CN112952846A - 一种并联高速切换型电压暂降治理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种并联高速切换型电压暂降治理系统，包括电网连接端Vin、输入开关Ks2、切换开关单元Sb、输出开关Ks3、旁路开关Ks1、电压暂降治理单元Vsu、负载连接端Vout、系统检测控制单元Scu，其中，电网连接端Vin、输入开关Ks2、切换开关单元Sb、输出开关Ks3、负载连接端Vout依次串联于电网跟负载之间；旁路开关Ks1跨接于电网连接端Vin与负载连接端Vout之间；电压暂降治理单元Vsu连接在输出开关Ks3的进线连接端上；系统检测控制单元Scu跨接于电网连接端Vin与负载连接端Vout之间。采用本发明的电压暂降治理系统，在确保系统运行安全的情况下，能够尽可能缩短切换时间，实现更高质量的电压暂降以及电压短时中断治理。

Description

一种并联高速切换型电压暂降治理系统
技术领域
本发明涉及配电网电压暂降优化治理技术领域，具体涉及一种并联高速切换型电压暂降治理系统。
背景技术
电压暂降是瞬态发生的一种故障现象，主要受极端天气因素和电力运行故障产生，包括雷电、暴风雪灾、大功率冲击性负荷启动运行等，尤其在我国南方地区，电压暂降发生的频次，呈逐年增长趋势。电压暂降给工业生产和居民生活带来了较大影响，尤其是随着我国工业转型升级，将低端生产加工业向具有高附加值、高科技含量的产业转型升级，而高科技产业尤其以精密智能制造为代表的工业4.0产业，如光电技术、航空航天技术、半导体生产加工、机器人生产加工线等对供电品质要求高，供电质量不合格将造成生产流程中断，生产设备损毁，产线商品报废等严重的经济损失。另外，冶金、医院、军工、煤矿生产等产业对供电质量要求高，尤其是电压暂降对其影响严重，部分已经超越了经济损失的范畴，短时甚至几个周波的电压暂降或短时中断都会导致劣质产品甚至质量事故，更有可能造成设备的严重损坏，不仅造成经济损失还同时威胁人身安全。可见，供电质量是工业生产质量保证的基础，经济社会发展的保证。电压跌落、电压波动、瞬时断电等问题都将造成敏感设备工作异常，给电力用户生产、生活带来巨大损失。
针对电压暂降、瞬时断电等供电质量问题，越来越多的采用并联切换型电压暂降治理，主要是针对电压暂降敏感设备的就地治理，当主电源发生电压异常，通过并联切换型电压暂降治理装置，实现电压暂降治理，电源电压恢复正常后，切换回主电源供电。设备本来对电压暂降敏感，在切换治理的过程中，需要保证整个切换和治理输出的时间要短，在敏感设备耐受范围内，储能双向变流器逆变输出时间一般可以做到3ms以内，切换开关单元的切换时间将影响整个系统的性能指标，根据调研了解到的情况，无论是半导体行业还是精密制造，可以耐受的暂降失压时间为10ms以内，也就是切换开关单元的切换时间要求至少在7ms以内，否则暂降治理的意义将大打折扣。通过实现一种并联高速切换型电压暂降治理系统，在系统运行安全的前提下，尽可能缩短切换时间，实现更高质量的电压暂降以及电压短时中断治理。
中国专利CN109980652A，针对电压暂降治理采用交直流混合配电方案，交流输入回路下，采用变压器、不控整流AC/DC、PWM DC/AC逆变器和变压器构成敏感负荷供电回路；直流供电输入，采用蓄电池、双向DC/DC变换器、双向DC/DC的输出连接交流供电回路的AC/DC的输出，在发生暂降(较深暂降深度)情况下，交流回路的AC/DC将失去实际作用。
中国专利CN110011341A，通过储能电池和双向DC/DC变换器，连接至敏感负荷的直流侧，在发生电压暂降情况下，由储能单元为其提供短时直流侧供电，该电压暂降治理方案具有一定的适用性，针对可以方便接出设备的直流侧的敏感设备，对于不方便引出直流侧或者不具有所有直流侧的敏感用电设备，将不再适用。
中国专利CN110198026A，系统由输入断路器、故障限流器、输出断路器、DC/DC变换器、储能单元、双向AC/DC变换器以及变压器构成，当电网发生电压暂降或者由电压暂降恢复正常，由DC/DC给故障限流器线圈提供直流电流或者撤销直流电流实现负载跟电网的连接，故障限流器等效为一种可控开关，实现跟电网的电气连接作用。但该方式存在成本高，且容易造成限流器铁心电抗器故障损坏风险。
