维持负载电压的供电质量；当交流电源的电压等级升高或者负载的供电电流增大时，通过增加功率单元的数量，以提高功率单元级联模块的电压、电流等级，从而提高中压供电质量综合调节系统调节能力。由于无需使用交流升压变压器，一方面，减小了对功率单元级联模块的通流能力需求，另一方面，减小了整个系统的体积与占地面积；当中压供电质量综合调节系统接收到交流电源发送的能量回馈指令时，中压供电质量综合调节系统控制其内部的功率单元级联模块进行放电，使得中压供电质量综合调节系统内部的电能回馈至交流电源。

需要说明的是，旁路模块可以是交流断路器，或者交流接触器，或者由电力电子器件构成的双向半导体开关三者中的任意一种，且电力电子器件是半控型电力电子器件，或者是全控型电力电子器件，或者是半控型电力电子器件与全控型电力电子器件的组合。当限流模块、并网电抗器模块以及功率单元级联模块三者均正常运行时，旁路模块处于断开状态，交流电源通过限流模块给负载供电，同时限流模块、功率单元级联模块二者协同调节负载的供电电压质量；当限流模块、并网电抗器模块以及功率单元级联模块三者中间的任意一个出现故障时，通过将旁路模块2导通，进而将限流模块3、并网电抗器模块4以及功率单元级联模块5进行旁路，并在交流电源与负载之间提供一个低阻抗的电流流通支路，使得交流电源直接向负载供电，从而提高中压供电质量综合调节系统的供电可靠性与运行效率。

具体的，图3所示为一种由半控型电力电子器件(晶闸管)构成的双向半导体开关的拓扑结构。

限流模块的拓扑结构可以是电感支路，通过合理设计电感支路的电感值大小，使得电感支路在交流电源故障或者负载故障期间起到限制交流电流的作用；在交流电源正常运行期间，电感支路联合功率单元级联模块，二者同时起到限制交流电源的谐波电流的作用。具体的，(1)交流电源正常运行时，电感支路起到限制交流电源中谐波电流的作用，且为功率单元级联模块调节负载侧电压幅值与相位提供必需的阻抗元件；(2)交流电源故障时，电感支路限制交流电流，维持负载和功率单元级联模块在交流电源故障期间持续运行。(3)负载故障时，电感支路抑制交流电流，维持交流电源在负载故障期间的持续运行。

限流模块的具体拓扑结构可以是磁控电抗器支路。通过调节磁控电抗器的控制系统，使得磁控电抗器支路对外呈现不同大小的电抗值，使得磁控电抗器支路在交流电源故障或者负载故障期间起到限制交流电流的作用；在交流电源正常运行期间，磁控电抗器支路联合功率单元级联模块，二者同时起到限制交流电源的谐波电流的作用。具体的，(1)交流电源正常运行时，通过调节磁控电抗器的控制系统，使其对外呈现较小的电抗值，起到减小磁控电抗器自身电压降以及抑制交流电源中谐波电流的作用；(2)交流电源故障时，调节磁控电抗器的控制系统，使其对外呈现较高电抗值，起到抑制交流电流的作用。

限流模块的具体拓扑结构可以是电感—电容串联支路，且电感的感抗大小大于电容的容抗大小，从而使得电感—电容串联支路对外呈现感抗特性。通过合理设计电感—电容串联支路中电感大小与电容大小，使得电感—电容串联支路在交流电源故障或者负载故障期间起到限制交流电流的作用；在交流电源正常运行期间，电感—电容串联支路联合功率单元级联模块，二者同时起到限制交流电源的谐波电流的作用。具体的，(1)通过合理设计电感—电容串联支路中电感大小与电容大小，从而将电感—电容串联支路的谐振频率被设计在交流电源的交流电压频率附近，使得电感—电容串联支路在交流电源正常运行时呈现较小的阻抗大小，以提高负载和功率单元级联模块的运行稳定性；(2)交流电源故障时，交流电流频率发生突变，使得电感—电容串联支路在过电流期间呈现高阻抗，从而可以抑制交流电流，维持负载和功率单元级联模块在故障期间持续运行。

