CN2739858Y - 一种电能质量调节器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电能质量调节器，它包括原边电压变换器、高频变压器和副边电压变换器。原边电压变换器为原边AC/AC变换器，或为依次相连的原边AC/DC变换器和原边DC/AC变换器。副边电压变换器为副边AC/AC变换器，或依次相连的副边AC/DC变换器和副边DC/AC变换器。输入的工频交流电压信号经过原边电压变换器后被调制成高频电压信号，该高频信号再经过高频变压器耦合到变压器副方，副方的高频信号经过副边电压变换器后被还原为工频电压信号，该工频电压信号与电能质量调节器输入端的电压叠加后得到调节器的输出电压。本实用新型体积小、重量轻，其应用范围广，应用场合灵活。此外，本实用新型能用于普通电力变压器的有载平滑调压，其在电力系统中的应用前景很好。

Description

一种电能质量调节器

技术领域

本实用新型涉及电力系统中电能质量调节技术，具体涉及一种电能质量调节器。

背景技术

电能质量是众多单一类型的电力系统干扰问题的总称，实质是电压质量，主要描述供电电压偏离其理想状态的程度，其内容涉及频率偏移、电压偏移、电磁暂态、波形失真、三相不平衡以及电压波动和闪变等。

电能质量是电力系统运行的重要指标，对电网和用户均具有十分重要的意义。目前，电力系统中存在各种非线性和不对称负荷，使电能质量受到了严重影响。然而，在现代化工商业中，由于机器人、自动化生产线、精密数控机床、可编程控制器、计算机信息管理系统等的应用日益广泛，对供电可靠性和电能质量提出了更加严格的要求。

一般来讲，电能质量调节装置与系统的连接方式取决于其使用目的。并联电能质量调节器用于调节由负荷流入网络的电流，以降低非正弦分量；串联电能质量调节器则用于调节网络提供给负荷的电压质量，串并联电能质量调节器还可以抑制电压振荡。在工程实践中，常用的电能质量调节装置包括：LC或者LCR无源滤波器；有源滤波器以及近年来出现的统一电能质量调节器和电子电力变压器，它们各有不同的特点。无源滤波器主要作用是消除系统谐波，但有可能导致滤波器与网络阻抗间的并联谐振，同时，无源滤波器将向电网注入无功电流，在以二极管整流器作为主要用电设备的网络中，不必要地产生超前功率因数。而有源滤波器调节灵活，其动态特性较之于无源滤波器有较大改善，电力有源滤波器的主要部分是基于开关器件脉宽调制技术的变流器。而统一电能质量调节器(Unified PowerQuality Conditioner-UPQC)是在有源滤波器(Active Power Filter-APF)基础上发展起来的。UPQC的主要特点是：过滤谐波、无功补偿、降低闪变水平等(电能质量控制中心与统一电能质量调节器的研究[J]，电力自动化设备，2003，23(9)：10～14)，其不足之处在于使用了两个工频变压器，体积和重量都较大。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种体积较小的新型电能质量调节器，该调节器同时具备串联型和并联型电能质量调节器的特点，既可实现对供电线路电压的调节，又可抑制负载的谐波。

本实用新型提供的一种电能质量调节器，该调节器包括原边电压变换器、高频变压器和副边电压变换器；所述原边电压变换器为原边AC/AC变换器，或者为依次相连的原边AC/DC变换器和原边DC/AC变换器。副边电压变换器为副边AC/AC变换器，或者为依次相连的副边AC/DC变换器和副边DC/AC变换器。输入的工频交流电压经过原边变换器被调制成高频信号，该高频信号经过高频变压器耦合到变压器副方，副方的高频信号再经过副边变换器还原成工频电压信号，该电压信号与电能质量调节器输入端的电压叠加后得到调节器的输出电压。

本实用新型提出的电能质量调节器既可以用于中高压输电线路，又可以用于低压配电线路，其应用范围广，应用场合灵活；且调节器中大功率电力电子器件可以瞬时(微秒级)关断故障大电流，当线路发生故障时，调节器可以断开故障线路，实现对系统的保护。具体来说，本实用新型提出的电能质量调节器除了具备UPQC的特点外，还有如下的优点：

