CN202004466U - 无串联变压器级联多电平动态电压调节器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种无串联变压器级联多电平动态电压调节器，涉及电力系统中的调压设备，包含有并联连接的逆变器、滤波电容Cr和旁路开关K，所述逆变器由多个级联的H桥逆变单元组成，所述H桥逆变单元上均并联有幅值相等的直流电容C，所述逆变器的两侧输出端分别连接有滤波电抗Lr。本实用新型安装在供电系统10kV或400V母线上，对该母线所供负荷均能实现调节，当电压跌落发生时，可以在毫秒级内将电压跌落补偿成正常值，对变频器、智能型断路器均适用，应用无局限性，且不存在误动作等因素，故障率极低。

Description

无串联变压器级联多电平动态电压调节器

技术领域

本实用新型涉及电力系统中的调压设备，具体地说是一种无串联变压器级联多电平动态电压调节器。

背景技术

在各种电能质量问题当中，电压暂降是发生概率最高的电能质量问题。近年来，由于高科技经济的发展，敏感负荷也逐渐增加，由电压暂降发生的机率远高于断电发生的机率。调查显示：在所有配电系统事故中，电压暂降占了70％-80％；而在输电系统事故中，电压暂降所占的比例超过了96％。目前在欧美各国对电压暂降的关注程度比其它有关电能质量问题的关注程度要大得多，其中一个重要的因素是在电能质量的诸多原因中，由电压暂降引起的用户投诉占整个电能质量问题的80％以上，而由谐波、闪变、开关操作过电压等引起的电能质量问题投诉不到20％。

引起电压暂降最常见的原因有如下几种：

1)线路发生短路故障引起的电压暂降，当线路中出现短路故障时，电流急剧增大，在公共电压连接点就会产生电压暂降。暂降的大小由短路故障类型和故障点距离决定，而持续时间则取决于保护的类型。

2)大型感应电动机起动引起的电压暂降，感应电动机起动时，其起动电流接近稳态运行时的5-10倍，这一大电流流经线路时，就会引起电压的突然下降。

3)变压器励磁涌流引起的电压暂降，变压器在稳态运行时，空载励磁电流是额定电流的2-10％。但在空载接通电源的瞬间，磁通可能超过正常时的两倍，由于铁心饱和，励磁电流很大，超过稳态励磁电流的几十倍乃至百余倍，可达额定电流的3-5倍。这样也会引起线路的电压暂降。

4)雷击引起电压暂降，因雷击引起的电压暂降次数在有的地方占总次数的一半以上。其它的如：自动重合闸、开关操作、电容器组的投切以及他们的组合都会引起电压暂降。

在工程中通常用两个变量来描述电压暂降：暂降幅度(Sag Magnitude)和持续时间(Duration Time)，暂降幅度10％-90％，持续时间0.5个周波到1min。很多电压暂降发生时我们是感觉不到的，大多数机器仍在工作，而有些机器却突然间停机了，这样的事故虽然不是特别多，但平均起来每个月都会发生几次，就是这样的情况每年造成的直接和间接经济损失就难以估量。电压暂降造成的危害与设备自身的特性以及用户的要求密切相关。

对广泛应用于配电网的调速电机，当电压低于70％，持续时间超过6个周波时，电机将被迫切除，而对于一些精细加工中的电机，当电压低于90％、持续时间超过3个周波时，电机就会跳闸而退出运行。对可编程控制器(PLC)，当电压低于81％时，PLC停止工作；一些I/O设备，当电压低于90％、持续时间仅几个周波，就会被切除；对于广泛应用于日常工作和家庭中的计算机，当电压低于60％、持续时间超过几个周波时，计算机工作将受到影响，如数据丢失。半导体行业，对生产工艺、环境(如温度、空气清洁度等)等要求很高，而且半导体工厂是一个相互关联的系统，任何一个环节出现问题，整条工艺生产线都要停下来。例如冷却机因电压暂降停下来，温度达不到生产要求，其他工艺也会因连锁故障停下来。正在加工的产品只能报废，而重新启动生产、恢复常态需要较长的时间(至少半个小时)。汽车制造行业对温度、湿度、进出气压力及工艺自身要求都很高，且这些因素是相互关联的，一旦烘干炉(控制温度)停机，整条生产线都要停下来，正在电泳喷漆和烘干的车身报废，重新启动恢复正常需要1～2个小时。轮胎制造行业，例如为硫化工艺提供蒸汽的锅炉一旦因电能质量问题发生停机，就会导致硫化工艺的产品全部报废，重新启动恢复的时间在半个小时以上。治金、化工业，在生产过程中电压暂降造成设备停机，对设备、人身造成很大危险，可能导致恶性事故发生，而重新启动达到生产所需的条件，又需要较长的时间，经济损失巨大。