优选的，如图4所示，限流模块的拓扑结构包括：第一电感311，第二电感312，以及第一常通型双向电力电子开关313；其中，第一电感与常通型双向电力电子开关进行串联构成第一串联支路，第一串联支路与第二电感并联构成第一混连支路31；交流电源正常运行时，常通型双向电力电子开关处于闭合状态，导致第一串联支路与第二电感并联连接，从而使得第一混连支路总体低阻抗，不影响交流电源向负载传输有功功率；交流电源或者负载发生故障后，断开常通型双向电力电子开关，从而切除第一串联支路中的第一电感，仅投入第二电感，从而使得第一混连支路阻抗增大，以抑制交流故障电流。

或者，如图5所示，限流模块的拓扑结构包括：第三电感321，第四电感322，以及第二常通型双向电力电子开关323；其中，第三电感与常通型双向电力电子开关进行并联构成第一并联支路，第一并联支路与第四电感串联构成第二混连支路32；

交流电源正常运行时，常通型双向电力电子开关处于闭合状态，导致第一电感被常通型双向电力电子开关旁路，使得第一并联支路总体呈现低阻抗，从而使得第二混连支路阻抗较小，不影响交流电源向负载传输有功功率；交流电源或者负载发生故障后，断开第一并联支路中的常通型双向电力电子开关以投入第一电感，使得第一并联支路呈现高阻抗，进一步使得第二混连支路总体阻抗增大，以限制故障电流。

优选的，常通型双向电力电子开关(313和/或323)包括：常通型碳化硅场效应管和单相不可控整流桥；例如，如图6所示，由常通型碳化硅场效应管(SIC-JFET)3132与单相不可控整流桥3131构成常通型双向电力电子开关313，其中常通型碳化硅场效应管的漏极连接至单相不可控整流桥的正极，常通型碳化硅场效应管的源极连接至单相不可控整流桥的负极；当限流模块的拓扑结构为第一混连支路时，单相不可控整流桥的交流端口一端连接所述第一电感、另一端连接负载；当限流模块的拓扑结构为第二混连支路时，单相不可控整流桥的交流端口跨接在第三电感的两端。

交流电源正常运行时，常通型SIC-JFET处于闭合状态，通过采用常通型SIC-JFET与单相不可控整流桥的组合结构，使得常通型双向电力电子开关具备双向通流能力；交流电源或者负载发生故障后，断开常通型SIC-JFET，通过采用常通型SIC-JFET与单相不可控整流桥的组合结构，使得常通型双向电力电子开关具备双向断流能力。

通过采用单相不可控整流桥实现常通型双向电力电子开关的双向通流与双向断流能力，减小常通型SIC-JFET的数量。

优选的，常通型双向电力电子开关包括：常通型碳化硅场效应管和二极管；其中，常通型SIC-JFET与二极管串联并联构成混合开关，混合开关进行反向并联，得到组合开关结构。例如，由常通型碳化硅场效应管3132与二极管经过串、并联组合构成的组合开关如图7所示。先将常通型碳化硅场效应管3132与二极管串联构成混合开关，再将混合开关进行反向并联后得到组合开关。

交流电源正常运行时，常通型SIC-JFET处于闭合状态，通过采用常通型SIC-JFET与二极管经过串、并联组合构成的组合开关，使得常通型双向电力电子开关具备双向通流能力；交流电源或者负载发生故障后，断开常通型SIC-JFET，通过采用常通型SIC-JFET与二极管经过串、并联组合构成的组合开关，使得常通型双向电力电子开关具备双向断流能力。

