專利名稱：一種低壓系統(tǒng)多功能電壓質(zhì)量調(diào)節(jié)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電能質(zhì)量分析與控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種低壓系統(tǒng)多功能電壓質(zhì)量調(diào)節(jié)器。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)自動(dòng)化、數(shù)字化、集成化程度的不斷提高，大量與連續(xù)性生產(chǎn)過程相關(guān)的敏感負(fù)荷對(duì)電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高。以往并不造成重大威脅的電壓質(zhì)量問題，已經(jīng)直接或間接影響這些敏感用戶的生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。本發(fā)明(低壓系統(tǒng)中的多功能電壓質(zhì)量調(diào)節(jié)器)可以有效地解決供電電壓質(zhì)量問題，它具有抑制電壓諧波、補(bǔ)償電壓暫降與暫升、抑制電壓波動(dòng)、限制負(fù)荷短路電流及節(jié)約電能的多種功能，可極大提高對(duì)敏感負(fù)荷的供電可靠性和經(jīng)濟(jì)性。目前國(guó)內(nèi)對(duì)電壓暫降等電壓質(zhì)量問題、短路電流限制等尚無(wú)理想的解決辦法，本發(fā)明將為高新技術(shù)開發(fā)區(qū)、精密流水生產(chǎn)線等敏感負(fù)荷解決電能質(zhì)量問題提供綜合的技術(shù)與解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種低壓系統(tǒng)(額定線電壓為380V的三相四線制系統(tǒng))多功能電壓質(zhì)量調(diào)節(jié)器，是基于絕緣柵雙極晶體管(IGBT)器件和脈寬調(diào)制(PWM)控制技術(shù)的電力電子裝置，它能夠解決絕大多數(shù)對(duì)敏感負(fù)荷產(chǎn)生不良影響的供電電壓質(zhì)量問題，如電壓暫降、暫升、電壓諧波、電壓波動(dòng)及長(zhǎng)時(shí)間過電壓、欠電壓等。它采用新型儲(chǔ)能元件—超級(jí)電容作為儲(chǔ)能設(shè)備，針對(duì)不同的敏感設(shè)備，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)(Dynamic Voltage Restorer，DVR)、有源濾波(Active Power Filter，APF)、短路電流限制(Fault Current Limit，F(xiàn)CL)及節(jié)能等多目標(biāo)控制，大幅度改善敏感負(fù)荷的供電電壓質(zhì)量。
本發(fā)明提出的低壓系統(tǒng)多功能電壓質(zhì)量調(diào)節(jié)器(以下簡(jiǎn)稱為UVQC，UnifiedVoltage Quality Conditioner)，由并聯(lián)換流變壓器1、三相全橋PWM變流器2、直流斬波器及超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)3、單相全橋PWM變流器組4、串聯(lián)注入變壓器組5組成，如附圖1所示。針對(duì)380V三相四線制系統(tǒng)中的運(yùn)行設(shè)備，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)、有源濾波、短路電流限制及節(jié)能的控制功能。
如附圖2所示的并聯(lián)換流變壓器為三相雙繞組變壓器，原副邊分別為星形和三角形接線，連接組為Y/D-11，原副邊額定線電壓均為400V，額定頻率50Hz。變壓器原邊三相引線并聯(lián)連接到三相供電線路上，副邊三相引線連接到三相全橋PWM變流器部分。
