CN101521385A - 用于三相电源***的动态电压补偿器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于三相电源***中补偿电压波动的新型动态电压补偿器。所述动态电压补偿器包括两个动态电压恢复器，在所述三相电源***中任意选取两相，在每个所选取的相电源上分别串联连接一个所述动态电压恢复器；所述动态电压恢复器用于监测其所连接的相电源到所述三相电源***中未被选取的相电源之间的电压，并且用于在监测到的电压波动时将该电压恢复到正常水平，同时未选相的相电压也可以被自动恢复到正常水平。这样可以保证仅用两组单相DVR就可以把三相的相电压均恢复到正常水平。利用本发明所提出的动态电压恢复器结构，可以大致减小三分之一的总元件数量，这使得成本显著降低。

Description

用于三相电源***的动态电压补偿器

技术领域

本发明涉及配电***供电领域，具体涉及在三相电源供电***中利用动态电压恢复器来补偿电压波动。

背景技术

近年来，随着敏感电源电子设备在过程控制和自动化领域中应用的激增，电源质量问题引起了越来越多的关注。这是由于电源质量问题会导致过程中断，并对产业用户产生巨大的经济损失。电压波动被认为是能够影响配电***供电质量的其中一个最具破坏性的电源质量问题。串联用户电源补偿法(Series Custom Power Compensation)由于其快速的响应和高可靠性，被认为是提高电源质量的有希望且有效的方法。例如，采用这种方法的一种设备是动态电压恢复器(DVR)，它可以通过向下游敏感负载注入能量来减小源侧电压波动的影响。

在单相***中使用的典型DVR硬件结构如图1所示。

如图1所示，DVR主要由下列几部分构成：

电压源逆变器(VSC)：以脉宽调制(PWM)或其他方式控制的VSC是DVR的最重要组成部分，它是用来通过在脉宽调制反相器中利用功率电力电子器件(如IGBT，MOEFET等)来合成注入电压。在本专利中列出了VSC中的一个典型结构：三个单相全桥VSC，它包括四个IGBT(G)和二极管(D)对。此专利也可以利用在其他形式结构的VSC中。

能量存储器：VSC的直流端将连接到能量源或适当容量的能量存储器设备。存储设备将为VSC提供必要的能量，并可以产生注入的电压。此能量储存器既可以为三相共用一个，也可以每相各有一个。此能量存储器可以是电池，大容量电容等能量储存器件。

隔离变压器：包含隔离变压器的目的是提升由VSC产生的注入电压，并将该注入电压耦合到馈送电路中。升压变压器的线圈比经过了仔细选择，使得VSC能够以最小的DC连接电压来补偿电压骤降。在某些DVR设计中，此隔离变压器也可省略。

谐波滤波器：由于VSC的高开关频率使得PWM控制的VSC的输出将包含大量的高阶谐波。因此，有必要使用谐波滤波***从而在隔离变压器的原边提供干净的注入电压。通常，滤波器***由L-C部分构成，滤波器元件的值将取决于VSC产生的高频谐波电压的频率。

在该图中，V_S和V_L分别表示DVR的源侧和负载侧上的电压。这些量是易于测量的。利用安装在受保护的负载及其源总线之间的DVR，可以使来自DVR的注入电压V_inj抵消在V_S中出现的电压波动，以保证高质量的负载电压。

对于在三相三线或四线***中应用的DVR，如果仅仅考虑其硬件结构而不考虑它们可能同时共享一个公共的能量存储器的话，实际上可以将其看作是三个单相DVR的组合。三相DVR硬件结构如图2所示。在图2中，源侧和负载侧之间连接有旁路开关，用于选择是否接入DVR。

在图2中，清楚地示出了三相DVR用于监测源侧相电压

一旦在***中出现电压波动，DVR则将电压分量

注入到每个相，以便将负载侧相电压

恢复到标称电平，这可以描述为：

${\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{La}}={\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{Sa}}+{\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{inja}}$

${\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{Lb}}={\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{Sb}}+{\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{injb}}---\left(1\right)$