通过采用常通型SIC-JFET与二极管的串、并联组合拓扑结构实现所述常通型双向电力电子开关的双向通流与断开能力，减小二极管的数量。

优选的，功率单元级联模块如图2所示的A相、B相、C相分别表示功率单元级联接入三相交流系统的三个相单元。

功率单元级联模块包括多个功率单元；其中，如图8所示，每个功率单元包括储能子单元与全桥子单元，全桥子单元的直流侧连接储能子单元；其中一个功率单元的全桥子单元交流侧连接所述并网电抗器，其它功率单元的全桥子单元在该全桥子单元上通过交流侧依次级联；

每个储能子单元通过其对应的全桥子单元与外部进行充放电，其中，当交流电源正常运行且该储能子单元能量不足时，交流电源通过其对应的全桥子单元对该储能子单元进行充电；当交流电源故障时，该储能子单元通过其对应的全桥子单元向负载释放能量。

当交流电源故障时，中压供电质量综合调节系统可以通过释放其内部储能子单元的能量，从而达到持续为负载供电的目的。同时，交流电源也可以通过中压供电质量综合调节系统向储能子单元进行充电。

优选的，如图9所示，每个功率单元还包括电感，该功率单元中的全桥子单元的直流侧通过电感连接至该功率单元中的储能子单元，通过在储能子单元与全桥子单元之间增加电感，可以减小储能子单元在充放电过程中的谐波电流。功率单元内部的电感与全桥子单元内部的直流侧电容构成二阶电感-电容滤波电路，从而滤除储能子单元中的谐波电流。

优选的，如图10所示，每个功率单元还包括直流-直流变换器子单元；储能子单元连接至直流-直流变换器子单元的第一端口，全桥子单元连接至直流-直流变换器子单元的第二端口；直流-直流变换器子单元用于维持全桥子单元的直流侧电压恒定以及限制储能子单元的充放电电流大小。

储能子单元连接至直流-直流变换器子单元的第一端口，全桥子单元连接至直流-直流变换器子单元的第二端口；当交流电源故障时，储能子单元释放能量，通过功率单元级联模块维持负载持续供电；当直流-直流变换器子单元用于维持全桥子单元的直流侧电压恒定以及限制储能子单元的充放电电流大小。通过在储能子单元、全桥子单元之间增加直流-直流变换器子单元，提高了在储能子单元充放电过程中，功率单元内部电压、电流等物理量的可控性。

优选的，如图11所示，每个功率单元还包括：直流-直流变换器子单元和直流开关；其中，该功率单元中的储能子单元通过所述直流开关连接至所述直流-直流变换器子单元的第一端口，所述直流-直流变换器子单元的第二端口连接至该功率单元中的全桥子单元的直流侧；当该储能子单元正常运行时，闭合直流开关，以为该储能子单元的充放电提供电流路径；当该储能子单元出现故障时，断开直流开关，以隔离直流-直流变换器子单元与故障后的储能子单元。

通过在功率单元内部增加直流开关，可以有效隔离功率单元内部已发生故障的储能子单元，维持功率单元内部其他健全元件的正常运行。

优选的，直流开关为直流断路器、直流接触器、常通型双向SIC-JFET或这三者中任意两种的组合。

优选的，储能子单元为储能电池、超级电容或者任意两种的组合。

优选的，如图12所示，每个功率单元还包括：旁路开关；旁路开关跨接在该功率单元中的全桥子单元的交流侧；旁路开关可以是采用双向晶闸管的双向开关，或者是交流断路器，或者是交流接触器。

功率单元正常运行时，断开旁路开关，功率单元与外部电路正常进行能量交换；当功率单元发生故障时，闭合故障功率单元内部相应的旁路开关以旁路该故障功率单元，维持其他非故障功率单元的正常工作。通过在功率单元内部增加旁路开关，避免因单个功率单元故障导致整个中压供电质量调节系统退出运行，提高了系统运行的整体可靠性。