中国专利CN110198041A，相对于专利CN110198026A故障限流器更换成了反并联的晶闸管型电子开关，其余均没有任何差异性，采用了反并联晶闸管实现与电网之间的电气连接，当电网发生电压暂降，撤销晶闸管的触发信号，靠自然关断，晶闸管关断时间较长，至少超过半个周波。
如何解决上述问题，采用简单有效的方案以解决电压暂降所带来的问题是本领域技术人员致力于解决的事情。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种并联高速切换型电压暂降治理系统。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种并联高速切换型电压暂降治理系统，所述电压暂降治理系统包括电网连接端Vin、输入开关Ks2、切换开关单元Sb、输出开关Ks3、旁路开关Ks1、电压暂降治理单元Vsu、负载连接端Vout、系统检测控制单元Scu，其中，电网连接端Vin、输入开关Ks2、切换开关单元Sb、输出开关Ks3、负载连接端Vout依次串联于电网跟负载之间；旁路开关Ksi跨接于电网连接端Vin与负载连接端Vout之间；电压暂降治理单元Vsu连接在输出开关Ks3的进线连接端上；系统检测控制单元Scu跨接于电网连接端Vin与负载连接端Vout之间，且分别与切换开关单元Sb、电压暂降治理单元Vsu连接，系统检测控制单元Scu用于实时检测电网侧和负载侧的电压和电流信号，当检测到电网侧电压暂降时，对切换开关单元Sb和电压暂降治理单元Vsu发出控制信号，切换开关单元Sb切断与电网的连接，由电压暂降治理单元Vsu向负载供电。
作为一种具体的实施方式，所述电压暂降治理单元Vsu由储能单元Sm、储能双向DC/AC变换器Bc构成，储能单元Sm连接在储能双向DC/AC变换器Bc的直流侧，所述系统检测控制单元Scu实时检测储能单元Sm的电压和电流信号，对储能双向DC/AC变换器Bc发出充放电控制信号。
作为一种具体的实施方式，所述切换开关单元Sb由主供电回路和辅助关断回路构成，所述主供电回路由正向晶闸管Tp1和反向晶闸管Tp2反并联构成，所述辅助关断回路包括储能电容器Cp1/Cp2、晶闸管STp1/STp2，其中，储能电容器Cp1的负极连接正向晶闸管Tp1的阳极、正极连接晶闸管STp1的阳极，STp1的阴极连接晶闸管Tp1的阴极；储能电容器Cp2的正极连接反向晶闸管Tp2的阴极、负极连接晶闸管STp2的阴极，晶闸管STp2的阳极连接反向晶闸管Tp2的阳极。
作为一种具体的实施方式，所述切换开关单元Sb由两个IGBT开关管共射极串联连接，两个IGBT开关管分别为开关管T1和开关管T2，开关管T1并联有开关管T1反并联二极管，开关管T2并联有开关管T2反并联二极管。
作为一种具体的实施方式，所述电压暂降治理系统还包括变压器It，所述变压器It串联在电压暂降治理单元Vsu与输出开关Ks3之间。
作为一种具体的实施方式，储能电容器Cp1/Cp2通过连接在主电源两项间的充电电路进行充电，所述充电电路包括依次串联在电容器Cp1/Cp2输入端上的避雷器MOVp1、限流电阻Rp及二极管Dt1/Dt2。
作为一种具体的实施方式，储能单元Sm采用了超级电容或锂电池。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明的并联高速切换型电压暂降治理系统，其通过系统检测控制单元Scu实时检测电网侧和负载侧的电压和电流信号，当检测到电网侧电压暂降时，对切换开关单元Sb和电压暂降治理单元Vsu发出控制信号，使切换开关单元Sb切断与电网的连接，由电压暂降治理单元Vsu向负载进行短时供电，在确保系统运行安全的前提下，尽可能的缩短切换时间。
附图说明
图1为实施例1中的并联高速切换型电压暂降治理系统的控制框图；
图2为实施例2中的并联高速切换型电压暂降治理系统的控制框图；
图3为实施例1中储能电容器Cp1/Cp2的充电电路图；
附图4为实施例1中切换开关单元Sb的电路图；
附图5为实施例1中的并联高速切换型电压暂降治理系统的工作逻辑图；
附图6为实施例2中的并联高速切换型电压暂降治理系统的工作逻辑图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例来对本发明的技术方案作进一步的阐述。
实施例1