${\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{Lc}}={\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{Sc}}+{\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{injc}}$

传统的三相电源***由于使用三个单相DVR来减小电压波动，因此其成本开销相对较大。

发明内容

本发明提出了一种在三相电源***中应用DVR来补偿电压波动的新型动态电压补偿器。和以往的由三个单相DVR构成的配置不同的是，本发明仅使用两个单相DVR来实现对三相电源电压波动的补偿。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于三相电源***的动态电压补偿器：所述动态电压补偿器包括两个动态电压恢复器；在所述三相电源***中任意选取的两相中，每个所选取的相电源分别与一个所述动态电压恢复器串联连接；所述动态电压恢复器用于监测其所连接的相电源到所述三相电源中未被选取的相电源之间的电压(即所选相和未选相之间的线电压)，并且用于在监测到的电压波动时将该电压恢复到其标称值。通过将监测到的两个线电压恢复到正常水平，未选相的相电压也可以被自动恢复到正常水平。这样可以保证仅用两组单相动态电压恢复器就可以将三相的相电压均恢复到正常水平。

根据本发明的另一方面，所述动态电压恢复器包括电压源逆变器，所述电压源逆变器包括至少一个功率电力电子开关和二极管对，用于合成注入电压。

根据本发明的另一个方面，所述动态电压恢复器包括能量存储器，用于为电压源逆变器提供能量，并产生注入电压。

根据本发明的另一个方面，所述动态电压恢复器包括谐波滤波器，用于过滤电压源逆变器生成的高次谐波电压。

根据本发明的另一个方面，所述动态电压恢复器包括隔离变压器，用于提升由电压源逆变器产生的注入电压，并将该注入电压耦合到电源电路中。

根据本发明的另一方面，所述功率电力电子开关是IGBT或MOSFET，也可以是本领域已知的其他功率电力电子开关。

根据本发明的另一方面，所述动态电压补偿器包括连接在电源和负载之间的旁路开关，以及分别设置在动态电压恢复器和电源之间以及动态电压恢复器和负载之间的隔离开关。

根据本发明的另一方面，所述动态电压补偿器用于三相三线电源***中。

根据本发明的另一方面，所述动态电压补偿器用于三相四线电源***中。

利用本发明所提出的动态电压补偿器，可以大致减小三分之一的总元件数量。DVR成本的降低无疑将对用户具有极大的吸引力。

附图说明

图1是单相DVR硬件结构；

图2是三相DVR硬件结构；

图3是本发明的用于三相电源***的DVR结构示例；

图4是本发明的DVR在三相三线电源***中的结构示例；

图5是出现电压波动时的矢量图；

图6是用于补偿的矢量图；

图7是用于线到线电压的矢量图；

图8是用于最终补偿负载电压的矢量图。

具体实施方式

图3示出了根据本发明的这种特别应用于三相三线***的DVR结构。与以往的三相DVR结构相比，这种新颖的结构仅由两个单相DVR构成，但是能够实现对三相电源进行电压波动补偿的功能。

为了以本发明的DVR实现三相电压波动补偿的功能，这种新颖的DVR的基本控制原理不同于原来的三相DVR。

如先前提到的，在以往的设计中，三相DVR可以看作是三个单相DVR的组合，它将对每个相测量相到地的电压，并且注入电压分量，以便直接将负载侧的相到地电压分别恢复到其标称电平。

然而，在本发明所提出的这种新颖的DVR中，只有两个单相DVR，所述DVR可以各自拥有一个能量存储器或者两者共同拥有一个能量存储器。如图3所述，将所述DVR分别串联连接在相A和B中。为了便于解释，它们可以分别称为DVR_A和DVR_B。和以往使用三个单相DVR的电源***不同的是，根据本发明在工作期间，DVR_A和DVR_B将分别监测源侧的线电压

