專利名稱：超級電容儲能型電能質(zhì)量補償器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電能質(zhì)量治理中的用戶電力技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種超級電容儲能 型電能質(zhì)量補償器。
背景技術(shù)：
電能質(zhì)量從技術(shù)層面上講包含電壓質(zhì)量和電流質(zhì)量兩個方面。電壓質(zhì)量是指實際 電壓與理想電壓間的偏差，反映供電企業(yè)向用戶供給的電力是否合格，其包括電壓凸升、電 壓凹陷、電壓波動、三相不平衡和電壓中斷等；電流質(zhì)量指對用戶取用電流提出恒頻率、正 弦波形要求，并使電流波形與供電電壓同相位，以保證系統(tǒng)以高功率因數(shù)供電。電流質(zhì)量問 題包括諧波、無功電流和三相電流不平衡等。電能質(zhì)量問題實際上使供、用電系統(tǒng)偏離理想 的、正常的供、用電狀態(tài)，因此，電能質(zhì)量問題會給供、用電系統(tǒng)帶來很多危害，具體表現(xiàn)在 以下方面電壓質(zhì)量問題，特別是短時電壓中斷會對設(shè)備的正常工作產(chǎn)生影響或損壞，甚至 造成生產(chǎn)線的巨大損失、計算機的硬件損壞或?qū)е掠嬎銠C的計算錯誤和數(shù)據(jù)丟失，影響如 銀行結(jié)算中心、證券交易系統(tǒng)、電信和移動電話通信系統(tǒng)、航空管理系統(tǒng)、公路和鐵道調(diào)度 以及售票系統(tǒng)等的正常運行；諧波會增加公用電網(wǎng)的附加輸電損耗，降低發(fā)電、輸電設(shè)備的 利用率，甚至會嚴重影響用電設(shè)備的正常工作，瞬時的諧波高壓還可能損壞其它一些對過 電壓敏感的電子設(shè)備。此外，諧波還引起某些繼電器、接觸器的誤動作，使得常規(guī)電氣儀表 測量不準確，對周圍的環(huán)境產(chǎn)生電磁干擾，影響通信、電話等設(shè)備的正常工作，也容易使電 網(wǎng)產(chǎn)生局部的并聯(lián)或串聯(lián)諧振，而諧振導(dǎo)致的諧波放大效應(yīng)又進一步惡化和加劇了所有前 述問題；無功電流在電網(wǎng)中流動的危害主要體現(xiàn)在降低發(fā)電、輸電設(shè)備的利用率，增加線路 損耗上。為了保證用戶的供電質(zhì)量，一方面要加強輸電系統(tǒng)的輸送能力和運行安全性，保 證對配電系統(tǒng)的供電可靠性，另一方面應(yīng)抑制或消除各種包括來自系統(tǒng)側(cè)的和用戶側(cè)的干 擾，避免對電能質(zhì)量的污染。早期的穩(wěn)壓電源，無源濾波裝置，自啟動電源等，能夠穩(wěn)定電 壓，濾除電網(wǎng)或負載側(cè)的諧波，可以提高供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，但隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨 復(fù)雜，各種敏感負荷的使用，這些裝置已不能解決日益復(fù)雜的電能質(zhì)量問題，人們不得不 尋找其它解決方法，典型的也是目前研究的最多的是基于電力電子技術(shù)的用戶電力技術(shù) (Custom Power)，該技術(shù)由美國EPRI于1992年提出，又稱為定制電力技術(shù)，即把大功率電 力電子技術(shù)和配電自動化技術(shù)綜合起來，以用戶對供電可靠性和電能質(zhì)量要求為依據(jù)，面 向低壓配電系統(tǒng)，主要解決供電的可靠性和電能質(zhì)量控制問題，如消除電壓的波動、跌落、 上升、閃變、不對稱、電能的中斷、諧波及無功等，為用戶配置所需要的電力，使得電力用戶 獲得滿意的供電品質(zhì)，保證電力用戶的供電可靠性。