CN1320718C

CN1320718C - 串联型电能质量控制器

Info

Publication number: CN1320718C
Application number: CNB2004100496291A
Authority: CN
Inventors: 姜齐荣; 沈斐; 虞苍璧; 傅俊寅; 季建辉
Original assignee: Beijing Sifang Qingneng Electric & Electronic Co Ltd
Current assignee: Sieyuan Qingneng Power Electronic Co., Ltd.
Priority date: 2004-06-22
Filing date: 2004-06-22
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2024-06-22
Also published as: CN1595755A

Abstract

本发明公开了一种串联型电能质量控制器，所述的控制器包括：电能质量检测单元、控制单元、补偿电压发生器、直流单元、接入单元和保护单元。本发明的控制器其功能相当于在系统配电线路上串联的电压源，用于消除系统的电压畸变对负荷的影响，是面向负荷的一种改善供电电能质量的装置。该装置串联在系统与敏感负荷之间，当供电电压波形发生畸变时，串联型电能控制装置迅速输出补偿电压，保证敏感负荷感受不到系统电压波动，确保对敏感负荷的供电质量。它可有效解决电压跌落等动态电压质量问题，还可兼顾治理系统电压谐波、电压波动及三相不平衡等稳态电压质量问题。

Description

串联型电能质量控制器

技术领域

本发明属于电力系统电力电子技术，更具体地涉及电力系统中交流供电和交流受电之间的控制装置，特别是涉及串联型电能质量控制装置。

背景技术

随着现代科学技术的发展，电力用户对电能质量要求也在不断的提高。对于钢铁、化工、冶金、铁路及机械制造等现代企业来说，广泛使用的先进技术使得供电系统故障或电能质量恶化可能会带来毁灭性的影响。电压波动、闪变、三相不平衡等日趋严重，这些对电网的不利影响不仅会导致供用电设备本身的安全性降低，而且会严重削弱和干扰电网的经济运行。由于供电系统中增加了大量的非线性负载，会引起电网电流、电压波形发生畸变，造成电网的“污染”；由于负荷扰动、电力系统故障引起的电压波动、瞬间跌落等电能质量问题也很常见。对于用户关心的电压质量问题，IEEE等一些专业机构推荐使用以下一些术语来描述：

电压骤降(sag)：短时间内电压幅值降低；

电压骤升(swell)：和电压骤降相对应的电压升高超过标称电压至1.1-1.8p.u的过程：

供电中断(Interrupt)：有时候也将短时间的供电中断称为(Outage)，发生供电中断时，系统电压下降到0.01p.u以下；

电压波动(Fluctuation)：即电压方均根值一系列的变动或连续的改变；

闪变(Flick)即灯光照度不稳定造成的视感，是由波动负荷，如电弧炉、轧机、电弧焊机等引起的。

另外还有谐波(Harmonics)、电压不平衡(Voltage Unbalanced)、过电压(Overvoltage)和欠电压(Undervoltage)等。

电压质量问题不仅会影响电力用户，而且会向输配电系统渗透，导致供用电设备本身的安全性降低，严重削弱和干扰电网的经济运行。针对这些问题，国家技术监督局相继颁布了涉及电能质量5个方面的国家标准，即：供电电压允许偏差，供电电压允许波动和闪变，供电三相电压允许不平衡度，公用电网谐波，以及供电频率允许偏差。这些标准的制定和颁布执行都表明近年来电能质量问题越来越受到用户和供电部门的重视。这也要求电力用户采取措施改善配电网电能质量。上述这些电压质量问题，对于要求精密控制的现代工业系统以及对电压敏感的电力用户而言，其破坏性将造成巨大的损失，因此，采取补偿措施对于这些电力用户而言是必要的。而现在普遍采用不间断电源(UPS)来维护电能的质量和稳定。但是传统UPS是完全在线式，效率低，需要保养空滤，清洁端子，注水，测试等；对外界环境要求比较高，要求空调等，适应性差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提出一种能够解决电压骤降、电压骤升、供电中断、电压波动、电压闪变、电压谐波、电压不平衡、过电压和欠电压等电能质量问题的串联型电能质量控制器。

为实现以上目的，本发明的一种串联型电能质量控制器采用以下技术方案来实现，所述的一种串联型电能质量控制器包括：

电能质量检测单元，该单元与系统电源和控制单元连接，用于检测供电系统影响电能质量的电压参数的变化，获取敏感负荷的实际电压参数，并将这些电压参数变成电信号，传递给控制单元，由控制单元来判断所述的串联型电能质量控制器如何动作；

控制单元，所述的控制单元包括模拟控制部分和数字控制部分，该控制单元用于计算供电系统实际电压和额定电压之差，并且产生交流补偿电压大小的控制信号给补偿电压发生器，所述的数字控制部分由以数字信号处理器DSP为核心的计算检测单元和以16位单片机为核心构成的外设控制单元构成；

