CN1332489C - 一种低压系统多功能电压质量调节器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种低压系统多功能电压质量调节器，属于电能质量分析与控制技术领域。由(1)并联换流变压器、(2)三相全桥PWM变流器、(3)直流斩波器及超级电容储能系统、(4)单相全桥PWM变流器组、(5)串联注入变压器组组成。针对380V三相四线制系统中的运行设备，实现动态电压恢复、有源滤波、短路电流限制及节能的控制功能。本发明的优点在于：对于可能出现的长时间欠电压或过电压问题，本发明提供的调节器保证了负荷工作在允许的电压范围内，不但保护用电负荷免受损坏的危险，而且由于将过电压限制在额定电压，使得负荷消耗的电能大为降低，实现了节约电能的功能；还可以保护线路及其他用电设备。

Description

一种低压系统多功能电压质量调节器
技术领域
本发明属于电能质量分析与控制技术领域，特别是提供了一种低压系统多功能电压质量调节器。
背景技术
随着科学技术的发展和生产自动化、数字化、集成化程度的不断提高，大量与连续性生产过程相关的敏感负荷对电能质量的要求越来越高。以往并不造成重大威胁的电压质量问题，已经直接或间接影响这些敏感用户的生产和经济效益。本发明(低压系统中的多功能电压质量调节器)可以有效地解决供电电压质量问题，它具有抑制电压谐波、补偿电压暂降与暂升、抑制电压波动、限制负荷短路电流及节约电能的多种功能，可极大提高对敏感负荷的供电可靠性和经济性。目前国内对电压暂降等电压质量问题、短路电流限制等尚无理想的解决办法，本发明将为高新技术开发区、精密流水生产线等敏感负荷解决电能质量问题提供综合的技术与解决方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低压系统(额定线电压为380V的三相四线制系统)多功能电压质量调节器，是基于绝缘栅双极晶体管(IGBT)器件和脉宽调制(PWM)控制技术的电力电子装置，它能够解决绝大多数对敏感负荷产生不良影响的供电电压质量问题，如电压暂降、暂升、电压谐波、电压波动及长时间过电压、欠电压等。它采用新型储能元件—超级电容作为储能设备，针对不同的敏感设备，实现动态电压恢复(Dynamic Voltage Restorer，DVR)、有源滤波(Active Power Filter，APF)、短路电流限制(Fault Current Limit，FCL)及节能等多目标控制，大幅度改善敏感负荷的供电电压质量。
本发明提出的低压系统多功能电压质量调节器(以下简称为UVQC，UnifiedVoltage Quality Conditioner)，由并联换流变压器1、三相全桥PWM变流器2、直流斩波器及超级电容储能系统3、单相全桥PWM变流器组4、串联注入变压器组5组成，如附图1所示。针对380V三相四线制系统中的运行设备，实现动态电压恢复、有源滤波、短路电流限制及节能的控制功能。
如附图2所示的并联换流变压器为三相双绕组变压器，原副边分别为星形和三角形接线，连接组为Y/D-11，原副边额定线电压均为400V，额定频率50Hz。变压器原边三相引线并联连接到三相供电线路上，副边三相引线连接到三相全桥PWM交流器部分。
三相全桥PWM变流器如附图3所示。由并联换流变压器引出的三相线路通过三相连接电感，引入到三相全桥PWM变流器的三个桥臂终端。每个桥臂由上下两个IGBT及其反并联二极管串联而成。三个桥臂上下端点分别连接到一起，形成变流器的直流母线，上端母线为正极，下端母线为负极。当三相全桥PWM变流器工作于高频整流状态下时，能量从电网侧流向直流侧的负载；而它工作于再生状态下，相当于三相PWM电压型逆变器，将直流侧的能量回馈到交流侧电网。正负两条直流母线连接到直流斩波器及超级电容储能系统。
直流斩波和超级电容储能系统如附图4所示，连接在三相全桥PWM变流器输出的直流母线之间。图中所示电容为超级电容储能系统，由上百只超级电容单体串联而成，连接到超级电容的两只二极管实现对超级电容的保护。一只二极管阳极、阴极分别接至超级电容负极、正极；另一只二极管的阳极、阴极分别接至超级电容的正极、三相全桥PWM变流器输出的正极直流母线。直流斩波的开关器件为两只IGBT，高位IGBT实现超级电容充电的降压斩波控制，低位IGBT实现超级电容放电的升压斩波控制，两只二极管分别与IGBT反向并联。连接到超级电容正极上的电感为升压斩波与降压斩波的共用电感，电感的另一侧引线连接到直流斩波桥臂的终端。
