CN102723738A - 一种基于级联结构的模块化动态电压调节*** - Google Patents

一种基于级联结构的模块化动态电压调节*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了属于电力设备技术领域的一种基于级联结构的模块化动态电压调节***。技术方案是，所述***包括模块化动态电压调节器、串联变压器组和整流与储能单元；所述串联变压器组包括第一变压器、第二变压器和第三变压器；模块化动态电压调节器包括含有2n个A相功率单元、2n个B相功率单元和2n个C相功率单元。本发的新型模块化动态电压调节***，结构上整合了串联变压器注入型DVR拓扑和传统模块组合多电平变换器（MMC）对桥臂电感的需求，采用高度模块化设计，便于***冗余运行，同时满足了电力***和本调节***之间的电气隔离需求。

Description

一种基于级联结构的模块化动态电压调节***
技术领域
本发明属于电力设备技术领域，特别涉及一种基于级联结构的模块化动态电压调节***。
背景技术
随着工业的发展，包括电力电子装置在内的各类用电设备不断增加，一方面引入了更多的干扰源，另一方面，许多用电设备却需要高质量的电能，因此造成了供求关系上的矛盾。其中由于用电负荷扰动、电力***故障等原因引起的电压波动、闪变、瞬间跌落等电能质量问题比较常见，这对于要求精密控制的现代工业***和电压敏感电力用户而言，将造成巨大的损失。因此，采取补偿措施解决上述电能质量问题很有必要。
不间断供电电源（Uninterrupted Power System，UPS）是确保供电***稳定和可靠性的一种有效措施，但传统不间断供电电源UPS采用在线式补偿方案，补偿容量有限。作为一种串联补偿装置，动态电压调节器（Dynamic Voltage Restorer，DVR）能够快速跟踪并补偿电源电压偏差，确保负载侧电压波形的稳定。目前，动态电压调节器DVR的主电路拓扑一般采用器件串联的两电平变换器、二极管箝位型三电平变换器等拓扑，输出电压谐波含量高，且应用上存在一定不足。
发明内容
针对上面技术背景中描述的目前用于解决电力***电压方面电能质量问题使用的解决方案，在补偿容量、可靠性和运行效率方面存在的不足，本发明提出了一种基于级联结构的模块化动态电压调节***。
本发明的技术方案是，一种基于级联结构的模块化动态电压调节***，其特征在于，所述***包括模块化动态电压调节器、串联变压器组和整流与储能单元；所述串联变压器组包括第一变压器、第二变压器和第三变压器；模块化动态电压调节器包括2n个A相功率单元、2n个B相功率单元和2n个C相功率单元；
所述模块化动态电压调节器的第1个A相功率单元至第n个A相功率单元依次串联构成A相上桥臂，第n+1个A相功率单元至第2n个A相功率单元依次串联构成A相下桥臂； A相上桥臂、A相下桥臂和第一变压器构成A相桥臂；A相上桥臂的第一交流输出端和第一变压器的原边第一输出端连接，A相下桥臂的第二交流输出端和第一变压器的原边第二输出端连接；
所述模块化动态电压调节器的第1个B相功率单元至第n个B相功率单元依次串联构成B相上桥臂，第n+1个B相功率单元至第2n个B相功率单元依次串联构成B相下桥臂； B相上桥臂、B相下桥臂和第二变压器构成B相桥臂；B相上桥臂的第一交流输出端和第二变压器的原边第一输出端连接，B相下桥臂的第二交流输出端和第二变压器的原边第二输出端连接；
所述模块化动态电压调节器的第1个C相功率单元至第n个C相功率单元依次串联构成C相上桥臂，第n+1个C相功率单元至第2n个C相功率单元依次串联构成C相下桥臂； C相上桥臂、C相下桥臂和第三变压器构成C相桥臂；C相上桥臂的第一交流输出端和第三变压器的原边第一输出端连接，C相下桥臂的第二交流输出端和第三变压器的原边第二输出端连接；
所述模块化动态电压调节器的第1个A相功率单元、第1个B相功率单元和第1个C相功率单元的第一接线端子相连构成模块化动态电压调节器的直流母线正极；模块化动态电压调节器的第2n个A相功率单元、第2n个B相功率单元和第2n个C相功率单元的第二接线端子相连构成模块化动态电压调节器的直流母线负极；
