CN115224696A - 一种大容量动态电压恢复装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大容量动态电压恢复装置，包括依次电连接的储能模块、逆变模块、变压器和滤波电容组。其中，变压器为分裂变压器，逆变模块至少包括两个并联的第一逆变单元和第二逆变单元，逆变模块用于将储能模块输出的直流电转换为交流电，第一逆变单元与分裂变压器的第一低压绕组连接，第二逆变单元与分裂变压器的第二低压绕组连接，分裂变压器经滤波电容组连接到电网回路。该装置利用变压器绕组间相互绝缘的特性，避免了逆变模块之间的开关次环流问题。

Description

一种大容量动态电压恢复装置

技术领域

本发明涉及电能质量控制技术领域，具体涉及一种大容量动态电压恢复装置。

背景技术

当电力系统遭遇闪电、暴雨、大风、施工、人员误操作等意外，会引起电压偏差、波动，甚至是短路故障导致电压暂降现象，这些问题均会影响到敏感设备的正常运行。随着大功率用电负荷快速增长，对于电力用户来说，需要更加稳定的电能供应。

动态电压恢复器（DVR）是解决电网暂态电能质量问题的解决方案之一，DVR是带有储能系统的串联补偿装置，可以实现电能质量的控制和为用户提供特定的电能供应。当系统电压受到干扰时，DVR可以在1-2毫秒内产生补偿电压，使负荷侧电压不受干扰，保证敏感负荷、计算机负荷的安全可靠运行。而随着保护功率的增加，常规的小功率动态电压恢复器已无法满足用户需求，因此大容量动态电压恢复器的需求逐年增加。大容量动态功率控制器除主回路常规设计外，如何提高动态电压恢复器的逆变单元容量是动态电压恢复器设计中的关键。目前大容量动态电压恢复器的实现方式主要有以下几种：

一种是采用大功率IGBT器件并联技术提高逆变单元的输出电流能力。图1示出了集中驱动的两个IGBT并联的动态电压恢复器电路示意图，如图1所示，采用集中驱动的方式是使用一只驱动板直接驱动多只并联的大功率IGBT模块，各IGBT驱动信号一致，但模块间均流问题受IGBT器件特性影响，无法避免器件开关时均流不一致导致的尖峰电流，同时稳态运行均流无法保证，设计均流系数随并联数增加而增加，无法充分利用模块容量。并且可实现容量受限于驱动核心的驱动功率，并联数量有限，因此通过此方式实现的动态电压恢复器产品的功率只能做到约1500A-2000A级别。图2示出了分立驱动的两个IGBT功率模组并联的动态电压恢复器电路示意图。如图2所示，采用分立驱动的方式是使用多只驱动板分别驱动单只或者几只并联的IGBT模块，保证驱动信号的原始信号为同一信号，由于环节中多了不同驱动的影响，为了保证IGBT模块均流的一致性，需要增加均流电抗或者共模磁环来抑制模块间不均流，需要增加额外的成本。

第二种是使用多组独立控制的功率模组并联实现大容量设备，图3示出了两组独立控制的IGBT功率模组并联的动态电压恢复器电路示意图。如图3所示，每个功率模块具有独立的控制和输出滤波回路，当并联数量很多后，模块间容易发生谐振问题引起设备或供电系统故障。由于每个模组具备独立的电流控制和LCL滤波回路，该方案成本高。

第三种是使用多台中小功率动态电压控制器并联实现大容量动态电压控制器，图4示出了两组DVR并联的动态电压恢复器电路示意图。如图4所示，将两套小功率的DVR产品通过高速通讯总线并联在主回路，由于DVR产品特殊性，并联要求多台DVR设备动作完全一致，如果有任意一台无法正常动作，成套DVR将无法正常工作。多台DVR产品并联后无法保证均流问题，且多台DVR需要有多套控制系统，成本高。

