CN201061144Y

CN201061144Y - 采用三单相结构的动态电压补偿器

Info

Publication number: CN201061144Y
Application number: CNU2007200691698U
Authority: CN
Inventors: 陈国栋; 董祖毅
Original assignee: Shanghai Power Transmission & Distribution Co Ltd
Current assignee: Shanghai Power Transmission & Distribution Co Ltd
Priority date: 2007-04-20
Filing date: 2007-04-20
Publication date: 2008-05-14
Anticipated expiration: 2017-04-20

Abstract

本实用新型涉及一种采用三单相结构的动态电压补偿器，包括：电网的三相交流电压输入到整流模块；所述的整流模块是采用整流控制环节输出的PWM控制三单相全桥电路；整流模块的直流电压输出到由直流电容构成的直流储能模块；直流储能模块直流输出到逆变模块；所述的逆变模块是采用逆变控制环节输出的PWM控制三单相全桥电路；逆变模块输出到滤波并网模块；所述的滤波并网模块由LC电路构成，通过电容直接串入电网；检测模块输入为***的电压电流模拟量信号，作为参考波分量的输出送入逆变器控制环节；本实用新型的有益效果是：彻底解决了三相电压不平衡的补偿问题；同时也可以进行各单相独立工作，在某一相失效时不影响另外两相的正常工作。

Description

采用三单相结构的动态电压补偿器

技术领域

本实用新型涉及一种动态电压补偿器，尤其涉及一种采用三单相结构的动态电压补偿器。

背景技术

动态电压补偿器(Dynamic Voltage Restorer，DVR)是一种电压源型电力电子补偿装置，串接于电源和重要负荷之间。它具有很好的动态性能，当发生电压暂降或凸起时，能在很短的时间(几个毫秒)内将故障处电压恢复到正常值。DVR通常由储能装置、逆变装置、滤波装置、串联变压器构成，其控制电路多由单片机组成。

由图1可见：整流模块由三相整流电路实现，其直流侧电压不可控，难以保证在电压跌落时直流侧电压的稳定；直流储能模块由电容电路实现；逆变模块采用三相全桥逆变电路实现，在补偿三相不平衡跌落时存在补偿电压不够精确，无法输出零序电压分量，控制复杂等缺点；装置通过滤波并网模块接入电网，由于变压器自身产生相移以及衰减，给电压补偿带来了设计困难，降低了***的响应速度和补偿效果。检测模块硬件上由电压、电流传感器组成，用于获得算法中需要的模拟信号量。由于我国电网多采用三相四线制结构，三相不平衡情况较多，所以传统的DVR结构难以满足补偿要求。

发明内容

本实用新型需要解决的技术问题是提供了一种采用三单相结构的动态电压补偿器，旨在解决上述的缺陷。

为了解决上述技术问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

本实用新型包括：电网的三相交流电压输入到整流模块；所述的整流模块是采用整流控制环节输出的PWM控制三单相全桥电路；整流模块的直流电压输出到由直流电容构成的直流储能模块；直流储能模块直流输出到逆变模块；所述的逆变模块是采用逆变控制环节输出的PWM控制三单相全桥电路；逆变模块输出到滤波并网模块；所述的滤波并网模块由LC电路构成，通过电容直接串入电网；检测模块中检测算法对输入的电压电流模拟量信号，进行处理，得到所需的参考波分量的输出送入逆变器控制环节；

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：彻底解决了三相电压不平衡的补偿问题；同时也可以进行各单相独立工作，在某一相失效时不影响另外两相的正常工作。