补偿电压发生器，该补偿电压发生器与控制单元、直流单元、接入单元连接，用于根据控制单元产生的补偿电压大小的控制信号，将所述的直流单元提供的直流电源变换为交流电压，并对其进行滤波，产生补偿交流电压；

直流单元，该单元与补偿电压发生器连接，用于对补偿电压发生器提供直流电源；

接入单元，用于将补偿电压发生器串联接入在系统电源及敏感负荷之间，使得所述的串联型电能质量控制器在接入或者退出系统时，可以保证对负荷的持续不间断供电，实现平滑无冲击的供电切换；

保护单元，该单元与控制单元连接，用于对所述串联型电能质量控制器中的大功率电力电子器件及开关器件的过电压保护、过电流保护、谐波保护、冲击过电压保护。

所述的接入单元是由三个空气开关组成。

所述的补偿电压发生器包括大功率电力电子逆变器和交流滤波器，所述的大功率电力电子逆变器通过电力电子器件以高速开通和关断，使直流电压变成脉宽调制波形，再经由交流滤波器滤除高频谐波得到所需的补偿交流电压，其中所述的电力电子器件的开通和关断由控制单元来控制；所述的交流滤波器由数个交流电感和交流电容构成，用于对逆变器产生的脉宽调制波形进行滤波，滤除逆变器由于高速开通和关断而带来的高频谐波，得到所需的补偿交流电压。

所述的直流单元包括直流储能单元和滤波元件，所述直流储能单元是电容器，用于根据控制单元的信号，给补偿电压发生器提供或者吸收其能量；所述的滤波元件是电容器和电感器，用于对直流储能单元提供的直流电源进行滤波。

本发明的是串联型电能质量控制器(DVR)能够使当系统发生持续时间为十几个周波的电压跌落时，装置维持负荷侧电压基本恒定为系统侧额定电压，取得了很好的补偿效果。对于持续稳态电压跌落，也能取得类似的补偿效果。本发明的一种串联型电能质量控制器(DVR)与现存的UPS相比较在可靠性和效率上更高，传统UPS是完全在线式，效率约为90-93％；而DVR在运行中只补偿电压跌落部分，效率可达98％以上，而且更易维护。

附图说明：

图1是串联型电能质量控制器(DVR)的工作原理图。

图2是串联型电能质量控制器(DVR)单相原理结构图。

图3是串联型电能质量控制器(DVR)控制单元数字部分硬件结构示意图。

图4-1是串联型电能质量控制器(DVR)采用电感电容直接串联接入的单相电路运行方式示意图。

图4-2是串联型电能质量控制器(DVR)采用变压器串联接入方式单相电路运行方式示意图。

图5是串联型电能质量控制器(DVR)的补偿电压发生器中的逆变器可以采用的多种结构示意图。

图6是串联型电能质量控制器(DVR)的补偿效果示意图。

具体实施方式：

图1是串联型电能质量控制器(DVR)的工作原理图。如图1所示，图1的上部是串联型电能质量控制器与系统及负荷连接的工作原理图。这里的串联型电能质量控制器主要是调节电压，由此串联型电能质量控制器也可以称为串联型动态电压调节器(DynamicVoltage Regulator，简称DVR)或者动态电压恢复器(Dynamic voltage Restorer)。图1的下部是串联型电能质量控制器与系统及负荷连接的各部分的电压信号波形图。串联型电能质量控制装置串联在系统与敏感负荷之间，当检测单元检测到供电系统电压波形发生畸变，由控制单元计算供电系统实际电压和额定电压的误差，并且由直流储能单元提供或者吸收能量，由逆变器逆变其直流电压产生交流电压，经由交流滤波器滤波后输出，即为供电系统实际电压和额定电压的差值。由于本发明由串联接入单元串联在供电系统和用户之间，上述差值加上供电系统实际电压，用户得到就是系统额定电压波形，从而保证敏感负荷感受不到系统电压波动。

图2是串联型电能质量控制器(DVR)单相原理结构图。如图2所示，其串联型电能质量控制器包括：

电能质量检测单元，该单元与系统电源和控制单元连接，用于检测供电系统影响电能质量的电压参数的变化，获取用户负荷的实际电压参数，并将这些关键电压参数变成电信号，传递给控制单元，由控制单元来判断所述的串联型电能质量控制器如何动作；