综上所述，现有大容量动态功率控制器的实现方案通用性不高，当模块运行在不同的电压等级需求时，功率模块设计需要做相应的调整，例如，当应用于218V电网系统时，需要的逆变模块数量增加一倍；当应用于690V电网系统时，需要调整IGBT选型和功率模块设计，改动很大；当应用于三相四线系统时，需要使用四桥臂模块或者电容中点电压引出，导致储能电容直流母线利用率低，增加储能电容数量，进而增加了系统成本。

因此，需要提供一种大容量动态电压恢复装置，实现能够以解决以上现有技术中存在的问题。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种大容量动态电压恢复装置，通过将多个功率模块分接到分裂变压器的分裂绕组边并联实现功率模块的功率并联，利用分裂变压器分裂绕组件相互隔离等特性，能够实现功率模组的标准化设计，降低大容量动态电压恢复装置的成本。

根据本发明的一个方面，提供一种大容量动态电压恢复装置，包括依次电连接的储能模块、逆变模块、变压器和滤波电容组，其中，变压器为分裂变压器，逆变模块至少包括两个并联的第一逆变单元和第二逆变单元，逆变模块用于将储能模块输出的直流电转换为交流电，第一逆变单元与分裂变压器的第一低压绕组连接，第二逆变单元与分裂变压器的第二低压绕组连接，分裂变压器的高压绕组经滤波电容组连接到电网回路。

该装置使用分裂变压器实现多路IGBT模组的输出并联，利用变压器绕组间相互绝缘的特性，避免了IGBT模组之间的开关次环流问题。

可选地，该装置包括包括监测模块和控制模块，监测模块与控制模块连接，监测模块适于对电网电压进行实时监测，以便监测模块在监测到电网电压凹陷时，向控制模块发送异常信号；控制模块适于接收监测模块的异常信号，并产生驱动逆变模块的PWM信号，以便逆变模块向电网注入补偿电压。

该装置中监测模块可以电网回路中的频率和电压偏差、电压波动和闪变、三相电压允许不平衡度、电网谐波等进行监测，以便当电网电压凹陷时，向电网系统注入所需的补偿电压。

可选地，控制模块与第一驱动板和第二驱动板连接，第一逆变单元与第一驱动板连接，第二逆变单元与第二驱动板连接，控制模块可以向第一驱动板和第二驱动板发送PWM驱动信号。

本装置中所有功率逆变模块使用1个驱动信号源头，即使用一个控制模块产生驱动信号，控制成本低。

可选地，逆变模块中并联的逆变单元的数量根据电网电压等级确定，逆变模块中并联的逆变单元的数量与分裂变压器中低压绕组的数量相同。

该装置中的功率模块可以实现标准化设计，单个IGBT功率模块可按常规设计为三相桥式IGBT电路，当做150kVA 以内三相模块使用，也可以当做500kVA 三相中的一相使用，当功率超过500kVA 以后可以将多组模块并联使用实现更大功率设计，通过调整IGBT型号，可灵活调整单个功率模块的容量。

可选地，逆变单元为三相桥式IGBT逆变电路，分裂变压器为三相变压器，第一低压绕组和第二低压绕组为三角形连接，高压绕组为星形连接。利用变压器的DY变换可以产生出4线输出效果，可使用三相逆变桥输出三相四线的效果。

可选地，储能模块的放电深度由分裂变压器的变比确定。通过调整变压器变比，可以灵活调整不同工况下储能模块的放电深度，充分利用储能模块中的能量，降低设计成本。

可选地，储能模块为储能电容、电池、超级电容、飞轮、超导磁储能系统中任意一种。

可选地，该装置包括软启动电路，软启动电路包括接触器和软启动电阻，接触器的触点与软启动电阻并联后，串联在电网回路和滤波电容组之间。

根据本发明的方案，将功率模块分接在分裂变压器的分裂绕组上，可以实现功率模块并联，从而实现大功率动态电压恢复器产品；可以通过调整变压器变比、分裂系数等参数实现不同电网电压等级的动态电压恢复器产品，有利于产品的标准化设计；利用变压器当做逆变模块输出滤波回路中的滤波电感，省去了常规DVR产品中的LC回路中的主滤波电感，可以降低设计成本。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了集中驱动的两个IGBT并联的动态电压恢复器电路示意图；