(1)UPQC使用了两个工频变压器，体积和重量都较大，而本实用新型提出的电能质量调节器采用了高频调制技术，只使用了一个高频变压器。电力变压器的体积与其工作频率成反比，因此该调节器体积小，重量轻。既适合大容量的工业用户使用，也适合普通家庭使用。

(2)将本实用新型提出的电能质量调节器与普通电力变压器按一定方式连接，能实现普通电力变压器的有载平滑调压，而UPQC无此功能。所以本调节器在电力系统中的应用前景很好。

附图说明

图1为单相电能质量调节器拓扑结构示意图；

图2为电能质量调节器主体结构之一的结构示意图；

图3为电能质量调节器主体结构之二的结构示意图；

图4为三相电能质量调节器拓扑结构示意图。

具体实施方式

下面介绍本实用新型提出的电能质量调节器的具体结构：

如图1所示，单相电能质量调节器E1有输入和输出两个端口，每个端口均有两个接线端子：两个输入接线端子a1和b1，两个输出接线端子b1和c1。图1中的d1和c1表示单相电能质量调节器主体部分输出侧变换器的两个输出端子，a1和d1直接相连。

本实用新型包括三个部分：原边电压变换器、高频变压器和副边电压变换器。

图2中，原边AC/AC变换器1作为原边电压变换器，其两个输入端子作为输入端子a1和b1，副边AC/AC变换器3作为副边电压变换器，其两个输出端子作为端子c1和d1，端子d1和端子a1直接相连。两个AC/AC变换器经过高频变压器2相连接。

图3中，原边AC/DC变换器4和原边DC/AC变换器5作为原边电压变换器，副边AC/DC变换器6和副边DC/AC变换器7作为副边电压变换器。原边AC/DC变换器4的两个输入端子作为端子a1和b1，副边DC/AC变换器7的两个输出端子作为端子c1和d1。原边AC/DC变换器4经过原边DC/AC变换器5后与高频变压器2相连，高频变压器2经副边AC/DC变换器6与副边DC/AC变换器7相连。

以上所说的输入端和输出端是相对线路而言的，实际上本实用新型提出的电能质量调节器可以根据需要实现功率的双向流动。

本实用新型提出的电能质量调节器基本工作原理为：

以图2所示结构为基础的单相电能质量调节器的工作原理如下：电能质量调节器的输入工频交流电压经过原边AC/AC变换器1被调制成高频交流电压信号，该高频交流电压信号经过高频变压器2耦合到变压器副方，副方的高频信号再经过副边AC/AC变换器3后被还原为工频电压信号，该电压信号与电能质量调节器输入端的电压叠加后得到调节器的输出电压。当调节器输出端电压变化时，可以相应改变调节器中副边AC/AC变换器3输出电压，达到稳定调节器输出电压的目的。此外，还可以补偿系统的无功功率。

当调节器输出端电流即负载电流发生畸变时，由于调节器输入端与原边AC/AC变换器1并联，这样通过对原边AC/AC变换器1的控制，可以使调节器起到电力有源滤波器的作用，抑制负载谐波电流对电网的影响。

以图3所示结构为基础的单相电能质量调节器的工作原理为：电能质量调节器输入工频电压首先由原边AC/DC变换器4整流为直流电压，直流电压经过原边DC/AC变换器5后被调制为高频方波，高频方波经高频变压器2耦合到变压器副方，副方的高频信号经副边AC/DC变换器6整流为直流，直流电压再经过副边DC/AC变换器7被还原为工频电压信号，该电压信号与调节器输入端电压叠加后得到调节器的输出电压。这种结构的单相电能质量调节器调节电能质量的原理与前述电能质量调节器类似，所不同的是前述电能质量调节器中起调节作用的是图2中的原边AC/AC变换器1和3，而此结构的电能质量调节器依靠图3中的原边AC/DC变换器4和副边DC/AC变换器7调节电能质量。其中原边AC/DC变换器4抑制负载侧畸变电流对网侧的影响，副边DC/AC变换器7主要起维持电能质量调节器输出电压恒定的作用。