实施例二

一种中压供电质量综合调节系统，如图13所示，用于调节中压三相交流系统的供电质量，包括：耦合电感模块，旁路模块，并网电抗器模块，以及功率单元级联模块；其中，调节系统的输入端口连接至交流电源、输出端口连接至负载，耦合电感模块的输入端口连接至调节系统输入端口、输出端口分别连接至旁路模块和调节系统的输出端口；旁路模块的输入端口连接耦合电感模块的一输出端口，旁路模块的输出端口连接至调节系统的输出端口；并网电抗器模块跨接在限流模块输出端口与功率单元级联模块之间，并网电抗器模块连接调节系统的输出端口，功率单元级联模块连接并网电抗器模块。

当系统正常工作时，交流电源通过耦合电感模块给负载供电和向功率单元级联模块充电，旁路模块导通，耦合电感对外体现为电抗值较小的感抗；当交流电源出现电压谐波超标、电压跌落故障或负载出现功率因素异常时，所述耦合电感模块对应地进行谐波抑制、交流故障电流限制或负载电压相位幅值调节，旁路模块断开使得耦合电感对外呈现电抗值较大的感抗，控制器控制功率单元级联模块在并网电抗器模块辅助下向负载所输出的电流和电压的频率、幅值、相位，以维持供电质量；控制器当接收到交流电源发送的能量回馈指令时控制功率单元级联模块放电；所述旁路模块用于在耦合电感模块、并网电抗器模块或功率单元级联模块故障时旁路这三者，使得交流电源通过旁路模块直接向负载供电。

优选的，耦合电感模块包括级联的多个相同的耦合电感，每个耦合电感由采用异名端连接方式的第一线圈与第二线圈组合构成；所述第一线圈的两端分别连接交流电源和调节系统输出端口，第二线圈的两端分别连接所述调节系统输入端口和旁路模块；交流电源或者负载发生故障时，旁路模块断开从而切除耦合电感的第二线圈，使得耦合电感的第一线圈投入运行，耦合电感对外呈现电抗值较大的感抗，从而限制过电流。

根据交流电源以及负载是否发生故障，通过断开或者导通旁路模块，从而相应地切除或者投入耦合电感的第二线圈，使得耦合电感对外分别呈现较高感抗或者较低感抗，从而实现耦合电感在故障前后的感抗值突变，进而提高整个中压供电质量调节系统的运行性能。

优选的，调节系统中的限流模块为如实施例一所述的一种中压供电质量综合调节系统中的限流模块拓扑结构；和/或，调节系统中的功率单元级联模块为如实施例二所述的一种中压供电质量综合调节系统中的功率单元级联模块拓扑结构。

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 (12)

1.一种中压供电质量综合调节系统，用于调节中压三相交流系统的供电质量，其特征在于，包括：控制器，旁路模块，限流模块，并网电抗器模块，以及功率单元级联模块；其中，所述调节系统的输入端口连接至交流电源、输出端口连接至负载，所述限流模块和所述旁路模块均跨接在所述调节系统的输入端口与输出端口之间构成并联；所述并网电抗器模块连接限流模块的输出端口，所述功率单元级联模块连接所述并网电抗器模块；

当系统正常工作时，交流电源通过限流模块给负载供电和向所述功率单元级联模块充电；当交流电源出现电压谐波超标、电压跌落故障或负载出现功率因素异常时，所述控制器控制限流模块对外呈现的限流阻抗大小，所述限流模块对应地进行谐波抑制、交流故障电流限制或负载电压相位幅值调节，控制器控制功率单元级联模块在并网电抗器模块辅助下向负载所输出的电流和电压的频率、幅值、相位，以维持供电质量；控制器当接收到交流电源发送的能量回馈指令时控制功率单元级联模块放电；所述旁路模块用于当限流模块、并网电抗器模块或功率单元级联模块故障时控制器控制旁路模块导通，使交流电源通过旁路模块直接向负载供电。

2.根据权利要求1所述的一种中压供电质量综合调节系统，其特征在于，所述限流模块的拓扑结构包括：第一电感，第二电感，以及常通型双向电力电子开关；其中，所述第一电感与所述常通型双向电力电子开关进行串联构成第一串联支路，所述第一串联支路与所述第二电感并联构成第一混连支路；