图2示出了分立驱动的两个IGBT功率模组并联的动态电压恢复器电路示意图；

图3示出了两组独立控制的IGBT功率模组并联的动态电压恢复器电路示意图；

图4示出了两组DVR并联的动态电压恢复器电路示意图；

图5示出了根据本发明的一个实施例的采用双分裂变压器大容量动态电压恢复装置的电路示意图；

图6示出了根据本发明的一个实施例的采用三分裂变压器的大容量动态电压恢复装置中逆变模块与三分裂变压器的连接示意图；

图7示出了根据本发明的一个实施例的采用四分裂变压器的大容量动态电压恢复装置中逆变模块与四分裂变压器的连接示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

动态电压恢复器（DVR）是带储能装置的电能补偿装置，其串联在供电电源和受保护的负载之间，持续监测输入侧电源电压，一旦检测到电压暂降或电压凹陷（供电电压偏离额定电压超过预设的保护阈值），DVR就会通过IGBT逆变器系统为负载提供正常的供电电压，保证负载侧电压稳定，确保受保护的负载不受电压变化的影响。但是大量高压大容量敏感负荷的广泛应用，使得电力用户对电能质量的要求越来越高，在高电压大功率的应用领域，一般的DVR产品的单套功率模块功率可设计成100-500kVA，超过500kVA需求后，需要对功率模组并联形成大容量DVR。本方案针对现有大容量动态电压恢复器结构中存在的不足进行改进，提出一种采用分裂变压器实现逆变模块并联，从而实现大容量动态电压恢复器的方案。

图5示出了根据本发明一个实施例的采用双分裂变压器的大容量动态电压恢复装置500的电路示意图。如图5所示，动态电压恢复装置500串联在电网和负载之间，用于当电网回路中出现电压暂降或偏置时，动态电压恢复器能够快速动作，为电网回路提供补偿电压。如图5所示，大容量动态电压恢复装置500包括依次电连接的储能模块510、逆变模块520、双分裂变压器530和滤波电容组540。其中，储能模块510是为系统提供能量的部分，其可以是储能电容、电池、超级电容、飞轮、超导磁储能系统中任意一种，当储能模块510为储能电容时，储能电容可以储存从电网直接获得能量，这样可以实现长时间为系统提供能量。逆变模块520可以将储能模块510输出的直流电转换为交流电，即DC/AC变换电路，产生系统所需的补偿电压。为了提高逆变功率模块的输出容量，逆变模块520可以包括两个或两个以上并联的逆变单元。

由于分裂变压器的低压绕组可分裂为额定容量相等的两部分或几部分，且各分裂线圈之间没有电联系，仅有较弱的磁耦合关系。分裂绕组的每个支路可以单独运行，也可在额定电压相同时并联运行，低压绕组分裂后可大大增加高压绕组与低压绕组各分裂部分之间以及低压绕组各分裂部分之间的短路阻抗，从而很好地限制网络的短路电流，增强逆变模块抗短路冲击电流的能力；还可以抑制由逆变模块产生的高频共模干扰以及直流偏置。因此，在本方案中变压器530采用分裂变压器，在本发明的一个实施例中，逆变模块520可以包括第一逆变单元521和第二逆变单元522，相应地，变压器530可以是双分裂变压器，双分裂变压器的低压绕组分裂为第一低压绕组531和第二低压绕组532。第一逆变单元521与分裂变压器的第一低压绕组531连接，第二逆变单元522与分裂变压器的第二低压绕组532连接，通过在额定电压相同时并联运行不同的分裂绕组，可实现功率模块的功率并联，利用分裂变压器分裂绕组之间相互隔离，不会产生环流的特性实现并联均流。逆变模块中所并联的三相桥式IGBT逆变电路的数量可根据电网电压等级确定。