电压暂降可通过减少线路发生故障的频率、快速线路保护的应用或在用户侧安装一些定制电力技术的装置来解决。目前，有若干个产品可用来减少电压跌落的影响：

1)变压器分接头调节器，该产品由于受变压器分接头的调节范围限制，仅在一定程度上减轻电压跌落的影响，且调节时间较长。

2)磁谐振变压器CVT(Constant Voltage Transformer)，当电源电压的幅值改变时，CVT能给负载提供定值电压。在电压跌落下降到正常值的60％时则不能平稳地提供电压支撑，且体积比标准变压器稍大，容量通常在20kVA以下。

3)不间断电源UPS(Uninterruptable Power Supply)，在减少电压跌落和电压中断影响的装置中，UPS是使用较广的设备，当电源发生电压跌落或电压中断时，由UPS供电，提供给用户合格的电压。UPS的缺点是大容量受限制，运行维护费用高，且故障时不能有效识别是断电还是电压暂降，这对用电设备及系统造成很大危害。

4)防晃电接触器，其工作原理是在控制电压突然跌落到非正常工作电压时，欠压信号传输到永磁接触器的控制电路中，控制系统对信号立即做出分析，是需要延时还是常规工作。目前该产品存在如下缺点：a、安装部位多，用量十分大，设备自身故障点增多，导致系统防晃电效果不稳定，且防晃电接触器自身维护量很大；b、应用局限性大，防晃电接触器不能应用于变频器、智能型断路器等；c、防晃电接触器的延时功能主要是利用延时继电器来完成的，延时继电器发生故障时不能保证设备正常运行，有时发生负载事故。

发明内容

为解决上述存在的技术问题，本实用新型提供一种无串联变压器级联多电平动态电压调节器，安装在供电系统10kV或400V母线上，对该母线所供负荷均能实现调节，当电压跌落发生时，可以在毫秒级内将电压跌落补偿成正常值，对变频器、智能型断路器均适用，应用无局限性，且不存在误动作等因素，故障率极低。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

包含有并联连接的逆变器、滤波电容Cr和旁路开关K，所述逆变器由多个级联的H桥逆变单元组成，所述H桥逆变单元上均并联有幅值相等的直流电容C，所述逆变器的两侧输出端分别连接有滤波电抗Lr。

本实用新型的有益效果如下：

1)本实用新型是一种静态串联补偿器，适用于复杂的现代化生产线或生产线中的敏感环节，为系统多重冗余保护，结构简单，故障环节少，可靠性高；

2)本实用新型的适配性强，过载能力强，可串联在生产线上的任何重要负荷输入侧，且适应任何容性负载和感性负载，容量匹配与负载一致；

3)本实用新型运行损耗小，在不发生电压跌落时，采用电子旁路工作方式，运行效率由此得到提高，一般大于98％；

4)本实用新型中不含大容量储能元件，因此体积相对较小，并且寿命长、免维护；

5)本实用新型还能够应用远程监测手段，实现对整个系统的电能质量的监测。

附图说明

图1为本实用新型主回路拓扑单线示意图；

图2为本实用新型注入电压指令生成框图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细描述：

在以下论述中，本实用新型简称DVR.。

目前动态电压调节器的主电路结构有所不同，不同的主电路结构会有不同的补偿效果和性价比。可用在高压大容量领域的实用拓扑结构为：三电平结构和多电平结构。在相同基波输出下，三电平结构与传统二电平结构相比，具有开关频率低、元件应力小、开关损耗低、输出谐波小的优点；缺点是在实际应用上，单个开关器件仍然要承受较大电压应力，器件参数选择余地较小，在线处理电容电压不平衡、窄脉冲消除等问题使得控制变得很复杂；同时，系统的冗余设计、容量扩展困难。而多电平结构，具有电平越多，输出电压谐波含量越小、开关损耗小、效率高的优点，它作为一种新型的高压大功率变换器，从电路拓扑结构入手，在得到高质量的输出波形的同时，克服了二电平电路的诸多缺点，无需动态均压电路，开关频率低，因而开关器件应力小，系统效率高等。

