CN214412302U - 一种基于模块化并联型动态电压调节装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于模块化并联型动态电压调节装置，属于电力设备技术领域。该装置包括：超级电容储能控制模块、功率单元控制模块、晶闸管控制模块以及主控制单元，其中，所述超级电容储能控制模块与功率单元控制模块连通，功率单元控制模块通过DC/AC模块与电网中的负载连通，晶闸管控制模块接入电网，主控制单元与所述超级电容储能控制模块、功率单元控制模块、晶闸管控制模块连通。本实用新型提供一种基于模块化并联型动态电压调节装置，实现了模块化集成、功率密度高、便于维护以及具有冗余设计，具有较好的应用市场。

Description

一种基于模块化并联型动态电压调节装置

技术领域

本实用新型涉及电力设备技术领域，特别涉及一种并联型三电平的动态电压调节装置。

背景技术

随着科技的进步以及工业生产的不断提升，电能需求呈现出定制化、精细化、标准化的趋势，尤其是在精密科技工业领域，如机器人、全自动生产线、精密医疗器械、变频调速设备制造等行业，人们对电压质量普遍提出更高的要求。近年来相关生产事故的发生也进一步反映出电压治理的迫切性，电压质量已成为一个重要的话题，如何获取更加高效、优质的电压并对其进行智能化的管理成为当前技术研发和产品研制的主要方向。

目前，动态电压调节装置主要分为串联型和并联型。相对并联型调节装置，串联型调节装置研发和应用较早，但其高成本、高功耗、可靠性差及体积大等缺陷，并联型调节装置的技术理论研究与工程实际应用更加契合，可实现经济性、工程化的平衡。

串联型调节装置采用耦合变压器设备，由于变压器的体积过大，且始终在线设备损耗高，因此在实际应用中往往受到限制。此外，该设备采用的补偿模式解决电压中断问题的能力偏弱，除非配备大容量的耦合变压器和整流逆变装置，因此处于设计难度和成本考虑，通常只能用于补偿有限范围内电压跌落。

实用新型内容

为了解决以上问题，本实用新型提供一种基于模块化并联型动态电压调节装置，实现了模块化集成、功率密度高、便于维护以及具有冗余设计，具有较好的应用市场。

根据本实用新型的一种基于模块化并联型动态电压调节装置，包括：超级电容储能控制模块、功率单元控制模块、晶闸管控制模块以及主控制单元，

其中，所述超级电容储能控制模块与功率单元控制模块连通，功率单元控制模块通过DC/AC模块与电网中的负载连通，晶闸管控制模块接入电网，主控制单元与所述超级电容储能控制模块、功率单元控制模块、晶闸管控制模块连通。

进一步的，所述超级电容储能控制模块包括：超级电容SC、断路器Q2、预充电回路接触器K4和K5、预充电电阻R3、第一LCL滤波回路以及绝缘栅双极型晶体管T1、T2、T3、T4，

其中，超级电容SC作为储能元件，预充电回路接触器K5与预充电电阻R3串联，再与预充电回路接触器K4并联，组成预充电回路；

第一LCL滤波回路通过串联断路器Q2与超级电容SC形成回路，通过绝缘栅双极型晶体管T1、T2、T3、T4组成DC/DC拓扑结构。

进一步的，第一LCL滤波回路由电抗器L4、电解电容C4、电抗器L5组成。

进一步的，在直压DC/DC控制中，采用交错控制及互补驱动方式，绝缘栅双极型晶体管T1与T4，绝缘栅双极型晶体管T2与T3交错工作，绝缘栅双极型晶体管T1与T2，绝缘栅双极型晶体管T3与T4互补驱动，其驱动信号相差180°相角。

进一步的，功率单元控制模块包括：电解电容C1和C2、断路器Q1、预充电回路接触器K2和K3、预充电电阻R1、第二LCL滤波回路以及绝缘栅双极型晶体管Ta1、Ta2、Ta3、Ta4，

其中，电解电容C1和C2为中间支撑电容，预充电电阻R1和预充电回路接触器K3串联，再与预充电回路接触器K2并联，组成预充电回路；

第二LCL滤波回路通过绝缘栅双极型晶体管Ta1、Ta2、Ta3、Ta4的T型拓扑组成DC/AC的拓扑结构。

进一步的，第二LCL滤波回路由电抗器L2、预充电电阻R2、电解电容C3、电抗器L3组成，

进一步的，晶闸管控制模块包括：反并联晶闸管TR1、电抗器L1、预充电回路接触器K1，

其中，反并联晶闸管TR1与电抗器L1串联，再与预充电回路接触器K1并联，组成晶闸管控制回路。

进一步的，电网电压正常时，控制板驱动晶闸管导通，电网通过该回路对超级电容充电，当电网电压暂降时，快速关断晶闸管，设备进入离网模式。

进一步的，所述主控制单元为DSP芯片和CPLD芯片。

本实用新型的有益效果：

本实用新型目的是克服上述现有技术问题，提出了一种基于模块化多电平的动态电压调节装置，采用模块化并联设计，可以方便根据用户需求灵活定制产品，具有体积小、功率密度高、扩容灵活、安装维护方便等优势，同时采用冗余并联还可以提高系统的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1示出根据本实用新型实施例的基于模块化并联型动态电压调节装置的系统组成示意图；