通常把低压绕组作为分裂绕组，分裂成两个或两个以上的支路，各分裂绕组的总容量就是该分裂变压器的额定容量。图6示出了根据本发明的一个实施例的采用三分裂变压器的大容量动态电压恢复装置中逆变模块与三分裂变压器的连接示意图。图7示出了根据本发明的一个实施例的采用四分裂变压器的大容量动态电压恢复装置中逆变模块与四分裂变压器的连接示意图。如图6和图7所示，多个并联的DC/AC逆变单元分别与分裂变压器的D连接低压绕组连接，总功率通过分裂变压器Y连接高压绕组输出。

分裂变压器的高压绕组533经滤波电容组540连接到电网回路。利用分裂变压器自身的漏感参数，省去了常规DVR产品中的LCL回路中的主滤波电感，只需要在分裂变压器后端增加滤波电容组即可得到远超过常规LCL滤波效果的电压波形输出。

在本发明的一个实施例中，储能模块的放电深度可由分裂变压器的变比确定。其中放电深度表示储能模块从最高工作电压降至最低工作电压的百分比率，通过调整变压器变比，可以灵活调整不同工况储能模块的放电深度，降低储能模块设计成本。同时可利用变压器自身的变压功能，再不同电压等级的DVR产品中通过调整变压器原副边变比实现最终输出电压和功率，实现不同电压等级的产品功率模块归一化设计。

对于高压大容量场合，分裂变压器的第一低压绕组531和第二低压绕组532为三角形连接，即D连接，高压绕组533为星形连接，即Y连接。变压器的作用就是 Y侧跟随电网电压走， D侧电压基本不变，维持D侧功率单元设计的一致性，这样可以提高大容量DVR产品的通用性。并且，利用变压器的DY变换可以产生出4线输出效果，可使用三相逆变桥输出三相四线的效果，而且由于三相三桥臂侧可使用SVPWM（空间电压矢量脉宽调制）算法，能够充分利用储能侧直流母线，节约储能电容配置。

由于电网特性、配电负载平衡的要求及负荷本身的特性，大容量逆变器一般采用三相结构。在本发明的一个实施例中，逆变模块可以是三相桥式IGBT逆变电路，相应地，分裂变压器为三相变压器。三相分裂变压器的每相由一个高压绕组与两个或多个电压和容量均相同的低压绕组构成。分裂变压器正常的电能传输仅在高、低压绕组之间进行，而在故障时则具有限制短路电流的作用。几个分支容量相同，额定电压相等或接近，可以单独运行或并联运行，可以承担相同或不同负载。当某一个低压绕组上所连接的负荷或电源发生故障时，其余低压绕组仍能正常运行。

使用三个单相逆变电路就可以组合成一个三相逆变电路，而使用IGBT作为开关器件的三相电压型桥式逆变电路使用最为广泛。其中，IGBT（绝缘栅双极性晶体管）是由BJT（双极性三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组合成的功率半导体器件，具有高输入阻抗和低导通压降两方面的优点。可以将逆变模块标准化设计，单个IGBT逆变单元可以三相桥式IGBT逆变电路，在150KVA以内的小容量电网中可以做三相逆变模块使用，也可以在500KVA电网中当作三相中的一相使用，在500KVA以上电网中可利用分裂变压器将多组IGBT功率模块并联使用实现更大的功率设计。并且通过调整IGBT型号，可灵活调整单个功率模块的输出容量。在三相桥式IGBT逆变电路中，每个桥臂导电角度为120度；同一个半桥上下两个桥臂交替导电，各相导电角度依次相差120度；在任意瞬间有3个桥臂同时导通，每次变换都在相同相上下两个桥臂之间进行。在开关器件通断控制中，为防止同一相上两个开关器件同时导通引起直流侧电源短路，必须先断后通，即保留死区时间。为了向逆变模块提供驱动信号，可以通过1个驱动控制模块产生逆变模块所需要的两路PWM驱动信号，该驱动控制模块与第一驱动板和第二驱动板连接，用于向第一驱动板和第二驱动板发送PWM驱动信号。第一逆变单元与第一驱动板连接，第二逆变单元与第二驱动板连接，两路PWM驱动信号分别输出给第一驱动板、第二驱动板，第一驱动板控制第一逆变单元、第二驱动板控制第二逆变单元。