其中最有代表及最具影響的有不間斷 電源(UPS)，晶閘管開關(guān)阻抗型動態(tài)無功補償裝置(SVC)，靜止無功發(fā)生器(SVG)，配電型靜 止同步補償器(DSTATC0M)，有源電力濾波器(APF)，動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器(DVR)，蓄電池儲能系 統(tǒng)(BESS)，超導(dǎo)磁能存儲系統(tǒng)(SMES)，統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器(UPQC)，分布式發(fā)電系統(tǒng)(DG)等。
自1976年Gyugyi L.等提出有源電力濾波器概念以來，隨著大功率高頻電力電子 技術(shù)的發(fā)展，有源電力濾波器技術(shù)的研究不斷得到加強?，F(xiàn)在該技術(shù)正從實驗室走向工業(yè) 應(yīng)用，國外一些著名大公司都有一些有源電力濾波裝置的實際產(chǎn)品，但其技術(shù)研究始終在 不斷地進行著。DVR和DSTATC0M的研究都與有源電力濾波器的研究幾乎是同步的。APF、 DSTATCOM、DVR等在美國、日本、德國等發(fā)達國家已開始形成系列化，產(chǎn)品進入了實用階段。 尤其在日本，已有500多臺APF應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，容量范圍為50KVA 60MVA，其中大容量的 多用于電弧爐和電氣化鐵路中，國外制造這些產(chǎn)品的著名公司如ABB，日本三菱公司，德國 西門子公司，美國西屋公司，GE，以色列Elspec公司等。國內(nèi)方面，由清華大學與河南省電 力局簽定了合作研制的中國首臺20MVA IOKV STATC0M于1999年3月在河南省洛陽變電站 投入運行，該項目在2000年6月通過由中國電力部組織的鑒定；這標志著我國繼美日德之 后已成為世界上第4個擁有此項高新技術(shù)的自主知識產(chǎn)權(quán)國家。在配電系統(tǒng)中對大容量的UPS的研究也是在不斷地進行著，經(jīng)歷了后備式、互動在線式、雙變換在線式UPS后，1995年由美國APC Silcon首先提出的雙逆變電壓補償在線 式UPS更是把UPS的研究與Cuspow技術(shù)緊密地結(jié)合在一起。另外，開展新能源在Cuspow 技術(shù)中的應(yīng)用也在進行之中。綜上所述，基于電力電子技術(shù)的Cuspow控制設(shè)備主電路和實 現(xiàn)功能具有較大的包容性。目前統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(UPQC)作為一種電能質(zhì)量綜合調(diào)節(jié)裝置，以電力電子 技術(shù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)畸變波形的補償、動態(tài)電壓恢復(fù)，實現(xiàn)用戶靈活供電，屬于用戶電力技術(shù) 的重要研究方向之一。UPQC改變了電能質(zhì)量治理中傳統(tǒng)電壓或電流波形分別補償方法，整 體適應(yīng)系統(tǒng)電流和電壓的補償要求，具有較遠的發(fā)展前景，但是目前UPQC直流母線兩端一 般并接普通電容器，隨著充放電次數(shù)的增多，電容器壽命會很快縮短。此外，因普通電容器 儲能量小，難以起到UPS的作用。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是提高配電系統(tǒng)中電能質(zhì)量，即防止因電網(wǎng)電源出現(xiàn)的電壓波動、凸 升、凹陷、閃變、電壓短時中斷對負載端電壓造成影響、抑制非線性負載產(chǎn)生的諧波電流以 及進行無功補償，提高電網(wǎng)功率因數(shù)，使得電力用戶獲得滿意的供電品質(zhì)，保證電力用戶的 供電可靠性，提供一種超級電容儲能型電能質(zhì)量補償器。