專利名稱：一種無隔離環(huán)節(jié)的三相統(tǒng)一電能質量控制器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種無隔離環(huán)節(jié)的三相統(tǒng)一電能質量控制器，屬于電力設備技術領域。
背景技術：
電能質量問題可分為兩大類電壓質量問題，指供電的可靠性以及供電電壓的幅值、波形、頻率的好壞等，是電力負荷所關注的；電流質量問題，指負荷電流中的無功、諧波及負序分量的大小，是電力系統(tǒng)所關注的。這兩類問題可以利用相應的電力電子裝置來解決，如動態(tài)電壓補償器可以解決電壓質量問題，有源電力濾波器可以解決電流質量問題。
統(tǒng)一電能質量控制器(UPQC)結合了動態(tài)電壓補償器和有源電力濾波器兩者的功能，可以同時保證負荷側的電壓質量和系統(tǒng)側的電流質量。UPQC通常由三個基本單元組成串聯(lián)單元、并聯(lián)單元和直流儲能單元。其中串聯(lián)單元作電壓補償之用，以解決電壓質量問題，相當于一臺動態(tài)電壓補償器；并聯(lián)單元用作電流補償，來解決電流質量問題，相當于一臺有源電力濾波器；直流儲能單元由直流電容器構成，為串聯(lián)和并聯(lián)單元所共用，向它們提供穩(wěn)定的直流電壓。由于直流電容為串并聯(lián)兩單元所共用，在傳統(tǒng)的UPQC拓撲中，為防止交流短路、直流電容直通等故障，交直流之間必須采取一定的電氣隔離，通常采用在串聯(lián)和并聯(lián)兩側分別加裝變壓器的方法來實現(xiàn)隔離，如圖1所示。變壓器的接入不僅提供了有效的隔離作用，還可以擴大裝置的容量，使器件的選擇更加靈活。但變壓器的引入同時也會帶來諸如成本、體積、損耗、非線性、浪涌等不利因素。因此，在電壓等級較低或開關器件的容量足夠的情況下引入變壓器的缺陷將遠遠大于所帶來的優(yōu)勢。
在2004年4月向我國國家知識產(chǎn)權局申請且于2005年1月公開(公開號為CN 1571235A)的清華大學的“一種采用直流儲能進行電氣隔離的統(tǒng)一電能質量調節(jié)器”，提出在直流單元進行隔離的方法，該方法雖然省去了變壓器，但是每相直流母線上多用了四個開關管，且增加了控制的復雜性。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種無需采取隔離措施的三相統(tǒng)一電能質量控制器，輔以適當?shù)目刂撇呗?，該控制器能夠實現(xiàn)傳統(tǒng)三相UPQC所具有的各項電壓補償和電流補償功能。
本發(fā)明的特征在于
所述控制器由三個完全相同的單相控制器組合而成，各控制器的串聯(lián)單元直接與電源相串，并聯(lián)單元在負荷側結成三角形結構，所述的每相控制器包括并聯(lián)單元，包括一個由“8”、“9”兩個正向串聯(lián)的開關管組成的逆變橋和一個濾波電感“10”，該濾波電感的一端接所述開關管“8”、“9”的串接點，另一端接負荷線電壓的輸入端，所述逆變橋輸出的脈寬調制電壓波用來控制流過濾波電感“10”的電流(ick)，使之能夠補償負荷電流中的無功、諧波和負序分量并維持直流母線電壓的恒定，所述k∈{負荷線電壓的輸入端a，b，c}，下同；串聯(lián)單元，包括由兩個正向串聯(lián)的開關管“4”、“5”組成的逆變橋、由電容“1”和電感“3”組成的低通濾波器以及旁路晶閘管“2”，所述的濾波電感“3”的一端接所述的開關管“4”和開關管“5”的串接點，所述濾波電容“1”和濾波電感“3”的串接點接電源端，該電源端同時接所述旁路晶閘管“2”的一端，旁路晶閘管“2”的另一端與電容“1”的另一端一起接于負荷線電壓的輸入端，所述的