图2示出根据本实用新型实施例的基于模块化并联型动态电压调节装置的坐标系转换示意图；

图3示出根据本实用新型实施例的基于模块化并联型动态电压调节装置的DC/AC控制示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

本公开的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

多个，包括两个或者两个以上。

和/或，应当理解，对于本公开中使用的术语“和/或”，其仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。

实施例

本实施例提供一种并联型动态电压调节装置，如图1，主要由超级电容储能控制模块、功率单元控制模块、晶闸管控制模块以及主控制单元四部分组成。其中超级电容作为储能部分，通过DC/DC控制部分实现与功率单元模块中电解电容的充放电控制；功率单元控制模块通过DC/AC模块给负载提供电压；晶闸管控制模块实现与电网的快速并网和离网；主控制单元通过检测电网电压暂降情况，下发给其它单元控制命令。

电网电压正常时，晶闸管导通，此时模块中DC/AC变换器处于待机模式，维持超级电容电压恒定；在电网电压暂降时，晶闸管快速关断，进入离网模式，DC/AC变换器以受控电压源方式工作，为敏感负荷提供不间断的电力供应。并联型动态电压调节器由于直接与负载连接，不存在隔离变压器，因此其补偿效果好、动态特性快。

超级电容储能控制模块内部组成如图1所示，主要包括超级电容SC、断路器Q2、预充电回路接触器K4和K5、预充电电阻R3，滤波回路L4、C4、L5，以及IGBT(T1、T2、T3、T4)。其中SC作为储能元件，K5与R3串联，再与K4并联，一起组成预充电回路，L4、C4、L5组成LCL滤波回路，通过串联Q2与SC形成回路，最后通过T1、T2、T3、T4组成DC/DC拓扑结构。在直压DC/DC控制中，采用交错控制及互补驱动方式，T1与T4，T2与T3交错工作，T1与T2，T3与T4互补驱动，其驱动信号相差180°相角。变换器工作时根据其能量传输的方向不同可以分为降压工作方式和升压工作方式。

功率单元控制模块内部组成如图1所示，主要包括电解电容C1和C2、断路器Q1、预充电回路接触器K2和K3、预充电电阻R1、滤波回路L2、R2、C3、L3以及IGBT(Ta1、Ta2、Ta3、Ta4等)。C1和C2为中间支撑电容，R1和K3串联，再与K2并联，组成预充电回路，L2、R2、C3、L3组成LCL滤波回路，通过IGBT的T型拓扑组成DC/AC的拓扑结构，其逆变器在稳态工作时共有三种工作模式，相应的有P(正)、O(零)、N(负)三种开关状态。

晶闸管控制模块内部组成如图1所示，主要包括反并联晶闸管TR1、电抗器L1、接触器K1。TR1与L1串联，再与K1并联，组成晶闸管控制回路，电网电压正常时，控制板驱动晶闸管导通，电网通过该回路对超级电容充电，当电网电压暂降时，快速关断晶闸管，设备进入离网模式。

主控制单元如图1所示，主要由DSP芯片和CPLD芯片为核心的控制回路组成，其包括电压电流采样回路、驱动电路、电源隔离电路以及CAN通讯电路等，通过检测电网电压、负载电流、系统电流、装置电流对所有模块发出指令，使其按照既定的控制策略进行工作。主控制单元通过软件编程实现电压电流的采样、驱动电路的信号、485通讯设计及CAN通讯设等等。

与现有技术相比，本实用新型实现了模块化集成、功率密度高、便于维护以及具有冗余设计，具有较好的应用市场。

设备在工作中主要包括电网电压暂降判断、晶闸管控制、DC/AC控制、DC/DC控制。

(1)电网电压检测

如附图2说明，分别将A相电压采样值Ua，将B相电压采样值Ub，将C相电压采样值Uc作为α-β坐标系中的Uβ，延迟一定角度后，根据角度关系，构造出Uα，最后转换到dq坐标系下求得三相电压的实时幅值，该方法能较快检测出单相跌落，且检测值不会因为电压的不对称产生二倍频波动。当检测到电网电压暂降时，装置从并网转离网模式。当电压检测恢复正常后，装置从离网转并网模式。