本發(fā)明提供的超級電容儲能型電能質(zhì)量補償器包括并聯(lián)補償器與電網(wǎng)電源并聯(lián)連接，由并聯(lián)變流器(PVSI)、第一濾波電感(L1)和 第一濾波電容(C1)組成，用于產(chǎn)生電流補償量。其中并聯(lián)變流器三相交流側(cè)依次經(jīng)第一濾 波電感、第五接觸器的常開觸點(K5)和第一濾波電容串聯(lián)后并接于電網(wǎng)電源三相進線端， 直流側(cè)接直流母線。該電能質(zhì)量補償器還包括串聯(lián)補償器由串聯(lián)變流器(SVSI)、第二濾波電感(L2)和第二濾波電容(C2)組 成，用于產(chǎn)生電壓補償量。其中串聯(lián)變流器交流側(cè)經(jīng)第二濾波電感和第二濾波電容后接至 補償變壓器(Ts)原邊，直流側(cè)與直流母線并聯(lián)。所述的串、并聯(lián)變流器直流側(cè)共用直流母線，且所述串、并聯(lián)變流器皆為由六組絕 緣柵雙極型晶體管(IGBT)反并聯(lián)二極管模塊構(gòu)成的三相全控橋，采用高頻PWM控制技術(shù)， 具有雙向四象限工作特性；
補償變壓器采用三個獨立的單相變壓器或采用三相耦合的三相變壓器，串接于交流電網(wǎng)電源和非線性負載之間，采用星型接法，用于將串聯(lián)補償器輸出的補償電壓按所 選變壓器變比疊加到電網(wǎng)電源電壓上；超級電容器組(Cs)作為能量存儲裝置，經(jīng)限流電路和雙向DC/DC斬波電路后與 直流母線并聯(lián)連接，用于調(diào)節(jié)有功功率；雙向DC/DC斬波電路由兩個絕緣柵雙極型晶體管反并聯(lián)二極管構(gòu)成的模塊、儲 能電感(L)和直流母線電容器(Cf)組成，輸入端經(jīng)限流電路接超級電容器組兩端，輸出端 并接于直流母線上，用于超級電容器組端電壓的變換；第一限流電路由并聯(lián)在第一濾波電感(L1)上的第一限流電阻(R1)和第四接觸器 的常開觸點(K4)串聯(lián)組成，用于對直流母線電容器和超級電容器組預(yù)充電開始階段限制 充電電流；第二限流電路由第二限流電阻(Rs)和限流電感(Ls)串聯(lián)后再與第六接觸器的 常開觸點(K6)并聯(lián)組成，用于限制超級電容器組的充電電流和過電壓。信號采樣電路包括信號采集電路和信號調(diào)理電路。信號采集電路又分電壓信號采 集電路和電流信號采集電路兩種，其中電壓信號采集電路采用霍爾電壓傳感器，共8路，電 流信號采集電路采用霍爾電流傳感器，共7路。其中，第一霍爾電壓傳感器(HVSl)經(jīng)第一 輸入電阻(Ril)、第二霍爾電壓傳感器(HVS2)經(jīng)第二輸入電阻(Ri2)、第三霍爾電壓傳感器 (HVS3)經(jīng)第三輸入電阻(Ri3)分別并聯(lián)于電網(wǎng)電源A、B、C相輸出端，用于實時采集三相電網(wǎng) 電源的電壓信號，第四霍爾電壓傳感器(HVS4)經(jīng)第四輸入電阻(Ri4)、第五霍爾電壓傳感器 (HVS5)經(jīng)第五輸入電阻(Ri5)、第六霍爾電壓傳感器(HVS6)經(jīng)第六輸入電阻(Ri6)分別并聯(lián) 于補償變壓器原邊，用于實時采集三相實際補償電壓信號，而第七霍爾電壓傳感器(HVS7) 經(jīng)第七輸入電阻(Ri7)并聯(lián)于直流母線兩端，用于測量直流母線電壓，第八霍爾電壓傳感器 (HVS8)經(jīng)第八輸入電阻(Ri8)并聯(lián)于超級電容器組兩端，用于采集超級電容器組端電壓。