專利名稱：電壓擾動補(bǔ)償裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于電能質(zhì)量分析與控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種電壓擾動補(bǔ) 償裝置。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)自動化、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)荷對電能質(zhì)量的要求越來越高。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、限制負(fù)荷短路電流及節(jié)約 電能的多種功能，可極大提高對敏感負(fù)荷的供電可靠性和經(jīng)濟(jì)性。目前國內(nèi)對電壓 暫降等電壓質(zhì)量問題、短路電流限制等尚無理想的解決辦法，本實(shí)用新型將為高新 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
本實(shí)用新型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))多功能電壓擾動補(bǔ)償裝置，是基于絕緣柵雙極晶體管(IGBT)器件和脈寬調(diào) 制(P麗)控制技術(shù)的電力電子裝置，它能夠解決絕大多數(shù)對敏感負(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、電壓波動及長時間過電壓、 欠電壓等。它采用新型儲能元件一超級電容作為儲能設(shè)備，針對不同的敏感設(shè)備， 實(shí)現(xiàn)動態(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, FCL)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。
本實(shí)用新型提出的電壓擾動補(bǔ)償裝置(以下簡稱為UVQC， Unified Voltage Quality Conditioner),由并聯(lián)換流變壓器1、三相全橋P麗變流器2、直流斬波 器及超級電容儲能系統(tǒng)3、單相全橋P畫變流器組4、串聯(lián)注入變壓器組5組成， 如附圖1所示。針對380V三相四線制系統(tǒng)中的運(yùn)行設(shè)備，實(shí)現(xiàn)動態(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，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。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P麗變流器的三個橋臂終端。每個橋臂由上下兩個IGBT 及其反并聯(lián)二極管串聯(lián)而成。三個橋臂上下端點(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，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電容儲能系統(tǒng)。
直流斬波和超級電容儲能系統(tǒng)如附圖4所示，連接在三相全橋P麗變流器輸出 的直流母線之間。圖中所示電容為超級電容儲能系統(tǒng)，由200只超級電容單體串聯(lián) 而成，連接到超級電容的兩只二極管實(shí)現(xiàn)對超級電容的保護(hù)。 一只二極管陽極、陰 極分別接至超級電容負(fù)極、正極；另一只二極管的陽極、陰極分別接至超級電容的 正極、三相全橋P觀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)超級電容充電的降壓斬波控制，低位IGBT實(shí)現(xiàn)超級電容放電的升壓 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，包括三臺單相全橋PWM變流器、對應(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 級電容儲能系統(tǒng)后，連接到三臺單相全橋P麗變流器的直流側(cè)，構(gòu)成共用直流母線。 為了支撐電壓及減小紋波，每臺單相全橋P麗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單相注入變壓器構(gòu)成，如附圖6所示。每臺變壓 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的工作原理簡述如下。
諧波電流在線路阻抗上形成諧波壓降時，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P麗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，三臺單相全橋 P麗變流器根據(jù)控制指令注入對應(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 (動態(tài)電壓恢復(fù)器)的功能。
若系統(tǒng)發(fā)生長時間過電壓、欠電壓時候，UVQC根據(jù)控制要求由三臺單相全橋 PWM變流器注入與系統(tǒng)電壓同相或反相的瞬時電壓，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)能及延長用電設(shè)備壽命的目標(biāo)。 過電壓發(fā)生時，UVQC的補(bǔ)償響應(yīng)會造成直流母線電壓升高。若是短時過電壓或浪涌， 由直流斬波電路對超級電容儲能系統(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，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，UVQC瞬時注入三相與系統(tǒng)各相電壓大小相等、方向 相反的瞬時電壓值，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。 考慮到繼電保護(hù)動作的要求，能夠?qū)VQC的注入電壓進(jìn)行調(diào)整，使得短路發(fā)生時 故障電流數(shù)值滿足繼電保護(hù)動作限值。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。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于針對380V三相四線制系統(tǒng)中的運(yùn)行設(shè)備，可以靈活 實(shí)現(xiàn)動態(tài)電壓恢復(fù)、有源濾波、短路電流限制及節(jié)約電能的多項(xiàng)功能。對于可能出 現(xiàn)的長時間欠電壓或過電壓問題，本實(shí)用新型提供的電壓擾動補(bǔ)償裝置保證了負(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，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；在負(fù)荷 側(cè)發(fā)生短路故障時，本實(shí)用新型提供的電壓擾動補(bǔ)償裝置能夠有效限制短路電流數(shù) 值以保護(hù)線路及其他用電設(shè)備的安全運(yùn)行。