控制单元，所述的控制单元包括模拟控制部分和数字控制部分，用于判断供电系统以及用户负荷电能质量是否合乎要求，计算供电系统实际电压和额定电压的之差，并且产生交流补偿电压大小的控制信号给控制补偿电压发生器；以便产生一个交流电压，从而保证用户负荷的电能质量不受供电系统电能质量的影响。它由数字和模拟两部分组成，数字部分用于计算供电系统实际电压和额定电压的误差，并产生相应于补偿电压大小的信号；模拟部分负责串联型电能质量控制器各种工作状态，以及人机界面负责和数字控制及模拟控制接口，提供操作串联型电能质量控制器所需要的人机界面并对串联型电能质量控制器的各种状态进行监测等。

补偿电压发生器，该补偿电压发生器与控制单元、直流单元、接入单元连接，用于根据控制单元产生的补偿电压大小的信号，将所述的直流单元提供的直流电源变换为交流电压，并对其进行滤波，产生补偿交流电压。其中逆变器为串联型电能质量控制器的关键部分，由可快速开通和关断的大功率电力电子器件(如IGBT)构成，通过电力电子器件以很高的频率开通和关断，使直流电压变成脉宽调制波形(PWM)，再经由交流滤波单元滤波，即可得到所需交流电压，大功率电力电子器件的开通和关断均由控制单元来完成。逆变器可以采用不同的电路结构，包括两电平或多电平单相逆变器、两电平或多电平的三相逆变器，或者采用由多个单相逆变器单元串联得到的单相逆变器。

保护单元，该单元与控制单元连接，用于对大功率电力电子器件及开关器件的过电压保护、过电流保护、谐波保护、冲击过电压保护。

其中交流滤波单元一般由一个或多个交流电感和交流电容构成，主要作用是对逆变器产生的脉宽调制波形(PWM)进行滤波，滤除其由于高速开通和关断而带来的高频谐波，得到所需用于补偿的交流电压。

直流单元，由大容量直流电容构成的储能单元和滤波单元构成。其中直流储能单元的作用是为补偿电压发生器单元提供直流电源，当电能质量出现问题时，需要由串联型电能质量控制器来提供或者吸收能量，直流储能单元作为一个能量单元此时充当直流电源使用，直流储能有交流电源整流、飞轮储能、超导储能、超级电容、蓄电池和超级电容(又称法拉电容、黄金电容)储能等方式，或者上述储能方式中的几种相组合，其中直流滤波电容的作用是对直流储能单元提供的直流电源进行滤波，为补偿电压发生器单元的大功率逆变器提供波形较好的直流电源；同时，直流滤波电容能够提供和吸收一定的能量，兼作直流能源用，直流滤波电容可以采用电解电容、脉冲电容、超级电容或者其他直流电容。

保护单元，是结合大功率电力电子装置的共性，设计的功能强大的综合保护系统。用于包括串联型电能质量控制器及开关器件在内的过电压保护、过电流保护、谐波保护、冲击过电压保护等。

图3是串联型电能质量控制器(DVR)控制单元数字部分硬件结构示意图。如图3所示，该部分主要由以数字信号处理器(DSP)为核心的计算检测单元和以高性能16位单片机为核心构成的外设控制单元构成。DSP用于采集、计算和输出参考电压电流数据；单片机用于对串联型电能质量控制器外部的信号、显示和操作进行处理，两个单元通过双口RAM进行数据交互。其软件主要完成以下主要功能：

数据同步采集，计算需要显示和保存的物理量。其中包括：各相电压电流基波幅度，相位关系。三相序分量分解。各相的功率因数，各相电压电流的有效值，有功功率和无功功率，有功、无功电度，计算0-31次谐波电流、电压。

保存有关物理量，装置投入运行点电压电流记录，时间记录。运行次数记录等。

键盘功能设定和输出物理量的液晶显示，显示时间(到分或者秒)及电流、电压、谐波、有功、无功、功率因数等数据。键盘具有刷新，翻查，调用等功能。

判断各相有无意外情况出现以及保护控制报警功能，例如：过压，欠压，缺相等。按照采样结果计算优化电压注入的参考电压向量，并且保证与系统故障前电压保持同步。

DVR是串联在系统与负荷之间用以提高负荷供电电压质量的装置，一般情况下，用DVR保护的负荷都是重要的敏感型负荷，因此，除了在系统电压发生跌落等情况下确保负荷供电电压的正常外，在以下两种情况下，要做到不能影响负荷正常供电：(1)DVR装置投入或退出使用时；(2)DVR装置发生内部故障时。本发明进行了全面细致的设计，确保负荷的正常供电。

图4-1是串联型电能质量控制器(DVR)采用电感电容直接串联接入的单相电路运行方式示意图。图4-2是串联型电能质量控制器(DVR)采用变压器串联接入方式单相电路运行方式示意图。如图4-1和4-2所示，根据接入系统方式的不同，分为直接接入法(图4一1)和变压器隔离接入法(图4-2)。其中NJ₀，NJ₁，NJ₂三个空气开关组成“接入单元”，T1至T4是绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT)。