在交流电源正常运行时，常通型双向电力电子开关处于闭合状态，第一串联支路与第二电感并联连接，从而使得第一混连支路总体低阻抗，不影响交流电源向负载传输有功功率；交流电源或者负载发生故障后，断开常通型双向电力电子开关，切除第一串联支路中的第一电感，第二电感投入，第一混连支路阻抗增大，以抑制交流故障电流；

或者，

所述限流模块的拓扑结构包括：第三电感，第四电感，以及常通型双向电力电子开关；其中，第三电感与常通型双向电力电子开关进行并联构成第一并联支路，所述第一并联支路与第四电感串联构成第二混连支路；

交流电源正常运行时，常通型双向电力电子开关处于闭合状态，第三电感被常通型双向电力电子开关旁路，使得第一并联支路呈现低阻抗，第二混连支路阻抗较小，不影响交流电源向负载传输有功功率；交流电源或者负载发生故障后，断开第一并联支路中的常通型双向电力电子开关以投入第一电感，使得第一并联支路呈现高阻抗，使得第二混连支路阻抗增大，以限制故障电流。

3.根据权利要求2所述的一种中压供电质量综合调节系统，其特征在于，所述常通型双向电力电子开关包括：常通型碳化硅场效应管和单相不可控整流桥；其中，所述常通型碳化硅场效应管的漏极连接至所述单相不可控整流桥的正极，所述常通型碳化硅场效应管的源极连接至单相不可控整流桥的负极；当所述限流模块的拓扑结构为所述第一混连支路时，所述单相不可控整流桥的交流端口一端连接所述第一电感、另一端连接负载；当所述限流模块的拓扑结构为所述第二混连支路时，所述单相不可控整流桥的交流端口跨接在所述第三电感的两端；

当交流电源正常运行时，常通型碳化硅场效应管处于闭合状态，通过采用常通型碳化硅场效应管与单相不可控整流桥的组合结构，使得常通型双向电力电子开关具备双向通流能力；当交流电源或者负载发生故障后，断开常通型碳化硅场效应管，通过采用常通型SIC-JFET与单相不可控整流桥的组合结构，使得常通型双向电力电子开关具备双向断流能力。

4.根据权利要求2所述的一种中压供电质量综合调节系统，其特征在于，所述常通型双向电力电子开关包括：常通型碳化硅场效应管和二极管；其中，常通型SIC-JFET与二极管串联并联构成混合开关，所述混合开关进行反向并联，得到组合开关结构；

当交流电源正常运行时，常通型碳化硅场效应管处于闭合状态，通过采用所述组合开关结构，使得常通型双向电力电子开关具备双向通流能力；当交流电源或者负载发生故障后，断开常通型碳化硅场效应管，通过所述组合开关结构，使得常通型双向电力电子开关具备双向断流能力。

5.根据权利要求1所述的一种中压供电质量综合调节系统，其特征在于，所述功率单元级联模块包括多个功率单元；

其中，每个所述功率单元包括储能子单元与全桥子单元，所述全桥子单元的直流侧连接所述储能子单元；其中一个功率单元的全桥子单元交流侧连接所述并网电抗器，其它功率单元的全桥子单元在该全桥子单元上通过交流侧依次级联；

每个储能子单元通过其对应的全桥子单元与外部进行充放电，其中，当所述交流电源正常运行且该储能子单元能量不足时，交流电源通过其对应的全桥子单元对该储能子单元进行充电；当交流电源故障时，该储能子单元通过其对应的全桥子单元向负载释放能量。

6.根据权利要求5所述的一种中压供电质量综合调节系统，其特征在于，每个所述功率单元还包括电感，该功率单元中的全桥子单元的直流侧通过所述电感连接至该功率单元中的储能子单元，所述电感用于减小储能子单元在充放电过程中的谐波电流。