所述第一变压器的副边第一输出端和三相电网的U相第一公共连接点连接，第一变压器的副边第二输出端和三相电网的U相第二公共连接点连接；第二变压器的副边第一输出端和三相电网的V相第一公共连接点连接，第二变压器的副边第二输出端和三相电网的V相第二公共连接点连接；第三变压器的副边第一输出端和三相电网的W相第一公共连接点连接，第三变压器的副边第二输出端和三相电网的W相第二公共连接点连接；
所述整流与储能单元的直流母线正极与模块化动态电压调节器的直流母线正极连接，整流与储能单元的直流母线负极与模块化动态电压调节器的直流母线负极连接；整流与储能单元的第一交流进线端与三相电网的第一连接点连接，整流与储能单元的第二交流进线端与三相电网的第二连接点连接，整流与储能单元的第三交流进线端与三相电网的第三连接点连接。
所述整流与储能单元中的整流单元采用不控整流器、脉宽调制整流器或多电平变换器中的一种。
所述整流与储能单元中的储能单元采用直流电容、蓄电池组、飞轮储能器、超导储能线圈或超级电容器中的一种或几种的组合。
所述整流与储能单元用于为模块化动态电压调节器提供有功能量。
本发明的有益效果为，一种基于级联结构的模块化动态电压调节***，一方面满足了电力***和本调节***之间的电气隔离需求；而结构上整合了串联变压器注入型DVR拓扑和传统模块组合多电平变换器（Modular Multilevel Converter，MMC）对桥臂电感的需求；本发明的模块化动态电压调节器采用高度模块化设计，便于***冗余运行，与不间断供电电源UPS***相比具有更大的补偿容量以及更好的可靠性和运行效率。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于级联结构的模块化动态电压调节***的结构示意图；
图2是本发明提供的一种基于级联结构的模块化动态电压调节***的模块化动态电压调节器的第一种功率单元的结构示意图；
图3是本发明提供的一种基于级联结构的模块化动态电压调节***的模块化动态电压调节器的第二种功率单元的结构示意图；
图4a是本发明提供的一种基于级联结构的模块化动态电压调节***的半导体功率开关的MOSFET等效示意图；
图4b是本发明提供的一种基于级联结构的模块化动态电压调节***的为半导体功率开关的IGBT等效示意图；
图4c是本发明提供的一种基于级联结构的模块化动态电压调节***的半导体功率开关的IGCT等效示意图；
图5a是本发明提供的一种基于级联结构的模块化动态电压调节***的模块化动态电压调节器功率单元投入状态第一示意图；
图5b是本发明提供的一种基于级联结构的模块化动态电压调节***的模块化动态电压调节器功率单元投入状态第二示意图；
图5c是本发明提供的一种基于级联结构的模块化动态电压调节***的模块化动态电压调节器功率单元切除状态第一示意图；
图5d是本发明提供的一种基于级联结构的模块化动态电压调节***的模块化动态电压调节器功率单元切除状态第二示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步解释。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
图1是本发明提供的一种基于级联结构的模块化动态电压调节***的结构示意图。图1中，基于级联结构的模块化动态电压调节***包括模块化动态电压调节器1、串联变压器组2和整流与储能单元5；串联变压器组2包括三个独立的变压器：第一变压器21、第二变压器22和第三变压器23；模块化动态电压调节器1含有2n个A相功率单元、2n个B相功率单元和2n个C相功率单元。
模块化动态电压调节器1的第1个A相功率单元至第n个A相功率单元依次串联构成A相上桥臂，第n+1个A相功率单元至第2n个A相功率单元依次串联构成A相下桥臂； A相上桥臂、A相下桥臂和第一变压器21构成A相桥臂；A相上桥臂的第一交流输出端101和第一变压器21的原边第一输出端211连接，A相下桥臂的第二交流输出端102和第一变压器21的原边第二输出端212连接。
模块化动态电压调节器1的第1个B相功率单元至第n个B相功率单元依次串联构成B相上桥臂，第n+1个B相功率单元至第2n个B相功率单元依次串联构成B相下桥臂；B相上桥臂、B相下桥臂和第二变压器22构成B相桥臂；B相上桥臂的第一交流输出端103和第二变压器22的原边第一输出端213连接，B相下桥臂的第二交流输出端104和第二变压器22的原边第二输出端214连接。