三相全橋PWM變流器如附圖3所示。由并聯(lián)換流變壓器引出的三相線路通過三相連接電感，引入到三相全橋PWM變流器的三個(gè)橋臂終端。每個(gè)橋臂由上下兩個(gè)IGBT及其反并聯(lián)二極管串聯(lián)而成。三個(gè)橋臂上下端點(diǎn)分別連接到一起，形成變流器的直流母線，上端母線為正極，下端母線為負(fù)極。當(dāng)三相全橋PWM變流器工作于高頻整流狀態(tài)下時(shí)，能量從電網(wǎng)側(cè)流向直流側(cè)的負(fù)載；而它工作于再生狀態(tài)下，相當(dāng)于三相PWM電壓型逆變器，將直流側(cè)的能量回饋到交流側(cè)電網(wǎng)。正負(fù)兩條直流母線連接到直流斬波器及超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)。
直流斬波和超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)如附圖4所示，連接在三相全橋PWM變流器輸出的直流母線之間。圖中所示電容為超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)，由上百只超級(jí)電容單體串聯(lián)而成，連接到超級(jí)電容的兩只二極管實(shí)現(xiàn)對(duì)超級(jí)電容的保護(hù)。一只二極管陽(yáng)極、陰極分別接至超級(jí)電容負(fù)極、正極；另一只二極管的陽(yáng)極、陰極分別接至超級(jí)電容的正極、三相全橋PWM變流器輸出的正極直流母線。直流斬波的開關(guān)器件為兩只IGBT，高位IGBT實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容充電的降壓斬波控制，低位IGBT實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容放電的升壓斬波控制，兩只二極管分別與IGBT反向并聯(lián)。連接到超級(jí)電容正極上的電感為升壓斬波與降壓斬波的共用電感，電感的另一側(cè)引線連接到直流斬波橋臂的終端。
附圖5所示為單相全橋PWM變流器組，包括三臺(tái)單相全橋PWM變流器、對(duì)應(yīng)的直流電容和濾波電路。三相全橋PWM變流器輸出的直流母線間并聯(lián)了直流斬波和超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)后，連接到三臺(tái)單相全橋PWM變流器的直流側(cè)，構(gòu)成共用直流母線。為了支撐電壓及減小紋波，每臺(tái)單相全橋PWM變流器的直流母線間連接有直流電容器。單相全橋PWM變流器分別由兩個(gè)橋臂、四只IGBT構(gòu)成，每只IGBT均反向并聯(lián)了續(xù)流二極管。單相全橋PWM變流器的兩個(gè)橋臂終端連接到LC低通濾波器，與三相串聯(lián)濾波電感相連。
單相串聯(lián)注入變壓器組由三臺(tái)單相注入變壓器構(gòu)成，如附圖6所示。每臺(tái)變壓器均為單相雙繞組結(jié)構(gòu)，原副邊額定電壓400V，工作頻率50～1000Hz。
UVQC的工作原理簡(jiǎn)述如下。
諧波電流在線路阻抗上形成諧波壓降時(shí)，UVQC的三相全橋PWM變流器工作于高頻整流狀態(tài)，由電網(wǎng)側(cè)吸收能量補(bǔ)償各種有功消耗，維持直流母線電壓恒定；UVQC的單相全橋PWM變流器工作于逆變器狀態(tài)，注入與系統(tǒng)諧波電壓大小相等、方向相反的諧波電壓，保持負(fù)荷側(cè)正弦的電壓波形，實(shí)現(xiàn)串聯(lián)型APF(有源濾波器)功能。
當(dāng)系統(tǒng)側(cè)由于操作、故障、大負(fù)荷投入等原因造成電壓暫降時(shí)，三臺(tái)單相全橋PWM變流器根據(jù)控制指令注入對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償電壓，使得負(fù)荷側(cè)的電壓保持故障發(fā)生前的正常狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)DVR(動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器)的功能。