附图说明

图1是现有技术中三相全桥DVR模块图；

图2是本实用新型的模块图；

图3是图2中某一相的模块图；

图4是本实用新型的整流控制原理图；

图5是本实用新型的逆变控制原理图；

图6是检测模块中检测算法原理框图；

图7是本实用新型程序流程图

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述：

由图2、图3可见：本实用新型包括：电网的三相交流电压输入到整流模块；所述的整流模块是采用整流控制环节输出的PWM(脉宽调制技术)控制三单相全桥电路；整流模块的直流电压输出到由直流电容构成的直流储能模块；直流储能模块直流输出到逆变模块；所述的逆变模块是采用逆变控制环节输出的PWM控制三单相全桥电路；逆变模块输出到滤波并网模块；所述的滤波并网模块由LC电路构成，通过电容直接串入电网；检测模块输入为***的电压电流模拟量信号，作为参考波分量的输出送入逆变器控制环节；

所述的整流控制环节输出的PWM(脉宽调制技术)控制三单相全桥电路，包括：A相，控制脉冲分别控制第十一开关管11、第十二开关管12、第十三开关管13、第十四开关管14；第十一开关管11、第十二开关管12为同一桥臂，第十三开关管13、第十四开关管14为同一桥臂；B相，控制脉冲分别控制第二十一开关管21、第二十二开关管22、第二十三开关管23、第二十四开关管24；第二十一开关管21、第二十二开关管22为同一桥臂，第二十三开关管23、第二十四开关管24为同一桥臂；C相，控制脉冲分别控制第三十一开关管31、第三十二开关管32、第三十三开关管33、第三十四开关管34；第三十一开关管31、第三十二开关管32为同一桥臂；第三十三开关管33、第三十四开关管34为同一桥臂；直流侧第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3分别连接与各相桥臂两端，交流进线分别连接至各桥臂中点；第一开关K1、第二开关K2和第三开关K3为主电路切换开关，串联于电网与设备之间；

所述的逆变控制环节输出的PWM控制三单相全桥电路包括：A相，控制脉冲分别控制第四十一开关管41、第四十二开关管42、第四十三开关管43、第四十四开关管44；第四十一开关管41、第四十二开关管42为同一桥臂，第四十三开关管43、第四十四开关管44为同一桥臂；B相，控制脉冲分别控制第五十一开关管51、第五十二开关管52、第五十三开关管53、第五十四开关管54；第五十一开关管51、第五十二开关管52为同一桥臂，第五十三开关管53、第五十四开关管54为同一桥臂；C相，控制脉冲分别控制第六十一开关管61、第六十二开关管62、第六十三开关管63、第六十四开关管64；第六十一开关管61、第六十二开关管62为同一桥臂，第六十三开关管63、第六十四开关管64为同一桥臂；直流侧第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3分别连接与各相桥臂两端，A相从桥臂中点处引线至第A电感La，第A电容Ca，B相从桥臂中点处引线至第B电感Lb，第B电容Cb，C相从桥臂中点处引线至第C电感Lc，第C电容Cc，第A电容Ca、第B电容Cb和第C电容Cc串联接入主电路；

检测模块的硬件结构与现有技术相同。

所述的所有开关是IPM作为其开关器件；

本实用新型中整流模块：使用PWM全桥整流，直流侧电压稳定，可以减少谐波，且保证功率因数接近为1，能量可以双向流动。

由图4可见：在整流模块中控制***由双闭环构成，外环为电压环，内环为电流环。外环的PI调节器(现有技术PI调节器实际是一个放大系数可自动调节的放大器，动态时，放大系数较低，是为了防止***出现超调与振荡；静态时，放大系数较高，可以蒱捉到小误差信号，提高控制精度。)输出的信号i_d乘以与相电压同相的参考正弦波信号，得到与相电压同相位的正弦指令信号i^* _d，以该信号作为电抗器电流的标准信号，和实际交流电流信号相比较后产生相电流的误差信号，乘以一个比例系数，再用交流侧电网电压减去该量，并以此为参考波信号与三角波比较产生各开关器件的PWM控制信号，最后通过驱动电路对功率器件进行控制，从而使实际交流输入电流和电压达到同相位，输入功率因数接近1。