模块化动态电压调节器1的第1个C相功率单元至第n个C相功率单元依次串联构成C相上桥臂，第n+1个C相功率单元至第2n个C相功率单元依次串联构成C相下桥臂；C相上桥臂、C相下桥臂和第三变压器23构成C相桥臂；C相上桥臂的第一交流输出端105和第三变压器23的原边第一输出端215连接，C相下桥臂的第二交流输出端106和第三变压器23的原边第二输出端216连接。
模块化动态电压调节器1的第1个A相功率单元、第1个B相功率单元和第1个C相功率单元的第一接线端子相连构成直流母线正极P；模块化动态电压调节器的第2n个A相功率单元、第2n个B相功率单元和第2n个C相功率单元的第二接线端子相连构成直流母线负极N；n取大于等于1的正整数。
第一变压器21的副边第一输出端221和三相电网3的U相第一公共连接点301连接，第一变压器21的副边第二输出端222和三相电网3的U相第二公共连接点302连接。
第二变压器22的副边第一输出端223和三相电网3的V相第一公共连接点303连接，第二变压器22的副边第二输出端224和三相电网3的V相第二公共连接点304连接。
第三变压器23的副边第一输出端225和三相电网3的W相第一公共连接点305连接，第三变压器23的副边第二输出端226和三相电网3的W相第二公共连接点306连接。
整流与储能单元5的直流母线正极511与模块化动态电压调节器1的直流母线正极P连接，整流与储能单元5的直流母线负极512与模块化动态电压调节器1的直流母线负极N连接；整流与储能单元5的第一交流进线端501与三相电网3的第一连接点351连接，整流与储能单元5的第二交流进线端502与三相电网3的第二连接点352连接，整流与储能单元5的第三交流进线端501与三相电网3的第三连接点353连接；整流与储能单元5用于为模块化动态电压调节器1提供有功能量，整流单元采用不控整流器、脉宽调制整流器或多电平变换器等拓扑中的一种；储能单元采用直流电容、蓄电池组、飞轮储能器、超导储能线圈或超级电容器中的一种或几种的组合。
模块化动态电压调节器1的上桥臂电压和下桥臂输出电压不同，从而在串联变压器组2的原边绕组输出端叠加时变的电压信号，在串联变压器组2的副边绕组上按照变压器设计参数感应出对应的电压差信号，串联叠加在三相电网3的输出线路上，能调节负载侧获得的稳定对称的三相电压。
图2是本发明提供的一种基于级联结构的模块化动态电压调节***的模块化动态电压调节器的第一种功率单元的结构示意图。图2中，开关S31的阴极和开关S32的阳极相连，连接点作为第一种功率单元的第二接线端子32，开关S31的阳极和电容C31的正极相连构成直流母线正极，同时作为第一种功率单元的第一接线端子31，开关S32的阴极和电容C31的负极相连构成直流母线负极。
当开关S31开通和S32关断时，第一接线端子31和第二接线端子32之间输出低电平，当开关S31关断和S32开通时，第一接线端子31和第二接线端子32之间输出高电平。
图3是本发明提供的一种基于级联结构的模块化动态电压调节***的模块化动态电压调节器的第二种功率单元的结构示意图。图3中，开关S41的阴极和开关S42的阳极相连，连接点作为第二种功率单元的第一接线端子41，开关S41的阳极和电容C41的正极相连构成直流母线正极，开关S42的阴极和电容C41的负极相连构成直流母线负极，同时作为第二种功率单元的第二接线端子42。
当开关S41开通和S42关断时，第一接线端子41和第二接线端子42之间输出高电平，当开关S41关断和S42开通时，第一接线端子41和第二接线端子42之间输出低电平。
图4是本发明提供的一种基于级联结构的模块化动态电压调节***的开关示意图，给出了三种可以实现单向开关的电路，其中，图4a为半导体功率开关的MOSFET等效示意图；图4b为半导体功率开关的IGBT等效示意图。图4c为半导体功率开关的IGCT等效示意图。
图5是本发明提供的一种基于级联结构的模块化动态电压调节***的模块化动态电压调节器的功率单元的工作状态示意图，正常工作过程中模块化动态电压调节器1的功率单元具有两种工作状态：图5a和图5b为模块化动态电压调节器1的功率单元的投入状态示意图，在投入状态下，第一开关管T1或第一反并联二极管D1开通，第二开关管T2关断，此时功率单元交流输出端电压均表现为直流电容电压；当电流i流入功率单元时，如图5a所示，电流i通过第一反并联二极管D1流入直流电容C，对直流电容C进行充电；当电流i流出功率单元时，如图5b所示，电流i通过第一开关管T1流出直流电容C，对直流电容C进行放电。