一种并联高速切换型电压暂降治理系统，参见图1所示，包括电网连接端Vin、输入开关Ks2、切换开关单元Sb、输出开关Ks3、旁路开关Ks1、电压暂降治理单元Vsu、负载连接端Vout、系统检测控制单元Scu。其中，电网连接端Vin、输入开关Ks2、切换开关单元Sb、输出开关Ks3、负载连接端Vout依次串联于电网跟负载之间；旁路开关Ks1跨接于电网连接端Vin与负载连接端Vout之间；电压暂降治理单元Vsu连接在输出开关Ks3的进线连接端上；系统检测控制单元Scu跨接于电网连接端Vin与负载连接端Vout之间，且分别与切换开关单元Sb、电压暂降治理单元Vsu连接，系统检测控制单元Scu用于实时检测电网侧和负载侧的电压和电流信号，当检测到电网侧电压暂降时，对切换开关单元Sb和电压暂降治理单元Vsu发出控制信号，切换开关单元Sb切断与电网的连接，由电压暂降治理单元Vsu向负载供电。
这里，输入开关Ks2、输出开关Ks3、旁路开关Ks1均为机械开关，通常为断路器、接触器等，实现电气分合和保护等功能，旁路开关Ks1一般具有手动和自动操控两种模式。
这里，当电网发生电压暂降，系统检测控制单元Scu发出控制信号给切换开关Sb，切换开关Sb切断与电网连接，而后系统检测控制单元Scu发出控制信号给电压暂降治理单元Vsu，由电压暂降治理单元Vsu为负载提供短时供电。该电压暂降治理单元Vsu由储能单元Sm、储能双向DC/AC变换器Bc构成，储能单元Sm连接在储能双向DC/AC变换器Bc的直流侧，系统检测控制单元Scu实时检测储能单元Sm的电压和电流信号，对储能双向DC/AC变换器Bc发出充放电控制信号。
这里，所述储能单元Sm，当电网发生电压暂降，切断与电网连接的切换开关Sb后，由储能单元Sm为负载提供短时供电，该储能单元Sm可为超级电容、锂电池等储能器件。
所述储能双向DC/AC变换器Bc，实现对储能单元Sm的充放电，当负载由电网提供供电时，储能单元Sm需要充电的情况下，储能双向DC/AC变换器Bc运行于整流工作模式下给储能单元Sm充电；当电网发生电压暂降，切换开关单元Sb断开，由储能双向DC/AC变换器Bc将储能单元Sm直流电逆变成交流电提供给负载。
该切换开关单元Sb由主供电回路和辅助关断回路构成，主供电回路由正向晶闸管Tp1和反向晶闸管Tp2反并联构成，辅助关断回路包括储能电容器Cp1/Cp2、晶闸管STp1/STp2，其中，储能电容器Cp1的负极连接正向晶闸管Tp1的阳极、正极连接晶闸管STp1的阳极，STp1的阴极连接晶闸管Tp1的阴极；储能电容器Cp2的正极连接反向晶闸管Tp2的阴极、负极连接晶闸管STp2的阴极，晶闸管STp2的阳极连接反向晶闸管Tp2的阳极。该储能电容器Cp1/Cp2通过连接在主电源两项间的充电电路进行充电，充电电路包括依次串联在电容器Cp1/Cp2输入端上的避雷器MOVp1、限流电阻Rp及二极管Dt1/Dt2，参见图3、4所示。
这里，根据系统实际需求，还可在电压暂降治理单元Vsu与输出开关Ks3之间设置变压器It，变压器It属于可选，若储能双向DC/AC变换器Bc逆变输出可以达到额定输出，且没有隔离需求的可以不选用变压器It；若储能双向DC/AC变换器Bc逆变输出无法达到额定输出，需要通过变压器进行调节的或者有隔离需求的可以选用变压器，变压器变比可以根据系统情况确定。
本例中的电压暂降治理系统，其工作逻辑步骤如下，参见图5所示：
系统检测控制单元Scu检测电网侧电压以及电流信号及判断电流方向；
当电网侧发生电压暂降，系统检测控制单元Scu向切换开关单元Sb发出触发信号，封闭主回路晶闸管Tp1、Tp2的触发信号；
根据负载电流方向触发辅助关断电路晶闸管STp1、STp1触发信号，若电流方向为正方向则触发STp1，若电流方向为反方向则触发STp2；
判断电网侧电流，若电流达到设定阈值电流iTH以内，阈值电流iTH为额定电流的0.1％～0.9％，典型值为0.5％，等待200μs～300μs后，封闭所有辅助关断电路晶闸管STp1、STp2的触发信号；
若电网侧电压恢复正常，根据负载电流方向，触发主回路晶闸管Tp1、Tp2，若电流方向为正向则触发Tp1，若电流方向为反向则触发Tp2。
这里，设定电容器Cp1/Cp2的目标电压为
Figure BDA0003034637730000061
充电电路接入线电压的峰值为：
Figure BDA0003034637730000062
在任何充电过程中，限流电阻Rp充电电流不超过ic，则Rp可选取：
Figure BDA0003034637730000063