第 一、第二、第三霍爾電流傳感器HCS1、HCS2、HCS3分別安裝在三相負載進線端，實時采集負 載電流信號，而第四、第五、第六霍爾電流傳感器HCS4、HCS5、HCS6安裝在并聯(lián)變流器三相 輸出端，用于采集實際補償電流信號，第七霍爾電流傳感器(HCS7)安裝在雙向DC/DC電路 中儲能電感(L)附近，用于采集流過儲能電感(L)的電流。信號調(diào)理電路其輸入端連接信號采集電路的輸出端，輸出接至控制電路中數(shù)字 信號處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，用于將信號采集電路中的霍爾傳感器輸出的范圍為(-5V， +5V)的電壓信號轉(zhuǎn)換為控制芯片DSP可接受的(_3V，+3V)范圍內(nèi)的電壓信號；控制電路以雙DSP為控制核心，工作在主從模式，DSP芯片之間具有數(shù)據(jù)通訊功 能；驅(qū)動電路由專用的IGBT驅(qū)動模塊組成，用于隔離放大PWM信號以驅(qū)動裝置中IGBT 的開通和關(guān)斷；人機界面采用按鈕和液晶顯示器的組合或者采用觸摸屏，用于完成人機信息交 換。優(yōu)選的，本發(fā)明補償器是否投入運行通過控制第一接觸器的常開觸點K1、第二接 觸器的常開觸點K2和第三接觸器的常開觸點K3實現(xiàn)。優(yōu)選的，為安全起見，控制電路和驅(qū)動電路采用不同的開關(guān)電源供電。優(yōu)選的，所述超級電容器組作為直流側(cè)的儲能元件，經(jīng)第二限流電路，通過雙DC/DC斬波電路并聯(lián)于直流母線兩端，其有兩種工作模式充放電模式和功率調(diào)節(jié)模式。此外， 超級電容單體耐壓值一般低于3V，實際應(yīng)用中需要大量電容器串聯(lián)使用以達到可用的電壓 水平，但為節(jié)省占用空間和儲能系統(tǒng)費用，因此采用雙DC/DC變換電路，其中利用boost電 路將超級電容器端電壓進行DC/DC升壓變換來維持直流母線電壓穩(wěn)定，以滿足裝置對直流 母線電壓的補償要求，而當電網(wǎng)提供的有功功率高于負荷需要時，直流母線通過buck電路 進行DC/DC降壓變換后為超級電容器組充電。優(yōu)選的，所述功率調(diào)節(jié)模式是指當檢測到電網(wǎng)電壓出現(xiàn)波動、凸升、凹陷、短時中 斷時，裝置快速吸收或者發(fā)出有功功率，維持系統(tǒng)有功平衡和直流母線電壓恒定。所述充 放電模式是指在裝置最初安裝或檢修后重啟時將超級電容器組充電到預(yù)先設(shè)定的電壓值 VJ，在裝置故障或檢修時將超級電容器組儲存的電能釋放。本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果本發(fā)明公開的超級電容儲能型電能質(zhì)量補償器，利用超級電容的優(yōu)良特性、起功 率調(diào)節(jié)作用，使其具有針對電壓和電流質(zhì)量問題的綜合補償能力，一方面通過動態(tài)電壓補 償功能，防止系統(tǒng)電壓干擾造成敏感負荷工作異常，保證負荷端電壓為額定等級的純正正 弦波，另一方面通過有源濾波，保證進入到電網(wǎng)電流為與電網(wǎng)電壓基波正序成分同相位的 純正正弦波，提高功率因數(shù)，防止負荷諧波電流對電網(wǎng)造成污染?？傊?，無論對于公共電網(wǎng) 還是用戶來說，本發(fā)明都具有積極的推廣應(yīng)用價值。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有效效果1、本發(fā)明利用超級電容器組作為儲能元件，因其具有功率密度大、充電速度高、循 環(huán)壽命長等顯著優(yōu)點，與傳統(tǒng)的UPQC裝置比較，能夠更加方便、快捷、有效地進行電能質(zhì)量 補償，節(jié)省因長期頻繁充放電更換直流母線濾波電容造成的損失。2、利用雙DC/DC直流變換電路對超級電容器組端電壓進行升降壓控制，可以降低 超級電容器組所包含的單體個數(shù)，進而降低裝置成本。3、本發(fā)明不僅能夠進行有源濾波，動態(tài)電壓恢復(fù)和無功補償，還能夠起到一定的 UPS功能，其儲存的能量可以保證負荷在斷電后運行一定時間，提高負荷運行安全性的同 時，為后續(xù)斷電保護處理節(jié)省寶貴時間。