若系統(tǒng)發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間過電壓、欠電壓時(shí)候，UVQC根據(jù)控制要求由三臺(tái)單相全橋PWM變流器注入與系統(tǒng)電壓同相或反相的瞬時(shí)電壓，使得負(fù)荷側(cè)電壓保持為設(shè)定的額定工作電壓，確保負(fù)荷運(yùn)行在最佳工況，實(shí)現(xiàn)節(jié)能及延長(zhǎng)用電設(shè)備壽命的目標(biāo)。過電壓發(fā)生時(shí)，UVQC的補(bǔ)償響應(yīng)會(huì)造成直流母線電壓升高。若是短時(shí)過電壓或浪涌，由直流斬波電路對(duì)超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行快速充電，吸收較小的直流側(cè)電壓泵升能量。若出現(xiàn)長(zhǎng)期過電壓情況，則UVQC的三相全橋變流器工作于逆變狀態(tài)，將直流母線電壓泵升能量回饋到電網(wǎng)中去，大大降低了電耗，節(jié)約了能源。
欠電壓發(fā)生時(shí)，UVQC的三相全橋變流器工作于整流器狀態(tài)，從系統(tǒng)中吸取能量維持額定負(fù)載側(cè)電壓處于額定值附近允許的范圍。
當(dāng)負(fù)荷側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，UVQC瞬時(shí)注入三相與系統(tǒng)各相電壓大小相等、方向相反的瞬時(shí)電壓值，因負(fù)荷端電壓被限制到極小數(shù)值，從而限制了短路電流的大小?？紤]到繼電保護(hù)動(dòng)作的要求，能夠?qū)VQC的注入電壓進(jìn)行調(diào)整，使得短路發(fā)生時(shí)故障電流數(shù)值滿足繼電保護(hù)動(dòng)作限值。限制短路電流期間吸收的系統(tǒng)能量由UVQC的三相全橋變流器回饋電網(wǎng)，保護(hù)線路及用電設(shè)備免受故障損壞。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)于可能出現(xiàn)的長(zhǎng)時(shí)間欠電壓或過電壓?jiǎn)栴}，本發(fā)明提供的調(diào)節(jié)器保證了負(fù)荷工作在允許的電壓范圍內(nèi)，不但保護(hù)用電負(fù)荷免受損壞的危險(xiǎn)，而且由于將過電壓限制在額定電壓，使得負(fù)荷消耗的電能大為降低，實(shí)現(xiàn)了節(jié)約電能的功能；還可以保護(hù)線路及其他用電設(shè)備。


圖1為本發(fā)明的低壓系統(tǒng)多功能電壓質(zhì)量調(diào)節(jié)器(UVQC)的電路結(jié)構(gòu)圖。其中，并聯(lián)換流變壓器1、三相全橋PWM變流器2、直流斬波器及超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)3、單相全橋PWM變流器組4、串聯(lián)注入變壓器組5。
圖2為本發(fā)明的并聯(lián)換流變壓器示意圖。
圖3為本發(fā)明的三相全橋PWM變流器示意圖。
圖4為本發(fā)明的直流斬波器及超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)示意圖。
圖5為本發(fā)明的單相全橋PWM變流器組示意圖。
圖6為本發(fā)明的單相串聯(lián)注入變壓器組示意圖。
具體實(shí)施例方式
低壓系統(tǒng)多功能電壓質(zhì)量調(diào)節(jié)器(UVQC)，由并聯(lián)換流變壓器、三相全橋PWM變流器、直流斬波器及超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)、單相全橋PWM變流器組、串聯(lián)注入變壓器組共5部分組成，如附圖1所示。其中標(biāo)號(hào)為1的部分是并聯(lián)換流變壓器，參見附圖2；標(biāo)號(hào)為2的部分是三相全橋PWM變流器，參見附圖3；標(biāo)號(hào)為3的部分是直流斬波器及超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)，參見附圖4；標(biāo)號(hào)為4的部分是單相全橋PWM變流器組，參見附圖5；標(biāo)號(hào)為5的部分是單相串聯(lián)注入變壓器組，參見附圖6，分別說明如下。
如附圖2所示的并聯(lián)換流變壓器為三相雙繞組變壓器，原副邊分別為星形和三角形接線，連接組為Y/D-11，原副邊額定線電壓均為400V，額定頻率50Hz。變壓器原邊三相引線并聯(lián)連接到三相供電線路上，副邊三相引線連接到三相全橋PWM變流器部分。