逆變橋產(chǎn)生合適的脈寬調制電壓波來補償電源電壓的跌落、浪涌、諧波和負序成分，所述低通濾波器用來濾除脈寬調制電壓波中的開關諧波分量，所述旁路晶閘管在電源電壓正常時導通，電源電壓由它直接提供給負載，在出現(xiàn)電壓質量問題時關斷；儲能單元，由兩個直流電容“6”、“7”正向串聯(lián)組成，所述直流電容“6”、“7”的串接點接于所述旁路晶閘管“2”的負荷端，由“6”和“7”構成的串聯(lián)電容器同時并接了串聯(lián)單元逆變橋、并聯(lián)單元逆變橋的兩端，該儲能單元為所述串聯(lián)單元和并聯(lián)單元提供穩(wěn)定的直流電壓。
本發(fā)明提出的無隔離環(huán)節(jié)的三相統(tǒng)一電能質量控制器，具有下面的優(yōu)點1、與傳統(tǒng)的UPQC相比，沒有引入變壓器或其他隔離環(huán)節(jié)，避免了變壓器帶來的諸多不利因素，且結構簡單，成本較低；2、儲能電容為串并聯(lián)單元所共用，既保證了兩單元之間的能量流動，同時又不會發(fā)生電容直通、交流短路等故障；3、輔以適當?shù)目刂撇呗?，可以實現(xiàn)傳統(tǒng)三相UPQC的各項功能，能夠有效解決各類電壓和電流質量問題。
總之，本發(fā)明提出的三相統(tǒng)一電能質量控制器，既省去了隔離環(huán)節(jié)，又可以實現(xiàn)傳統(tǒng)三相UPQC的各項電流補償和電壓補償功能。


圖1是傳統(tǒng)的三相統(tǒng)一電能質量控制器的電路圖。
圖2是本發(fā)明提出的新型三相統(tǒng)一電能質量控制器的電路圖。
圖3(a)(b)(c)分別是發(fā)生電壓跌落期間電源線電壓和負荷線電壓、跌落期間的電源電流和負荷電流以及正常情況下電源相電壓、電源電流和負荷電流的仿真波形圖。
具體實施例方式
本發(fā)明提出的新型三相統(tǒng)一電能質量控制器，由三個完全相同的單相控制器組合而成，每相控制器包括(1)用于解決電流質量問題的電流補償器，或稱作并聯(lián)單元，包括一個由兩個IGBT組成的逆變橋和一個濾波電感；(2)用于解決電壓質量問題的電壓補償器，或稱串聯(lián)單元，包括一個由兩個IGBT組成的逆變器和一個由電容和電感組成的低通濾波器；(3)為串并聯(lián)兩個單元提供穩(wěn)定直流電壓的儲能單元，由上下兩個直流電容器組成，儲能單元兩個直流電容的連結點被引出接到電網(wǎng)上，作為串并聯(lián)兩單元與電網(wǎng)的公共連結點。
各相串聯(lián)單元與負荷相串聯(lián)，各相并聯(lián)單元在負荷側聯(lián)結成三角形結構，各相儲能單元相互獨立。
當電源側出現(xiàn)電壓質量問題時，為了保證負荷側電壓仍為三相對稱、幅值額定的正弦量，首先需要計算出每相串聯(lián)單元輸出電壓的參考值ujrefk(k＝a，b，c，下同)，然后得出每相串聯(lián)逆變橋的輸出電壓uck的控制規(guī)律，使得串聯(lián)單元實際的輸出電壓，即每相濾波電容“1”上的電壓ujk能夠快速準確地跟蹤其參考值ujrefk。uck的控制規(guī)律通過脈寬調制電壓波來實現(xiàn)。
當負荷側出現(xiàn)電流質量問題時，為了保證電源電流仍為三相對稱的正弦量且電源發(fā)出的功率與負荷吸收的功率相等，需要計算出合適的并聯(lián)補償電流值，即每相并聯(lián)單元濾波電感“10”上的電流值ick，該電流值可以通過控制并聯(lián)逆變橋的兩個開關管“8”、“9”的開關狀態(tài)來實現(xiàn)。