逆变模块：使用PWM全桥逆变，三相输出相互独立，且可以输出零序电压分量，对三相不平衡具有良好补偿特性；

由图5可见：在逆变模块中控制***采用电压电流双闭环控制：

为了获得更好的负载调节特性和稳定的电压输出，可以对装置的输出电压进行直接控制，输出电压的瞬时值控制可以通过PI环节调节参考电压和输出电压的瞬时值之差，可以提高响应速度和动态性能，但是仅仅采用电压瞬时值控制方式对于非线性负载的适应性并不是很好，同时***的稳定裕度不高，参数设计相对困难。故考虑再引入电流瞬时值反馈控制方法。拟采用电压瞬时值外环控制，确保负载电压能快速跟踪参考电压，保证装置的良好响应速度，将电流局部反馈控制作为内环控制，以提高对参数及负载的独立性，确保各种负载工况下装置的稳定运行。

已知单相串联逆变器的状态方程为

\{\begin{matrix} \frac{{du}_{c}}{dt} = \frac{1}{C} (i_{fl} - i_{L}) \\ \frac{{di}_{fl}}{dt} = \frac{1}{L} [u_{sys} + m \sin (ω_{r} t_{d}) u_{dc} - u_{o}] \end{matrix}

msin(ω_rt_d)μ_dc为开关管两桥臂输出电压。

本实用新型中检测模块检测到电压波动时，将其储存的电压输入到逆变模块，得到需要补偿的三相交流电压，通过滤波电路，通过电容与主电路耦合。

检测模块：采用基于瞬时无功功率理论的三相电压检测方法，检测电压跌落同时检测负载功率因数，具有补偿功率因数和电压跌落的双重特点。

瞬时无功理论突破以平均值为基础的功率定义，***地定义了瞬时无功功率、瞬时有功功率等瞬时功率量；通过对三相电路的电流、电压量进行矩阵变换，从而求得瞬时的有功功率和无功功率。

由图7、图8可见：首先电网三相电压u_a、u_b和u_c进行锁相，将锁相得到的相位信息，再将该相位的正余弦值送入dq0变换模块，与u_a、u_b和u_c进行矩阵变换后之后求得u_d、u_q和u₀。其次对负载的电压u_loada、u_loadb和u_loadc进行锁相，再将锁相得到的相位的正余弦值送入dq0变换模块，与i_loada、i_loadb和i_loadc进行矩阵变换得到P和Q分量，求出功角

，再将-

的正余弦值与电网电压的基准幅值相乘，得到的值分别与u_d、u_q进行加减计算，得到的值送入dq0反变换模块，即可得到逆变器所需的参考电压值。

本实用新型中所有整流，逆变装置都采用IPM作为其开关器件：

动态电压恢复器的主要特点是能实现对谐波电压、电压瞬时跌落的动态补偿。为此要求主电路能够快速、准确的产生补偿电压。目前主电路所采用的PWM变流器，理论上是理想的补偿电压的发生电路。但在实际应用中，由于受功率器件工作频率的限制，补偿电压不可能完全跟随指令信号的变化。为了使补偿电压快速跟随指令信号的变化，必须采用快速的功率器件。而另一方面，器件的选择还要考虑补偿装置容量的大小。因此使用的器件需根据其电压和电流等级、开关频率等因素综合考虑。本实用新型中开关器件采用智能功率模块(Intelligent Power Module，简称IPM)。智能功率模块是先进的混合集成功率器件，由高速、低耗的IPM芯片和优化的门极驱动及保护电路构成，可靠性很高，开关频率高，非常适合应用于动态电压恢复器。选用IPM时，主要根据实际电路中的电压和电流来选择IPM的额定电压和电流。考虑到开关时的浪涌电压和裕量，所选用的IPM的额定电压应大于直流侧电压(可取1.5-2倍)。选用的IPM的额定电流也应考虑1.5-2倍的裕量。