在本发明的一个实施例中，该装置还包括软启动电路，其中软启动电路可以包括接触器和软启动电阻，接触器的触点与软启动电阻并联后，串联在电网回路和滤波电容组之间。接触器主要用来接通或断开功率比较大的负载，有灭弧装置，对于大功率设备，启动电流会影响电网的稳定性。为了限制浪涌电流，可以将软启动电路串联在滤波电容组和电网回路中的负载端。

根据本发明方案，通过采用分裂变压器实现动态电压恢复器的功率模块并联，从而实现大功率动态电压恢复器产品；可以通过调整变压器变比、分裂系数等参数实现不同电网电压等级的动态电压恢复器产品，有利于产品的标准化设计；利用变压器当做逆变模块输出滤波回路中的滤波电感，省去了常规DVR产品中的LC回路中的主滤波电感，可以降低设计成本。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员应当理解在本文所公开的示例中的设备的模块或单元或组件可以布置在如该实施例中所描述的设备中，或者可替换地可以定位在与该示例中的设备不同的一个或多个设备中。前述示例中的模块可以组合为一个模块或者此外可以分成多个子模块。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书（包括伴随的权利要求、摘要和附图）中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书（包括伴随的权利要求、摘要和附图）中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

此外，所述实施例中的一些在此被描述成可以由计算机系统的处理器或者由执行所述功能的其它装置实施的方法或方法元素的组合。因此，具有用于实施所述方法或方法元素的必要指令的处理器形成用于实施该方法或方法元素的装置。此外，装置实施例的在此所述的元素是如下装置的例子：该装置用于实施由为了实施该发明的目的的元素所执行的功能。

如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (8)

1.一种大容量动态电压恢复装置，包括依次电连接的储能模块、逆变模块、变压器和滤波电容组，其特征在于，所述变压器为分裂变压器，所述逆变模块至少包括两个并联的第一逆变单元和第二逆变单元，所述逆变模块用于将储能模块输出的直流电转换为交流电，所述第一逆变单元与所述分裂变压器的第一低压绕组连接，所述第二逆变单元与所述分裂变压器的第二低压绕组连接，所述分裂变压器的高压绕组经滤波电容组连接到电网回路。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置包括监测模块和控制模块，所述监测模块与所述控制模块连接，所述监测模块适于对电网电压进行实时监测，以便所述监测模块在监测到电网电压凹陷时，向所述控制模块发送异常信号；所述控制模块适于接收所述监测模块的异常信号，并产生驱动所述逆变模块的PWM信号，以便所述逆变模块向电网注入补偿电压。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述控制模块与所述第一驱动板和第二驱动板连接，所述第一逆变单元与第一驱动板连接，所述第二逆变单元与第二驱动板连接，所述控制模块适于向所述第一驱动板和第二驱动板发送PWM驱动信号。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述逆变模块中并联的逆变单元的数量根据电网电压等级确定，所述逆变模块中并联的逆变单元的数量与所述分裂变压器中低压绕组的数量相同。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述逆变单元为三相桥式IGBT逆变电路，所述分裂变压器为三相变压器，所述第一低压绕组和第二低压绕组为三角形连接，所述高压绕组为星形连接。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述储能模块的放电深度由所述分裂变压器的变比确定。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述储能模块为储能电容、电池、超级电容、飞轮、超导磁储能系统中任意一种。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括软启动电路，所述软启动电路包括接触器和软启动电阻，所述接触器的触点与所述软启动电阻并联后，串联在所述电网回路和滤波电容组之间。

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