附图5所示为单相全桥PWM变流器组，包括三台单相全桥PWM变流器、对应的直流电容和滤波电路。三相全桥PWM变流器输出的直流母线间并联了直流斩波和超级电容储能系统后，连接到三台单相全桥PWM变流器的直流侧，构成共用直流母线。为了支撑电压及减小纹波，每台单相全桥PWM变流器的直流母线间连接有直流电容器。单相全桥PWM变流器分别由两个桥臂、四只IGBT构成，每只IGBT均反向并联了续流二极管。单相全桥PWM变流器的两个桥臂终端连接到LC低通滤波器，与三相串联滤波电感相连。
单相串联注入变压器组由三台单相注入变压器构成，如附图6所示。每台变压器均为单相双绕组结构，原副边额定电压400V，工作频率50～1000Hz。
UVQC的工作原理简述如下。
谐波电流在线路阻抗上形成谐波压降时，UVQC的三相全桥PWM变流器工作于高频整流状态，由电网侧吸收能量补偿各种有功消耗，维持直流母线电压恒定；UVQC的单相全桥PWM变流器工作于逆变器状态，注入与系统谐波电压大小相等、方向相反的谐波电压，保持负荷侧正弦的电压波形，实现串联型APF(有源滤波器)功能。
当系统侧由于操作、故障、大负荷投入等原因造成电压暂降时，三台单相全桥PWM变流器根据控制指令注入对应的补偿电压，使得负荷侧的电压保持故障发生前的正常状态，实现DVR(动态电压恢复器)的功能。
若系统发生长时间过电压、欠电压时候，UVQC根据控制要求由三台单相全桥PWM变流器注入与系统电压同相或反相的瞬时电压，使得负荷侧电压保持为设定的额定工作电压，确保负荷运行在最佳工况，实现节能及延长用电设备寿命的目标。过电压发生时，UVQC的补偿响应会造成直流母线电压升高。若是短时过电压或浪涌，由直流斩波电路对超级电容储能系统进行快速充电，吸收较小的直流侧电压泵升能量。若出现长期过电压情况，则UVQC的三相全桥变流器工作于逆变状态，将直流母线电压泵升能量回馈到电网中去，大大降低了电耗，节约了能源。
欠电压发生时，UVQC的三相全桥变流器工作于整流器状态，从系统中吸取能量维持额定负载侧电压处于额定值附近允许的范围。
当负荷侧发生短路故障时，UVQC瞬时注入三相与系统各相电压大小相等、方向相反的瞬时电压值，因负荷端电压被限制到极小数值，从而限制了短路电流的大小。考虑到继电保护动作的要求，能够对UVQC的注入电压进行调整，使得短路发生时故障电流数值满足继电保护动作限值。限制短路电流期间吸收的系统能量由UVQC的三相全桥变流器回馈电网，保护线路及用电设备免受故障损坏。
本发明的优点在于：对于可能出现的长时间欠电压或过电压问题，本发明提供的调节器保证了负荷工作在允许的电压范围内，不但保护用电负荷免受损坏的危险，而且由于将过电压限制在额定电压，使得负荷消耗的电能大为降低，实现了节约电能的功能；还可以保护线路及其他用电设备。
附图说明
图1为本发明的低压系统多功能电压质量调节器(UVQC)的电路结构图。其中，并联换流变压器1、三相全桥PWM变流器2、直流斩波器及超级电容储能系统3、单相全桥PWM变流器组4、串联注入变压器组5。
图2为本发明的并联换流变压器示意图。
图3为本发明的三相全桥PWM变流器示意图。
图4为本发明的直流斩波器及超级电容储能系统示意图。
图5为本发明的单相全桥PWM变流器组示意图。
图6为本发明的单相串联注入变压器组示意图。
具体实施方式
低压系统多功能电压质量调节器(UVQC)，由并联换流变压器、三相全桥PWM变流器、直流斩波器及超级电容储能系统、单相全桥PWM变流器组、串联注入变压器组共5部分组成，如附图1所示。其中标号为1的部分是并联换流变压器，参见附图2；标号为2的部分是三相全桥PWM变流器，参见附图3；标号为3的部分是直流斩波器及超级电容储能系统，参见附图4；标号为4的部分是单相全桥PWM变流器组，参见附图5；标号为5的部分是单相串联注入变压器组，参见附图6，分别说明如下。
如附图2所示的并联换流变压器为三相双绕组变压器，原副边分别为星形和三角形接线，连接组为Y/D-11，原副边额定线电压均为400V，额定频率50Hz。变压器原边三相引线并联连接到三相供电线路上，副边三相引线连接到三相全桥PWM变流器部分。