DVR投入方法：先合上NJ₀，负荷由系统电源直接供电；再合上NJ₁和NJ₂，并打开电子旁路开关(电子旁路开关的概念在下面解释)；最后再断开NJ₀。此时，DVR装置投入运行，工作在稳态旁路状态。

DVR退出运行方法：必须在确认DVR装置工作在稳态旁路状态(如否，切换到此状态运行)后，合上NJ₀；再断开NJ₁和NJ₂。此时DVR装置退出运行，负荷被不间断切换到由系统电源不经过调节直接供电。

其所述电子旁路开关是指利用组成逆变器的电力电子器件构成旁路开关。在逆变器的正常逆变工作状态中，T1和T4一组，T2和T3一组，轮流导通，输出交变的交流调制电压。在旁路状态中，同时给T1和T3提供持续的开通脉冲并封锁T2和T4的触发脉冲(也可以反过来)，此时，负载电流通过NJ₁、L、T1、T3、NJ₂：所构成的支路，逆变器工作在旁路状态。

如图4-2所示的变压器隔离接入法，所采用的变压器可以是三个单相变压器，也可以是一个三相变压器。

图5是串联型电能质量控制器(DVR)的补偿电压发生器中的逆变器可以采用的多种结构示意图。如图5所示，DVR可以采用的各种逆变器结构。除了采用图4-1和图4-2中的单相结构以外，还可以多种结构。如图5所示分别为5-1三相三线制，5-2三相四线制和5-3单相多桥串联结构。

图6是串联型电能质量控制器(DVR)的补偿效果示意图。如图6所示，其中，图6-1给出了系统发生40％电压跌落情况下DVR装置对动态电压跌落的补偿结果。实验中，将额定电压设定在110V，示波器上线波形为系统侧电压波形，下线为负荷侧电压波形。由图中可以看出当系统发生持续时间为十几个周波的电压跌落时，装置维持负荷侧电压基本恒定为系统侧额定电压，取得了很好的补偿效果。对于持续稳态电压跌落，也能取得类似的补偿效果。图6-2为DVR装置抑制闪变的实验结果，其中下线为系统侧闪变电压，上线为补偿后供给负荷的电压。

本发明的一种串联型电能质量控制器(DVR)与现存的UPS相比较在可靠性和效率上更高，传统UPS是完全在线式，效率约为90-93％；而DVR在运行中只补偿电压跌落部分，效率可达98％以上，而且更易维护，传统UPS需要保养空滤，清洁端子，注水，测试等；而DVR基本不需维护。环境适应性好，传统UPS对外界环境要求比较高，要求空调等；DVR工作额定范围-20到40℃，适应性更强以及外形尺寸更小等优点。由于现代电力电子技术日新月异的发展，新型大功率高耐压、快速关断电力电子器件的出现，使得应用现代电力电子技术实现电能质量的控制和为用户提供定制质量的电能供应成为可能。

Claims

1、一种串联型电能质量控制器，其特征在于，所述的控制器包括：

2、根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述的接入单元是由三个空气开关组成。

3、根据权利要求1或2所述的控制器，其特征在于，所述的补偿电压发生器包括大功率电力电子逆变器和交流滤波器，所述的大功率电力电子逆变器通过电力电子器件以高速开通和关断，使直流电压变成脉宽调制波形，再经由交流滤波器滤除高频谐波得到所需的补偿交流电压，其中所述的电力电子器件的开通和关断由控制单元来控制；所述的交流滤波器由数个交流电感和交流电容构成，用于对逆变器产生的脉宽调制波形进行滤波，滤除逆变器由于高速开通和关断而带来的高频谐波，得到所需的补偿交流电压。

4、根据权利要求3所述的控制器，其特征在于，所述的直流单元包括直流储能单元和滤波元件，所述直流储能单元是电容器，用于根据控制单元的信号，给补偿电压发生器提供或者吸收其能量；所述的滤波元件是电容器和电感器，用于对直流储能单元提供的直流电源进行滤波。

5、根据权利要求4所述的控制器，其特征在于，所述的串联型电能质量控制器中的逆变器采用电感电容直接串联接入单相电路。

6、根据权利要求4所述的控制器，其特征在于，所述的串联型电能质量控制器中的逆变器采用变压器串联接入单相电路。

7、根据权利要求4所述的控制器，其特征在于，所述的串联型电能质量控制器中的逆变器采用三相三线制结构。

8、根据权利要求4所述的控制器，其特征在于，所述的串联型电能质量控制器中的逆变器采用三相四线制结构。

9、根据权利要求4所述的控制器，其特征在于，所述的串联型电能质量控制器中的逆变器采用单相多桥串联结构。