7.根据权利要求5所述的一种中压供电质量综合调节系统，其特征在于，每个所述功率单元还包括直流-直流变换器子单元；

所述储能子单元连接至直流-直流变换器子单元的第一端口，所述全桥子单元连接至直流-直流变换器子单元的第二端口；所述直流-直流变换器子单元用于维持全桥子单元的直流侧电压恒定以及限制储能子单元的充放电电流大小。

8.根据权利要求5所述的一种中压供电质量综合调节系统，其特征在于，每个所述功率单元还包括：直流-直流变换器子单元和直流开关；

其中，该功率单元中的储能子单元通过所述直流开关连接至所述直流-直流变换器子单元的第一端口，所述直流-直流变换器子单元的第二端口连接至该功率单元中的全桥子单元的直流侧；当该储能子单元正常运行时，闭合所述直流开关，以为该储能子单元的充放电提供电流路径；当该储能子单元出现故障时，断开所述直流开关，以隔离所述直流-直流变换器子单元与故障后的储能子单元。

9.根据权利要求5所述的一种中压供电质量综合调节系统，其特征在于，每个所述功率单元还包括：旁路开关；所述旁路开关跨接在该功率单元中的全桥子单元的交流侧；

当该功率单元正常运行时，断开所述旁路开关，该功率单元与外部电路正常进行能量交换；当该功率单元发生故障时，闭合其内部旁路开关以旁路该功率单元，维持其它非故障的功率单元的正常工作。

10.一种中压供电质量综合调节系统，用于调节中压三相交流系统的供电质量，其特征在于，包括：耦合电感模块，旁路模块，并网电抗器模块，以及功率单元级联模块；其中，所述调节系统的输入端口连接至交流电源、输出端口连接至负载，所述耦合电感模块的输入端口连接至所述调节系统输入端口、输出端口分别连接至所述旁路模块和所述调节系统的输出端口；所述旁路模块的输入端口连接所述耦合电感模块的一输出端口，所述旁路模块的输出端口连接至所述调节系统的输出端口；所述并网电抗器模块跨接在限流模块输出端口与功率单元级联模块之间，所述并网电抗器模块连接所述调节系统的输出端口，所述功率单元级联模块连接所述并网电抗器模块；

当系统正常工作时，交流电源通过耦合电感模块给负载供电和向所述功率单元级联模块充电，旁路模块导通，耦合电感对外体现为电抗值较小的感抗；当交流电源出现电压谐波超标、电压跌落故障或负载出现功率因素异常时，所述耦合电感模块对应地进行谐波抑制、交流故障电流限制或负载电压相位幅值调节，旁路模块断开使得耦合电感对外呈现电抗值较大的感抗，控制器控制功率单元级联模块在并网电抗器模块辅助下向负载所输出的电流和电压的频率、幅值、相位，以维持供电质量；控制器当接收到交流电源发送的能量回馈指令时控制功率单元级联模块放电；所述旁路模块用于在耦合电感模块、并网电抗器模块或功率单元级联模块故障时旁路这三者，使得交流电源通过旁路模块直接向负载供电。

11.根据权利要求10所述的一种中压供电质量综合调节系统，其特征在于，所述耦合电感模块包括级联的多个相同的耦合电感，每个耦合电感由采用异名端连接方式的第一线圈与第二线圈组合构成；所述第一线圈的两端分别连接交流电源和所述调节系统输出端口，所述第二线圈的两端分别连接所述调节系统输入端口和旁路模块；

交流电源或者负载发生故障时，旁路模块断开从而切除耦合电感的第二线圈，使得耦合电感的第一线圈投入运行，耦合电感对外呈现电抗值较大的感抗，从而限制电流。

12.根据权利要求10所述的一种中压供电质量综合调节系统，其特征在于，所述调节系统中的限流模块为如权利要求2至4任一项所述的一种中压供电质量综合调节系统中的限流模块拓扑结构；和/或，所述调节系统中的功率单元级联模块为如权利要求5至9任一项所述的一种中压供电质量综合调节系统中的功率单元级联模块拓扑结构。

Images