(A相和C相之间)和

(B相和C相之间)，而非以往设计中的监测相到地的电压。一旦在***中出现电压波动，DVR_A将注入电压分量

以便将负载侧的线电压

恢复到其波动前水平，同时，DVR_B将通过相同的方式(注入

)来保证

恢复到正常水平。通过利用三相三线电源***的对称特性，A相和B相之间的负载侧线到线电压

可以被同时回复到其波动前水平。此外，在这种补偿方法下，每个相的负载侧电压也可以自动恢复到其标称值。

下面将进一步详细解释本发明的这种DVR的补偿原理：

基于图3，在三线***中典型的这种DVR结构如图4所示。

假设当在***中出现电压波动时，源侧的相到地电压将从改变到

每个相的电压变化是

这可以在如图5所示的矢量图中描绘。请注意如果没有特别声明的话，今后提到的所有矢量将基于图4中所示的参考点。

根据上述定义，可以得到用来描述相到地电压的下列方程：

${\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{Sa}}={\stackrel{\→}{V}\′}_{\mathrm{Sa}}+\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{V}}_a$

${\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{Sb}}={\stackrel{\→}{V\′}}_{\mathrm{Sb}}+\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{V}}_b---\left(2\right)$

${\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{Sc}}={\stackrel{\→}{V\′}}_{\mathrm{Sc}}+\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{V}}_c$

基于本发明的DVR的控制原理，DVR_A和DVR_B将分别监测源侧的线到线电压

和

结合方程(2)，可以得到：

${\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{Sac}}={\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{Sa}}-{\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{Sc}}={\stackrel{\→}{V}\′}_{\mathrm{Sa}}+\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{V}}_a-{\stackrel{\→}{V}\′}_{\mathrm{Sc}}-\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{V}}_c={\stackrel{\→}{V}\′}_{\mathrm{Sac}}+\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{V}}_a-\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{V}}_c$

${\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{Sbc}}={\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{Sb}}-{\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{Sc}}={\stackrel{\→}{V}\′}_{\mathrm{Sb}}+\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{V}}_b-{\stackrel{\→}{V}\′}_{\mathrm{Sc}}-\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{V}}_c={\stackrel{\→}{V}\′}_{\mathrm{Sbc}}+\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{V}}_b-\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{V}}_c---\left(3\right)$

其中，

和

表示在由DVR_A和DVR_B监测的电压波动期间源侧的线到线电压。

此外，使DVR_A和DVR_B注入电压，从而将

和

恢复到其波动前的电平。注意在从DVR注入电压之前， ${\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{Lac}}={\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{Sac}}$ 且 ${\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{Lbc}}={\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{Sbc}}.$ 因此，从方程(3)中可以清楚地看出：

${\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{inja}}={\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{Sac}}-{\stackrel{\→}{V}\′}_{\mathrm{Sac}}=\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{V}}_a-\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{V}}_c$

${\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{injb}}={\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{Sbc}}-{\stackrel{\→}{V}\′}_{\mathrm{Sbc}}=\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{V}}_b-\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{V}}_c---\left(4\right)$

因此，在从DVR_A和DVR_B注入电压之后，

和

可以被恢复到其波动前的标称电平，参考图4，负载侧的相到地电压是：

${\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{La}}={\stackrel{\→}{V}\′}_{\mathrm{Sa}}+{\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{inja}}={\stackrel{\→}{V}\′}_{\mathrm{Sa}}+\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{V}}_a-\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{V}}_c={\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{Sa}}-\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{V}}_c$

${\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{Lb}}={\stackrel{\→}{V}\′}_{\mathrm{Sb}}+{\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{injb}}={\stackrel{\→}{V}\′}_{\mathrm{Sb}}+\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{V}}_b-\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{V}}_c={\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{Sb}}-\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{V}}_c---\left(5\right)$

${\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{Lc}}={\stackrel{\→}{V}\′}_{\mathrm{Sc}}={\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{Sc}}-{\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{V}}_c$

相应的矢量图如图6所示。

从图(5)中看出，负载侧上A相和B相之间的线到线电压

是：

${\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{Lab}}={\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{La}}-{\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{Lb}}=({\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{Sa}}-\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{V}}_c)-({\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{Sb}}-\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{V}}_c)={\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{Sa}}-{\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{Sb}}={\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{Sab}}---\left(6\right)$