三相全橋PWM變流器如附圖3所示。由并聯(lián)換流變壓器引出的三相線路通過三相連接電感，引入到三相全橋PWM變流器的三個(gè)橋臂終端。每個(gè)橋臂由上下兩個(gè)IGBT及其反并聯(lián)二極管串聯(lián)而成。三個(gè)橋臂上下端點(diǎn)分別連接到一起，形成變流器的直流母線，上端母線為正極，下端母線為負(fù)極。當(dāng)三相全橋PWM變流器工作于高頻整流狀態(tài)下時(shí)，能量從電網(wǎng)側(cè)流向直流側(cè)的負(fù)載；而它工作于再生狀態(tài)下，相當(dāng)于三相PWM電壓型逆變器，將直流側(cè)的能量回饋到交流側(cè)電網(wǎng)。正負(fù)兩條直流母線連接到直流斬波器及超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)。
直流斬波和超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)如附圖4所示，連接在三相全橋PWM變流器輸出的直流母線之間。圖中所示電容為超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)，由上百只超級(jí)電容單體串聯(lián)而成，連接到超級(jí)電容的兩只二極管實(shí)現(xiàn)對(duì)超級(jí)電容的保護(hù)。一只二極管陽(yáng)極、陰極分別接至超級(jí)電容負(fù)極、正極；另一只二極管的陽(yáng)極、陰極分別接至超級(jí)電容的正極、三相全橋PWM變流器輸出的正極直流母線。直流斬波的開關(guān)器件為兩只IGBT，高位IGBT實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容充電的降壓斬波控制，低位IGBT實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容放電的升壓斬波控制，兩只二極管分別與IGBT反向并聯(lián)。連接到超級(jí)電容正極上的電感為升壓斬波與降壓斬波的共用電感，電感的另一側(cè)引線連接到直流斬波橋臂的終端。
附圖5所示為單相全橋PWM變流器組，包括三臺(tái)單相全橋PWM變流器、對(duì)應(yīng)的直流電容和濾波電路。三相全橋PWM變流器輸出的直流母線間并聯(lián)了直流斬波和超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)后，連接到三臺(tái)單相全橋PWM變流器的直流側(cè)，構(gòu)成共用直流母線。為了支撐電壓及減小紋波，每臺(tái)單相全橋PWM變流器的直流母線間連接有直流電容器。單相全橋PWM變流器分別由兩個(gè)橋臂、四只IGBT構(gòu)成，每只IGBT均反向并聯(lián)了續(xù)流二極管。單相全橋PWM變流器的兩個(gè)橋臂終端連接到LC低通濾波器，與三相串聯(lián)濾波電感相連。
單相串聯(lián)注入變壓器組由三臺(tái)單相注入變壓器構(gòu)成，如附圖6所示。每臺(tái)變壓器均為單相雙繞組結(jié)構(gòu)，原副邊額定電壓400V，工作頻率50～1000Hz。
權(quán)利要求
1.一種低壓系統(tǒng)多功能電壓質(zhì)量調(diào)節(jié)器，其特征在于由(1)并聯(lián)換流變壓器、(2)三相全橋PWM變流器、(3)直流斬波器及超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)、(4)單相全橋PWM變流器組、(5)串聯(lián)注入變壓器組組成，針對(duì)380V三相四線制系統(tǒng)中的運(yùn)行設(shè)備，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)、有源濾波、短路電流限制及節(jié)能的控制功能。
2.按照權(quán)利要求1所述的電壓質(zhì)量調(diào)節(jié)器，其特征在于所述的并聯(lián)換流變壓器為三相雙繞組換流變壓器，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)器與電網(wǎng)的隔離及能量的雙向輸送，原副邊分別為星形和三角形接線，連接組為Y/D-11，原副邊額定線電壓均為400V，額定頻率50Hz。