避雷器MOVP1的击穿电压V为
Figure BDA0003034637730000064
二极管Dt1/Dt2承受电压为接入线电压的峰值
Figure BDA0003034637730000065
加上电容器两端电压
Figure BDA0003034637730000066
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，本例中，切换开关单元Sb由两个IGBT开关管共射极串联连接，两个IGBT开关管分别为开关管T1和开关管T2，开关管T1并联有开关管T1反并联二极管，开关管T2并联有开关管T2反并联二极管。采用该电路实现电流的双向流动，当负载电流为正向时，开关管T1和开关管T2反并联二极管构成通路；当负载电流为负向时，开关管T1反并联二极管与开关管T2构成通路。
本例中的电压暂降治理系统，其工作逻辑步骤如下，参见图6所示：
系统检测控制单元Scu检测电网侧电压以及电流信号及判断电流方向；
当系统检测控制单元Scu检测到电网侧发生电压暂降时，封闭主回路开关管T1、的T2驱动信号；
若电网侧电压恢复正常，根据负载电流方向，驱动主回路全控器件T1、T2，若电流方向为正向则驱动开关管T1，若电流方向为反向则驱动开关管T2。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种并联高速切换型电压暂降治理系统，其特征在于，所述电压暂降治理系统包括电网连接端Vin、输入开关Ks2、切换开关单元Sb、输出开关Ks3、旁路开关Ks1、电压暂降治理单元Vsu、负载连接端Vout、系统检测控制单元Scu，其中，电网连接端Vin、输入开关Ks2、切换开关单元Sb、输出开关Ks3、负载连接端Vout依次串联于电网跟负载之间；旁路开关Ks1跨接于电网连接端Vin与负载连接端Vout之间；电压暂降治理单元Vsu连接在输出开关Ks3的进线连接端上；系统检测控制单元Scu跨接于电网连接端Vin与负载连接端Vout之间，且分别与切换开关单元Sb、电压暂降治理单元Vsu连接，系统检测控制单元Scu用于实时检测电网侧和负载侧的电压和电流信号，当检测到电网侧电压暂降时，对切换开关单元Sb和电压暂降治理单元Vsu发出控制信号，切换开关单元Sb切断与电网的连接，由电压暂降治理单元Vsu向负载供电。
2.根据权利要求1所述的并联高速切换型电压暂降治理系统，其特征在于，所述电压暂降治理单元Vsu由储能单元Sm、储能双向DC/AC变换器Bc构成，储能单元Sm连接在储能双向DC/AC变换器Bc的直流侧，所述系统检测控制单元Scu实时检测储能单元Sm的电压和电流信号，对储能双向DC/AC变换器Bc发出充放电控制信号。
3.根据权利要求1所述的并联高速切换型电压暂降治理系统，其特征在于，所述切换开关单元Sb由主供电回路和辅助关断回路构成，所述主供电回路由正向晶闸管Tp1和反向晶闸管Tp2反并联构成，所述辅助关断回路包括储能电容器Cp1/Cp2、晶闸管STp1/STp2，其中，储能电容器Cp1的负极连接正向晶闸管Tp1的阳极、正极连接晶闸管STp1的阳极，STp1的阴极连接晶闸管Tp1的阴极；储能电容器Cp2的正极连接反向晶闸管Tp2的阴极、负极连接晶闸管STp2的阴极，晶闸管STp2的阳极连接反向晶闸管Tp2的阳极。
4.根据权利要求1所述的并联高速切换型电压暂降治理系统，其特征在于，所述切换开关单元Sb由两个IGBT开关管共射极串联连接，两个IGBT开关管分别为开关管T1和开关管T2，开关管T1并联有开关管T1反并联二极管，开关管T2并联有开关管T2反并联二极管。
5.根据权利要求1所述的并联高速切换型电压暂降治理系统，其特征在于，所述电压暂降治理系统还包括变压器It，所述变压器It串联在电压暂降治理单元Vsu与输出开关Ks3之间。
6.根据权利要求3所述的并联高速切换型电压暂降治理系统，其特征在于，储能电容器Cp1/Cp2通过连接在主电源两项间的充电电路进行充电，所述充电电路包括依次串联在电容器Cp1/Cp2输入端上的避雷器MOVp1、限流电阻Rp及二极管Dt1/Dt2。
7.根据权利要求2所述的并联高速切换型电压暂降治理系统，其特征在于，储能单元Sm采用了超级电容或锂电池。
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