二极管箝位型和级联型多电平拓扑的应用较为广泛，其中二极管型适用于3～5电平的应用场合，当电平数超过5时，该电路的结构和控制变得非常复杂，而级联型电路很容易扩展到2N+1电平(其中N为模块数)，且不会导致电路结构和控制的复杂化。

如图1所示为本实用新型的一个具体实施例，DVR包含有并联连接的逆变器1、滤波电容Cr和旁路开关K，所述逆变器1由多个级联的H桥逆变单元2组成，所述H桥逆变单元2上均并联有幅值相等的直流电容C，所述的H桥逆变单元2的电路根据具体情况用户可以自行设计，图1中只是简单的举例说明，所述逆变器1的两侧输出端分别连接有滤波电抗0.5Lr，此处的0.5为一个电抗系数，也是举例而言。将DVR安装在供电系统10kV或400V母线上，在DVR输出侧分别设置无源滤波器T1和T2，再与敏感负荷连接。由于每个级联H桥逆变单元2都有其相互独立的、幅值相等的直流电压源即直流电容C，在一个工作周期内，由N个H桥逆变单元级2联构成的逆变器1输出2N+1电平的电压波形。由于采用级联结构，具有独具特色的提取能量模式，不需要单独设置充电回路和串联注入变压器，有利于节省成本、减少占地面积以及提高系统可靠性，同时，模块的级联使得在不提高器件开关频率的条件下，大大提高了装置等效开关频率，简化了滤波器设计，降低了损耗。

在配电系统正常供电情况下，DVR工作在电子旁路状态，其损耗是相当低的。当电网发生某种电压质量问题而出现电压跌落时，DVR会在几毫秒之内向系统注入电网正常状态和故障状态下的电压差，使得负载上的电压保持恒定不变。

虽然DVR等效开关频率很高，输出电压含有的较低次的高次谐波很小，然而在等效开关频率附近仍然分布着大量高次谐波，如不滤除，将增大DVR输出电压波形的总谐波畸变率。图1中DVR输出侧配置的无源滤波器T1和T2可以起到很好的滤除高次谐波的效果，其固有谐振频率必须远大于工频频率，同时远小于需要滤除的高次谐波频率。而图1中，DVR逆变器1输出电路两侧放置滤波电抗Lr的目的是限制级联单元中间发生短路故障时可能产生的过电流及电流上升率，所以滤波电抗Lr要尽量减小，而过大的滤波电容Cr会显著增大逆变器的额定容量。考虑到系统正常工作时，电源侧电压不能损失过大，设计滤波器T1、T2及DVR时要对照滤波效果仔细分析，折衷取值。

如图2所示，DVR控制算法由3部分组成，分别为电压暂降检测、指令电压生成、底层PWM控制。电压暂降检测采用d-q变换，检测系统电压矢量的变化量，与给定值比较，超出误差范围，发出Sag信号，采用载波移相(CarrierPhase-Shifted)SPWM方式作为底层调制方式，使得级联单元叠加输出的SPWM波的等效开关频率提高到原来每个单元的6倍，因此在不提高开关频率条件下，大大减小了输出波形的低次谐波。

Claims (1)

1.一种无串联变压器级联多电平动态电压调节器，其特征在于，包含有并联连接的逆变器(1)、滤波电容Cr和旁路开关K，所述逆变器(1)由多个级联的H桥逆变单元(2)组成，所述H桥逆变单元(2)上均并联有幅值相等的直流电容C，所述逆变器(1)的两侧输出端分别连接有滤波电抗Lr。

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