下面舉一個仿真實例來驗證本發(fā)明提出的三相統(tǒng)一電能質量控制器的有效性。采用PSCAD/EMTDC仿真軟件包，電源線電壓額定值為380V，頻率為50Hz，負荷為非線性且不平衡的。電源電壓在0.8s到1.5s之間發(fā)生了跌落，附圖3給出了跌落期間和正常情況下電源電壓、負荷電壓、電源電流和負荷電流的波形?？梢娯摵呻妷菏冀K為三相對稱、幅值額定的正弦波，電源電流基本為對稱正弦量，說明本發(fā)明提出的電能質量控制器可以有效地解決各類電能質量問題。
權利要求
1.一種無隔離環(huán)節(jié)的三相統(tǒng)一電能質量控制器，其特征在于，所述控制器由三個完全相同的單相控制器組合而成，各控制器的串聯(lián)單元直接與電源相串，并聯(lián)單元在負荷側結成三角形結構，所述的每相控制器包括并聯(lián)單元，包括一個由(8)、(9)兩個正向串聯(lián)的開關管組成的逆變橋和一個濾波電感(10)，該濾波電感的一端接所述開關管(8)、(9)的串接點，另一端接負荷線電壓的輸入端，所述逆變橋輸出的脈寬調制電壓波用來控制流過濾波電感(10)的電流(ick)，使之能夠補償負荷電流中的無功、諧波和負序分量并維持直流母線電壓的恒定，所述k∈{負荷線電壓的輸入端a，b，c}，下同；串聯(lián)單元，包括由兩個正向串聯(lián)的開關管(4)、(5)組成的逆變橋、由電容(1)和電感(3)組成的低通濾波器以及旁路晶閘管(2)，所述的濾波電感(3)的一端接所述的開關管(4)和開關管(5)的串接點，所述濾波電容(1)和濾波電感(3)的串接點接電源端，該電源端同時接所述旁路晶閘管(2)的一端，旁路晶閘管(2)的另一端與電容(1)的另一端一起接于負荷線電壓的輸入端，所述的逆變橋產(chǎn)生合適的脈寬調制電壓波來補償電源電壓的跌落、浪涌、諧波和負序成分，所述低通濾波器用來濾除脈寬調制電壓波中的開關諧波分量，所述旁路晶閘管在電源電壓正常時導通，電源電壓由它直接提供給負載，在出現(xiàn)電壓質量問題時關斷；儲能單元，由兩個直流電容(6)、(7)正向串聯(lián)組成，所述直流電容(6)、(7)的串接點接于所述旁路晶閘管(2)的負荷端，由(6)和(7)構成的串聯(lián)電容器同時并接了串聯(lián)單元逆變橋、并聯(lián)單元逆變橋的兩端，該儲能單元為所述串聯(lián)單元和并聯(lián)單元提供穩(wěn)定的直流電壓。
2.如權利要求1所述的三相電能質量控制器，其特征在于，其中組成并聯(lián)單元和串聯(lián)單元的開關管為絕緣柵雙極性晶閘管、門極可關斷晶閘管、集成門極換向晶閘管中的任何一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種無隔離環(huán)節(jié)的三相統(tǒng)一電能質量控制器，屬于電力設備技術領域，其特征在于，它由三個完全相同的單相控制器組合而成，每個控制器包括并聯(lián)單元，包括一個由兩個開關管組成的逆變橋和一個濾波電感；串聯(lián)單元，包括一個由兩個開關管組成的逆變橋和一個由電容、電感組成的濾波器；儲能單元，由上下兩組直流電容串聯(lián)組成，兩組電容間的引出線作為串并聯(lián)兩單元與電網(wǎng)的公共連接線。本發(fā)明避免了由串并聯(lián)單元共用儲能部分而引起的電容直通、交流短路等故障，所以無需采取隔離措施。各相串聯(lián)單元與電源相串聯(lián)，各相并聯(lián)單元在負荷側結成三角形，各相儲能單元相互獨立。輔之以適當?shù)目刂撇呗裕梢杂行Ы鉀Q各類電能質量問題，又具有結構簡單、成本較低的優(yōu)點。
文檔編號H02J3/16GK1848585SQ200610011810
公開日2006年10月18日 申請日期2006年4月28日 優(yōu)先權日2006年4月28日
發(fā)明者李國杰, 張謝平 申請人:清華大學