方程(6)清楚地示出了

已经被自动恢复到其波动前电平，如图7所示。

另一方面，我们也注意到在补偿之后，负载侧上中心点的电压可以从(5)中推出：

${\stackrel{\→}{V}}_o=\frac{1}{3}({\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{La}}+{\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{Lb}}+{\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{Lc}})=\frac{1}{3}({\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{Sa}}+{\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{Sb}}+{\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{Sc}}-3\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{V}}_c)=-\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{V}}_c---\left(7\right)$

这意味着

已从0移动到

通过方程(5)并参考图4，负载上的电压为：

${\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{Lao}}={\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{La}}-{\stackrel{\→}{V}}_o={\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{Sa}}$

${\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{Lbo}}={\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{Lb}}-{\stackrel{\→}{V}}_o={\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{Sb}}---\left(8\right)$

${\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{Lco}}={\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{Lc}}-{\stackrel{\→}{V}}_o={\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{Sc}}$

可以清楚地看到，尽管负载中心点从0移动到了但是如图8所示，在补偿之后施加在负载上的电压可以仍旧保持与其波动前的电平相同，这可以确保在波动期间负载的正常工作，上述理论分析已经证明了本发明的DVR结构的可用性。

和以往在三相三线电源***中使用的三相DVR结构相比，利用本发明所提出的DVR结构，可以大致减小三分之一的总元件数量。DVR成本的降低无疑将对用户具有极大的吸引力。

对于本领域技术人员显而易见的是，各种电压波动检测及控制方法(如瞬时值比较、瞬时无功功率计算等)，以及各种功率电力电子开关的控制技术(如PWM等)均可用在本发明中。

在本发明中，仅在三相电源***中的A相和B相上串联连接了DVR从而实现了电压波动补偿。但本领域技术人员可以理解的是，A相和B相的选择仅仅是作为示例进行说明，该选择可以是任意的，也就是说，本发明适用于从三相***中任意选择两相的情况。

在本发明中，以星形连接的三相三线电源***作为示例进行了描述，但本领域技术人员可以理解的是，通过等效变换，本发明同样可应用于三相四线电源***或以三角形连接的三相三线电源***。

Claims (9)

1.一种用于三相电源***的动态电压补偿器，其特征在于：所述动态电压补偿器包括两个动态电压恢复器；

在所述三相电源***中任意选取的两相中，每个所选取的相电源分别与一个所述动态电压恢复器串联连接；

所述动态电压恢复器用于监测其所连接的相电源到所述三相电源***中未被选取的相电源之间的电压，并且用于在监测到的电压波动时将该电压恢复到其标称值。

2.根据权利要求1所述的动态电压补偿器，其特征在于所述动态电压恢复器包括电压源逆变器，所述电压源逆变器包括至少一个功率电力电子开关和二极管对，用于合成注入电压。

3.根据权利要求2所述的动态电压补偿器，其特征在于所述动态电压恢复器包括能量存储器，用于为所述电压源逆变器提供能量，并产生注入电压。

4.根据权利要求3所述的动态电压补偿器，其特征在于所述动态电压恢复器包括谐波滤波器，用于过滤所述电压源逆变器生成的高次谐波电压。

5.根据权利要求2至4中任一所述的动态电压补偿器，其特征在于所述动态电压恢复器还包括隔离变压器，用于提升由所述电压源逆变器产生的注入电压，并将该注入电压耦合到电源电路中。

6.根据权利要求2至4中任一所述的动态电压补偿器，其特征在于所述功率电力电子开关是IGBT或MOSFET。

7.根据权利要求1所述的动态电压补偿器，其特征在于所述动态电压补偿器包括连接在电源和负载之间的旁路开关，以及分别设置在动态电压恢复器和电源之间以及动态电压恢复器和负载之间的隔离开关。

8.根据权利要求1所述的动态电压补偿器，其特征在于所述动态电压补偿器用于三相三线电源***中。

9.根据权利要求1所述的动态电压补偿器，其特征在于所述动态电压补偿器用于三相四线电源***中。

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