三相全桥PWM变流器如附图3所示。由并联换流变压器引出的三相线路通过三相连接电感，引入到三相全桥PWM变流器的三个桥臂终端。每个桥臂由上下两个IGBT及其反并联二极管串联而成。三个桥臂上下端点分别连接到一起，形成变流器的直流母线，上端母线为正极，下端母线为负极。当三相全桥PWM变流器工作于高频整流状态下时，能量从电网侧流向直流侧的负载；而它工作于再生状态下，相当于三相PWM电压型逆变器，将直流侧的能量回馈到交流侧电网。正负两条直流母线连接到直流斩波器及超级电容储能系统。
直流斩波和超级电容储能系统如附图4所示，连接在三相全桥PWM变流器输出的直流母线之间。图中所示电容为超级电容储能系统，由上百只超级电容单体串联而成，连接到超级电容的两只二极管实现对超级电容的保护。一只二极管阳极、阴极分别接至超级电容负极、正极；另一只二极管的阳极、阴极分别接至超级电容的正极、三相全桥PWM变流器输出的正极直流母线。直流斩波的开关器件为两只IGBT，高位IGBT实现超级电容充电的降压斩波控制，低位IGBT实现超级电容放电的升压斩波控制，两只二极管分别与IGBT反向并联。连接到超级电容正极上的电感为升压斩波与降压斩波的共用电感，电感的另一侧引线连接到直流斩波桥臂的终端。
附图5所示为单相全桥PWM变流器组，包括三台单相全桥PWM变流器、对应的直流电容和滤波电路。三相全桥PWM变流器输出的直流母线间并联了直流斩波和超级电容储能系统后，连接到三台单相全桥PWM变流器的直流侧，构成共用直流母线。为了支撑电压及减小纹波，每台单相全桥PWM变流器的直流母线间连接有直流电容器。单相全桥PWM变流器分别由两个桥臂、四只IGBT构成，每只IGBT均反向并联了续流二极管。单相全桥PWM变流器的两个桥臂终端连接到LC低通滤波器，与三相串联滤波电感相连。
单相串联注入变压器组由三台单相注入变压器构成，如附图6所示。每台变压器均为单相双绕组结构，原副边额定电压400V，工作频率50～1000Hz。

Claims (3)

1、一种低压系统多功能电压质量调节器，其特征在于：由并联换流变压器(1)、三相全桥PWM变流器(2)、直流斩波器及超级电容储能系统(3)、单相全桥PWM变流器组(4)、单相串联注入变压器组(5)组成，并联换流变压器(1)、三相全桥PWM变流器(2)、直流斩波器及超级电容储能系统(3)、单相全桥PWM变流器组(4)与单相串联注入变压器组(5)依次顺序连接；针对380V三相四线制系统中的运行设备，实现动态电压恢复、有源滤波、短路电流限制及节能的控制功能；并联换流变压器为三相双绕组换流变压器，实现调节器与电网的隔离及能量的双向输送，原副边分别为星形和三角形接线，连接组为Y/D-11，原副边额定线电压均为400V，额定频率50Hz；三相全桥PWM变流器具有三个桥臂，每个桥臂由上下两个IGBT及其反并联二极管串联而成，三个桥臂上下端点分别连接到一起，形成变流器的直流母线，上端母线为正极，下端母线为负极，当三相全桥PWM变流器工作于高频整流状态下时，能量从电网侧流向直流侧的负载；而它工作于再生状态下，相当于三相PWM电压型逆变器，将直流侧的能量回馈到交流侧电网；直流斩波和超级电容储能系统中的储能系统，由上百只超级电容单体串联而成，连接到超级电容的两只二极管实现对超级电容的保护；一只二极管阳极、阴极分别接至超级电容系统的负极、正极；另一只二极管的阳极、阴极分别接至超级电容的正极和三相全桥PWM变流器输出的正极直流母线；直流斩波的开关器件为两只IGBT，高位IGBT实现超级电容充电的降压斩波控制，低位IGBT实现超级电容放电的升压斩波控制，两只二极管分别与IGBT反向并联；连接到超级电容正极上的电感为升压斩波与降压斩波的共用电感，电感的另一侧引线连接到直流斩波桥臂的终端。
2、按照权利要求1所述的电压质量调节器，其特征在于：所述的单相全桥PWM变流器组，包括三台单相全桥PWM变流器、对应的直流电容和滤波电路，三台单相全桥PWM变流器的直流侧共用了直流母线，为了支撑电压及减小纹波，每台单相全桥PWM变流器的直流母线间连接有直流电容器，单相全桥PWM变流器分别由两个桥臂、四只IGBT构成，每只IGBT反向并联了续流二极管，单相全桥PWM变流器的两个桥臂终端连接到LC低通滤波器，与三相串联滤波电感相连。
3、按照权利要求1所述的电压质量调节器，其特征在于：所述的单相串联注入变压器组由三台单相注入变压器构成，每台变压器均为单相双绕组结构，原副边额定电压400V，工作频率50～1000Hz。
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