3.按照權(quán)利要求1所述的電壓質(zhì)量調(diào)節(jié)器，其特征在于所述的三相全橋PWM變流器具有三個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由上下兩個(gè)IGBT及其反并聯(lián)二極管串聯(lián)而成，三個(gè)橋臂上下端點(diǎn)分別連接到一起，形成變流器的直流母線，上端母線為正極，下端母線為負(fù)極，當(dāng)三相全橋PWM變流器工作于高頻整流狀態(tài)下時(shí)，能量從電網(wǎng)側(cè)流向直流側(cè)的負(fù)載；而它工作于再生狀態(tài)下，相當(dāng)于三相PWM電壓型逆變器，將直流側(cè)的能量回饋到交流側(cè)電網(wǎng)。
4.按照權(quán)利要求1所述的電壓質(zhì)量調(diào)節(jié)器，其特征在于所述的直流斬波和超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)中的儲(chǔ)能系統(tǒng)，由上百只超級(jí)電容單體串聯(lián)而成，連接到超級(jí)電容的兩只二極管實(shí)現(xiàn)對(duì)超級(jí)電容的保護(hù)；一只二極管陽(yáng)極、陰極分別接至超級(jí)電容系統(tǒng)的負(fù)極、正極；另一只二極管的陽(yáng)極、陰極分別接至超級(jí)電容的正極和三相全橋PWM變流器輸出的正極直流母線；直流斬波的開關(guān)器件為兩只IGBT，高位IGBT實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容充電的降壓斬波控制，低位IGBT實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容放電的升壓斬波控制，兩只二極管分別與IGBT反向并聯(lián)；連接到超級(jí)電容正極上的電感為升壓斬波與降壓斬波的共用電感，電感的另一側(cè)引線連接到直流斬波橋臂的終端。
5.按照權(quán)利要求1所述的電壓質(zhì)量調(diào)節(jié)器，其特征在于所述的單相全橋PWM變流器組，包括三臺(tái)單相全橋PWM變流器、對(duì)應(yīng)的直流電容和濾波電路，三臺(tái)單相全橋PWM變流器的直流側(cè)共用了直流母線，為了支撐電壓及減小紋波，每臺(tái)單相全橋PWM變流器的直流母線間連接有直流電容器，單相全橋PWM變流器分別由兩個(gè)橋臂、四只IGBT構(gòu)成，每只IGBT反向并聯(lián)了續(xù)流二極管，單相全橋PWM變流器的兩個(gè)橋臂終端連接到LC低通濾波器，與三相串聯(lián)濾波電感相連。
6.按照權(quán)利要求1所述的電壓質(zhì)量調(diào)節(jié)器，其特征在于所述的單相串聯(lián)注入變壓器組由三臺(tái)單相注入變壓器構(gòu)成，每臺(tái)變壓器均為單相雙繞組結(jié)構(gòu)，原副邊額定電壓400V，工作頻率50～1000Hz。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種低壓系統(tǒng)多功能電壓質(zhì)量調(diào)節(jié)器，屬于電能質(zhì)量分析與控制技術(shù)領(lǐng)域。由(1)并聯(lián)換流變壓器、(2)三相全橋PWM變流器、(3)直流斬波器及超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)、(4)單相全橋PWM變流器組、(5)串聯(lián)注入變壓器組組成。針對(duì)380V三相四線制系統(tǒng)中的運(yùn)行設(shè)備，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)、有源濾波、短路電流限制及節(jié)能的控制功能。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)于可能出現(xiàn)的長(zhǎng)時(shí)間欠電壓或過電壓?jiǎn)栴}，本發(fā)明提供的調(diào)節(jié)器保證了負(fù)荷工作在允許的電壓范圍內(nèi)，不但保護(hù)用電負(fù)荷免受損壞的危險(xiǎn)，而且由于將過電壓限制在額定電壓，使得負(fù)荷消耗的電能大為降低，實(shí)現(xiàn)了節(jié)約電能的功能；還可以保護(hù)線路及其他用電設(shè)備。
文檔編號(hào)H02J3/00GK1697279SQ200510011958
公開日2005年11月16日 申請(qǐng)日期2005年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月17日
發(fā)明者尹忠東 申請(qǐng)人:華北電力大學(xué)(北京)