图5c和图5d为模块化动态电压调节器的功率单元切除状态示意图，在切除状态下，第二开关管T2或第二反并联二极管D2开通，第一开关管T1关断，此时功率单元交流输出端电压均为零；当电流i流出功率单元时，如图5c所示，电流i通过第二反并联二极管D2流动；当电流i流入功率单元时，如图5d所示，电流i通过第二开关管T2流动。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于级联结构的模块化动态电压调节***，其特征在于，所述***包括模块化动态电压调节器、串联变压器组和整流与储能单元；所述串联变压器组包括第一变压器、第二变压器和第三变压器；模块化动态电压调节器包括2n个A相功率单元、2n个B相功率单元和2n个C相功率单元；
所述模块化动态电压调节器的第1个A相功率单元至第n个A相功率单元依次串联构成A相上桥臂，第n+1个A相功率单元至第2n个A相功率单元依次串联构成A相下桥臂；A相上桥臂、A相下桥臂和第一变压器构成A相桥臂；A相上桥臂的第一交流输出端和第一变压器的原边第一输出端连接，A相下桥臂的第二交流输出端和第一变压器的原边第二输出端连接；
所述模块化动态电压调节器的第1个B相功率单元至第n个B相功率单元依次串联构成B相上桥臂，第n+1个B相功率单元至第2n个B相功率单元依次串联构成B相下桥臂；B相上桥臂、B相下桥臂和第二变压器构成B相桥臂；B相上桥臂的第一交流输出端和第二变压器的原边第一输出端连接，B相下桥臂的第二交流输出端和第二变压器的原边第二输出端连接；
所述模块化动态电压调节器的第1个C相功率单元至第n个C相功率单元依次串联构成C相上桥臂，第n+1个C相功率单元至第2n个C相功率单元依次串联构成C相下桥臂；C相上桥臂、C相下桥臂和第三变压器构成C相桥臂；C相上桥臂的第一交流输出端和第三变压器的原边第一输出端连接，C相下桥臂的第二交流输出端和第三变压器的原边第二输出端连接；
所述模块化动态电压调节器的第1个A相功率单元、第1个B相功率单元和第1个C相功率单元的第一接线端子相连构成模块化动态电压调节器的直流母线正极；模块化动态电压调节器的第2n个A相功率单元、第2n个B相功率单元和第2n个C相功率单元的第二接线端子相连构成模块化动态电压调节器的直流母线负极；
所述第一变压器的副边第一输出端和三相电网的U相第一公共连接点连接，第一变压器的副边第二输出端和三相电网的U相第二公共连接点连接；第二变压器的副边第一输出端和三相电网的V相第一公共连接点连接，第二变压器的副边第二输出端和三相电网的V相第二公共连接点连接；第三变压器的副边第一输出端和三相电网的W相第一公共连接点连接，第三变压器的副边第二输出端和三相电网的W相第二公共连接点连接；
所述整流与储能单元的直流母线正极与模块化动态电压调节器的直流母线正极连接，整流与储能单元的直流母线负极与模块化动态电压调节器的直流母线负极连接；整流与储能单元的第一交流进线端与三相电网的第一连接点连接，整流与储能单元的第二交流进线端与三相电网的第二连接点连接，整流与储能单元的第三交流进线端与三相电网的第三连接点连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于级联结构的模块化动态电压调节***，其特征在于，所述整流与储能单元中的整流单元采用不控整流器、脉宽调制整流器或多电平变换器中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种基于级联结构的模块化动态电压调节***，其特征在于，所述整流与储能单元中的储能单元采用直流电容、蓄电池组、飞轮储能器、超导储能线圈或超级电容器中的一种或几种的组合。
4.根据权利要求1所述的一种基于级联结构的模块化动态电压调节***，其特征在于，所述整流与储能单元用于为模块化动态电压调节器提供有功能量。
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