本实用新型的三单相结构的特点，可以对三相电压不平衡进行补偿，并具有各相独立补偿的特点。逆变器输出不受主电路结构的限制，三相主电路之间相互独立，控制灵活方便。

本实用新型彻底解决了三相电压不平衡的补偿问题；同时也可以进行各单相独立工作，在某一相失效时不影响另外两相的正常工作；

采用PWM整流器获得直流电压，具有功率因数高，对电网谐波污染少，和保证直流侧电压稳定的特点；

LC滤波器使用电容直接并入电网，减少了使用滤波器带来的控制复杂性，更好提高了输出波形质量；

检测算法中，不仅检测了电压跌落，还对负载功率因数进行了检测，使得装置具有补偿无功，提高功率因数的特点。

Claims

1.一种采用三单相结构的动态电压补偿器，其特征在于包括：电网的三相交流电压输入到整流模块；所述的整流模块是采用整流控制环节输出的PWM控制三单相全桥电路；整流模块的直流电压输出到由直流电容构成的直流储能模块；直流储能模块直流输出到逆变模块；所述的逆变模块是采用逆变控制环节输出的PWM控制三单相全桥电路；逆变模块输出到滤波并网模块；所述的滤波并网模块由LC电路构成，通过电容直接串入电网；检测模块输入为***的电压电流模拟量信号，作为参考波分量的输出送入逆变器控制环节。

2.根据权利要求1所述的采用三单相结构的动态电压补偿器，其特征在于：所述的整流控制环节输出的PWM控制三单相全桥电路，包括：A相，控制脉冲分别控制第十一开关管(11)、第十二开关管(12)、第十三开关管(13)、第十四开关管(14)；第十一开关管(11)、第十二开关管(12)为同一桥臂，第十三开关管(13)、第十四开关管(14)为同一桥臂；B相，控制脉冲分别控制第二十一开关管(21)、第二十二开关管(22)、第二十三开关管(23)、第二十四开关管(24)；第二十一开关管(21)、第二十二开关管(22)为同一桥臂，第二十三开关管(23)、第二十四开关管(24)为同一桥臂；C相，控制脉冲分别控制第三十一开关管(31)、第三十二开关管(32)、第三十三开关管(33)、第三十四开关管(34)；第三十一开关管(31)、第三十二开关管(32)为同一桥臂；第三十三开关管(33)、第三十四开关管(34)为同一桥臂；直流侧第一电容(C1)、第二电容(C2)和第三电容(C3)分别连接与各相桥臂两端，交流进线分别连接至各桥臂中点；第一开关(K1)、第二开关(K2)和第三开关(K3)为主电路切换开关，串联于电网与设备之间。

3.根据权利要求1所述的采用三单相结构的动态电压补偿器，其特征在于：所述的逆变控制环节输出的PWM控制三单相全桥电路包括：A相，控制脉冲分别控制第四十一开关管(41)、第四十二开关管(42)、第四十三开关管(43)、第四十四开关管(44)；第四十一开关管(41)、第四十二开关管(42)为同一桥臂，第四十三开关管(43)、第四十四开关管(44)为同一桥臂；B相，控制脉冲分别控制第五十一开关管(51)、第五十二开关管(52)、第五十三开关管(53)、第五十四开关管(54)；第五十一开关管(51)、第五十二开关管(52)为同一桥臂，第五十三开关管(53)、第五十四开关管(54)为同一桥臂；C相，控制脉冲分别控制第六十一开关管(61)、第六十二开关管(62)、第六十三开关管(63)、第六十四开关管(64)；第六十一开关管(61)、第六十二开关管(62)为同一桥臂，第六十三开关管(63)、第六十四开关管(64)为同一桥臂；直流侧第一电容(C1)、第二电容(C2)和第三电容(C3)分别连接与各相桥臂两端，A相从桥臂中点处引线至第A电感(La)，第A电容(Ca)，B相从桥臂中点处引线至第B电感(Lb)，第B电容(Cb)，C相从桥臂中点处引线至第C电感(Lc)，第C电容(Cc)，第A电容(Ca)、第B电容(Cb)和第C电容(Cc)串联接入主电路。

4.根据权利要求2或3所述的采用三单相结构的动态电压补偿器，其特征在于：所述的所有开关是IPM作为其开关器件。