(2)晶闸管控制

在并网转离网时，主要由晶闸管强迫关断实现，首先检测网侧电流实时方向，并根据该方向，控制三电平变流器在网侧电压瞬时值的基础上，输出一定的反压实现快速关断。

在离网转并网时，主要施加晶闸管正相门极电压，使其导通。且保证变流器输出电压矢量幅值，相位和频率与网侧电压矢量相同，通过准同期并网，开环调节每周期变流器输出电压的频率和幅值，实现在5个正弦周期内并网，重新回到并网状态。

(3)DC/AC控制

如附图3说明，电压环是在dq轴正负序坐标系下完成的，装置输出电压ua、ub、uc做αβ变换成uα、uβ，经过正负序分解得到udp，uqp，udn，uqn，udp的指令电压是311V，达到控制输出三相380V电压的目的，经过PI控制器，进行正负序解耦控制，进行dq到αβ变换，再与实际电流iα和iβ做差，经过P调节后，经过电压前馈，最后反变换得到调制波。

(4)DC/DC控制

DC/DC并网时，超级电容进行充电，采用恒功率充电，根据设定的充电功率除以实际的超级电容电压值，求得所需要的充电电流，将求得的指令电流与实际电流求差，经过PI环节，求出占空比。当电容电压从0V开始充电时，采用滞环控制充电，IGBT按照0.02的占空比导通，此时电感电流会上升，当电流大于100A时，关断IGBT，等待电流下降到10A以下时，再重新按照0.02占空比导通，按照此闭环控制多次之后，当超级电容电压上升到20V之后，开始恒功率闭环充电。

DC/DC离网时，超级电容进行放电，通过实时采样功率单元中间电容电压，与800V的指令值做差，经过PI控制器得到电流环的控制指令，再通过实时采样电感电流的值，与电流指令做差，经过PI控制求得所要调节的占空比，最后加上占空比前馈，求得占空比。与载波比较后，得到脉冲加到IGBT上。

上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。

Claims (7)

1.一种基于模块化并联型动态电压调节装置，其特征在于，包括：超级电容储能控制模块、功率单元控制模块、晶闸管控制模块以及主控制单元，

其中，所述超级电容储能控制模块与功率单元控制模块连通，功率单元控制模块通过DC/AC模块与电网中的负载连通，晶闸管控制模块接入电网，主控制单元与所述超级电容储能控制模块、功率单元控制模块、晶闸管控制模块连通。

2.根据权利要求1所述的基于模块化并联型动态电压调节装置，其特征在于，所述超级电容储能控制模块包括：超级电容SC、断路器Q2、预充电回路接触器K4和K5、预充电电阻R3、第一LCL滤波回路以及绝缘栅双极型晶体管T1、T2、T3、T4，

其中，超级电容SC作为储能元件，预充电回路接触器K5与预充电电阻R3串联，再与预充电回路接触器K4并联，组成预充电回路；

第一LCL滤波回路通过串联断路器Q2与超级电容SC形成回路，通过绝缘栅双极型晶体管T1、T2、T3、T4组成DC/DC拓扑结构。

3.根据权利要求2所述的基于模块化并联型动态电压调节装置，其特征在于，第一LCL滤波回路由电抗器L4、电解电容C4、电抗器L5组成。

4.根据权利要求1所述的基于模块化并联型动态电压调节装置，其特征在于，功率单元控制模块包括：电解电容C1和C2、断路器Q1、预充电回路接触器K2和K3、预充电电阻R1、第二LCL滤波回路以及绝缘栅双极型晶体管Ta1、Ta2、Ta3、Ta4，

其中，电解电容C1和C2为中间支撑电容，预充电电阻R1和预充电回路接触器K3串联，再与预充电回路接触器K2并联，组成预充电回路；

第二LCL滤波回路通过绝缘栅双极型晶体管Ta1、Ta2、Ta3、Ta4的T型拓扑组成DC/AC的拓扑结构。

5.根据权利要求4所述的基于模块化并联型动态电压调节装置，其特征在于，第二LCL滤波回路由电抗器L2、预充电电阻R2、电解电容C3、电抗器L3组成。

6.根据权利要求1所述的基于模块化并联型动态电压调节装置，其特征在于，晶闸管控制模块包括：反并联晶闸管TR1、电抗器L1、预充电回路接触器K1，

其中，反并联晶闸管TR1与电抗器L1串联，再与预充电回路接触器K1并联，组成晶闸管控制回路。

7.根据权利要求1所述的基于模块化并联型动态电压调节装置，其特征在于，主控制单元为DSP芯片和CPLD芯片。

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