圖l為本實(shí)用新型的電壓擾動補(bǔ)償裝置(UVQC)的電路結(jié)構(gòu)圖。其中，并聯(lián)換 流變壓器l、三相全橋Pmi變流器2、直流斬波器及超級電容儲能系統(tǒng)3、單相全橋 PWM變流器組4、串聯(lián)注入變壓器組5。
圖2為本實(shí)用新型的并聯(lián)換流變壓器示意圖。
圖3為本實(shí)用新型的三相全橋PWM變流器示意圖。
圖4為本實(shí)用新型的直流斬波器及超級電容儲能系統(tǒng)示意圖。
圖5為本實(shí)用新型的單相全橋P麗變流器組示意圖。
圖6為本實(shí)用新型的單相串聯(lián)注入變壓器組示意圖。
具體實(shí)施方式
電壓擾動補(bǔ)償裝置(UVQC)，由并聯(lián)換流變壓器、三相全橋PWM變流器、直流 斬波器及超級電容儲能系統(tǒng)、單相全橋P麵變流器組、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)號為1的部分是并聯(lián)換流變壓器，參見附圖2;標(biāo)號 為2的部分是三相全橋PWM變流器，參見附圖3;標(biāo)號為3的部分是直流斬波器及
超級電容儲能系統(tǒng)，參見附圖4;標(biāo)號為4的部分是單相全橋PWM變流器組，參見 附圖5;標(biāo)號為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P麗變 流器部分。
三相全橋P麗變流器如附圖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變流器的三個橋臂終端。每個橋臂由上下兩個IGBT 及其反并聯(lián)二極管串聯(lián)而成。三個橋臂上下端點(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PWI變流器工作于高頻整 流狀態(tài)下時，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P麗電壓型逆變器，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電容儲能系統(tǒng)。
直流斬波和超級電容儲能系統(tǒng)如附圖4所示，連接在三相全橋P麗變流器輸出 的直流母線之間。圖中所示電容為超級電容儲能系統(tǒng)，由上百只超級電容單體串聯(lián) 而成，連接到超級電容的兩只二極管實(shí)現(xiàn)對超級電容的保護(hù)。 一只二極管陽極、陰 極分別接至超級電容負(fù)極、正極；另一只二極管的陽極、陰極分別接至超級電容的 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)超級電容充電的降壓斬波控制，低位IGBT實(shí)現(xiàn)超級電容放電的升壓 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，包括三臺單相全橋PWM變流器、對應(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 級電容儲能系統(tǒng)后，連接到三臺單相全橋P^f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P麗變流器分別由兩個橋臂、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單相注入變壓器構(gòu)成，如附圖6所示。每臺變壓 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、一種電壓擾動補(bǔ)償裝置，其特征在于由并聯(lián)換流變壓器(1)、三相全橋PWM變流器(2)、直流斬波器及超級電容儲能系統(tǒng)(3)、單相全橋PWM變流器組(4)、串聯(lián)注入變壓器組(5)組成。
2、 按照權(quán)利要求1所述的電壓擾動補(bǔ)償裝置，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，原邊、副邊分別為星形和三角形接線，連接組為Y/D-11，原邊、 副邊額定線電壓均為400V,額定頻率50Hz。
3、 按照權(quán)利要求1所述的電壓擾動補(bǔ)償裝置，其特征在于所述的三相全橋PWM變 流器具有三個橋臂，每個橋臂由上下兩個IGBT及其反并聯(lián)二極管串聯(lián)而成，三個橋臂上 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。
4、 按照權(quán)利要求1所述的電壓擾動補(bǔ)償裝置，其特征在于所述的直流斬波和超級 電容儲能系統(tǒng)中的儲能系統(tǒng)，由200只超級電容單體串聯(lián)而成； 一只二極管陽極、陰極分 別接至超級電容系統(tǒng)的負(fù)極、正極；另一只二極管的陽極、陰極分別接至超級電容的正極 和三相全橋P麵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，兩只二極 管分別與IGBT反向并聯(lián)；連接到超級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l所述的電壓擾動補(bǔ)償裝置，其特征在于所述的單相全橋P^1變流 器組包括三臺單相全橋P麗變流器、對應(yīng)的直流電容和濾波電路，三臺單相全橋P麗變流 器的直流側(cè)共用了直流母線，每臺單相全橋P麗變流器的直流母線間連接有直流電容器， 單相全橋P麗變流器分別由兩個橋臂、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P麗變流器的兩個橋臂終端連接到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所述的電壓擾動補(bǔ)償裝置，其特征在于所述的單相串聯(lián)注入變 壓器組由三臺單相注入變壓器構(gòu)成，每臺變壓器均為單相雙繞組結(jié)構(gòu)，原邊、副邊額定電 壓400V，工作頻率50 1000Hz。
專利摘要一種電壓擾動補(bǔ)償裝置，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)直流斬波器及超級電容儲能系統(tǒng)；(4)單相全橋PWM變流器組；(5)串聯(lián)注入變壓器組組成。優(yōu)點(diǎn)在于針對380V三相四線制系統(tǒng)中的運(yùn)行設(shè)備，可以靈活實(shí)現(xiàn)動態(tài)電壓恢復(fù)、有源濾波、短路電流限制及節(jié)約電能的多項(xiàng)功能。對于可能出現(xiàn)的長時間欠電壓或過電壓問題，提供的電壓擾動補(bǔ)償裝置保證了負(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，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，節(jié)約電能；在負(fù)荷側(cè)發(fā)生短路故障時，提供的電壓擾動補(bǔ)償裝置能夠有效限制短路電流數(shù)值以保護(hù)線路及其他用電設(shè)備的安全運(yùn)行。
文檔編號H02J3/00GK201178308SQ20082008018
公開日2009年1月7日 申請日期2008年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月25日
發(fā)明者宋祺鵬, 尹忠東, 朱燕舞, 肖湘寧, 薛金會 申請人:華北電力大學(xué)