三相电能质量调节器也有输入和输出两个端口，其拓扑结构如图4所示，每个端口均有三个接线端子：三相输入接线端子a2、b2、c2，三个单相输出接线端子d2、f、h。d2和e，f和g，h和i分别为输出侧三个单相变换器的两个输出端子。端子e、g、i直接与端子a2、b2、c2对应连接。

三相电能质量调节器主体部分结构类似于图3，其与图3所示单相电能质量调节器主体部分不同点如下：三相电能质量调节器主体部分输入侧为三相整流，而单相调节器主体部分为单相整流。两者采用的高频变压器的副方绕组数及其所决定的输出相数目也不同。单相电能质量调节器高频变压器副方为一个绕组，而三相为三个绕组，每个绕组均连接一组相应的变换系统，得到一个输出相。对于N相电能质量调节器，输入端有N个端子，输出端有N个端子，高频变压器副方有N个绕组，分别经一组变换系统后得到一相输出，共可输出N相。

下面举三个例子对本实用新型作进一步的说明。

例一：以结构一(如图2所示)为基础的单相电能质量调节器。

线路电压等级为6300V，容量为1000kVA。图2中原边AC/AC变换器1由4个双向开关组成，每个双向开关由两个3300V/100A的一单元IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)模块反向串联构成，通过原边AC/AC变换器1，工频交流电压被调制成为6k赫兹的高频交流电压；图2中高频变压器2按200kVA，开关频率6k赫兹设计；副边AC/AC变换器3由4个双向开关组成，每个双向开关由两个1700V/400A的一单元IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)模块反向串联构成，高频交流电压经副边AC/AC变换器3被还原为工频电压。

例二：以结构二(如图3所示)为基础的单相电能质量调节器。

线路电压等级为6300V，容量为1000kVA。图3中原边AC/DC变换器4是由两个3300V/100A的两单元IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)模块组成单相全控桥，通过原边AC/DC变换器4，工频交流电压被整流为直流电压；图3中原边DC/AC变换器5为高频调制部分，由两个3300V/100A的两单元IGBT模块构成，通过原边DC/AC变换器5，直流电压被调制成为5k赫兹的高频方波；图3中高频变压器2按200kVA，开关频率5k赫兹设计，图3中副边AC/DC变换器6为还原部分，由两个1700V/400A的两单元IGBT模块构成，通过副边AC/DC变换器6，高频方波还原为直流电压；图3中副边DC/AC变换器7由两个1700V/400A的两单元IGBT(Insulated GateBipolar Transistor)模块组成单相全控桥，通过副边DC/AC变换器7，直流电压被逆变为工频交流电压。

例三：以结构二为基础的三相电能质量调节器。

三相线路的线电压等级为380V，容量为10kVA。三相电能质量调节器输入侧AC/DC变换器是由三个1200V/50A的两单元IGBT模块组成三相全控桥，通过输入侧AC/DC变换器，工频交流电压被整流成直流电压；高频调制部分为DC/AC变换器，由两个1200V/50A的两单元IGBT模块构成，通过该部分，直流电压被调制成为5k赫兹的高频方波；高频变压器按2kVA，开关频率5k赫兹设计。高频变压器原方为一个绕组，副方为三个绕组。其副方每一个绕组对应三相系统中的一相。每一相的高频方波均由对应的还原部分还原为直流电压，还原部分为AC/DC变换器，是由两个600V/100A两单元的IGBT模块构成的单相全控桥；直流电压再由两个600V/100A的两单元IGBT模块构成的单相全控桥DC/AC变换器逆变为工频交流电压。

Claims (1)

1、一种电能质量调节器，其特征在于：

该调节器包括原边电压变换器、高频变压器和副边电压变换器；

所述原边电压变换器为原边AC/AC变换器，或者为依次相连的原边AC/DC变换器和原边DC/AC变换器；

所述副边电压变换器为副边AC/AC变换器，或者为依次相连的副边AC/DC变换器和副边DC/AC变换器；

输入的工频交流电压信号经过原边电压变换器后被调制成高频电压信号，该高频信号再经过高频变压器耦合到变压器副方，副方的高频信号经过副边电压变换器后被还原为工频电压信号，该工频电压信号与电能质量调节器输入端的电压叠加后得到调节器的输出电压。

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