圖1為本發(fā)明提供的超級電容儲能型電能質(zhì)量補償器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明的控制原理圖；
圖3為本發(fā)明中所用霍爾電壓傳感器連接圖；圖4為本發(fā)明中所用霍爾電流傳感器連接圖；圖5為本發(fā)明中所用的信號調(diào)理電路；
具體實施方式為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面結(jié)合附圖和實施方式對本 發(fā)明作進一步的詳細說明。本發(fā)明屬于電能質(zhì)量治理中的用戶電力技術(shù)范疇，對于改善電能質(zhì)量具有積極意 義，首先詳細說明本發(fā)明的組成和功能
圖1為本發(fā)明提供的超級電容儲能型電能質(zhì)量補償器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。參照圖1，本發(fā)明提供的超級電容儲能型電能質(zhì)量補償器，由補償變壓器(Ts)、串 聯(lián)補償器、并聯(lián)補償器、超級電容器組(Cs)、限流電路和雙向DC/DC斬波電路、信號采樣電 路、控制電路、驅(qū)動電路、人機界面以及相應(yīng)輔助電路組成，構(gòu)成三相三線制結(jié)構(gòu)。本發(fā)明中所述補償變壓器采用三個完全相同的獨立的單相變壓器，它串接于交流電網(wǎng)和負載之間，原邊采用星型接法，公共點接至電網(wǎng)電源中線上，其作用是將原邊電壓按 照變比傳遞到副邊。所述串聯(lián)補償器由串聯(lián)變流器(SVSI)、第二濾波電感(L2)和第二濾波電容(C2)組 成，其中串聯(lián)變流器為由六組絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)反并聯(lián)二極管模塊構(gòu)成的三相 全控橋，其交流側(cè)經(jīng)第二濾波電感和第二濾波電容后接至補償變壓器(Ts)原邊，直流側(cè)與 直流母線并聯(lián)，為電壓源型變流器，采用高頻PWM控制技術(shù)，具雙向四象限工作特性，其原 理為在補償過程中，串聯(lián)補償器被控制為受控電壓源，輸出補償電壓V。，使其補償電網(wǎng)電 源電壓波動、凸升、凹陷或短時中斷的影響，使負荷端電壓滿足額定電壓的要求。所述并聯(lián)補償器由并聯(lián)變流器(PVSI)、第一濾波電感(L1)和第一濾波電容(C1)組 成，其中并聯(lián)變流器與串聯(lián)變流器組成結(jié)構(gòu)相同，其交流側(cè)依次經(jīng)第一濾波電感、第五接觸 器的常開觸點(K5)和第一濾波電容串聯(lián)后并接于電網(wǎng)電源三相進線端，直流側(cè)接直流母 線。在工作中并聯(lián)補償器被控制為受控電流源，輸出與負載電流中諧波和無功成分之和大 小相等、方向相反的電流，注入電網(wǎng)后使得電網(wǎng)電流中只含有基波有功成分。所述超級電容器組由多個單體超級電容通過均壓電路串并聯(lián)連接組成，本發(fā)明直 接采用已經(jīng)做好均壓保護的超級電容器組模塊，耐壓值和容量的選擇根據(jù)不用的使用場合 選擇。其經(jīng)第二限流電路和雙向DC/DC斬波電路后與直流母線并聯(lián)連接，作為出現(xiàn)電壓質(zhì) 量問題時起功率調(diào)節(jié)作用的儲能系統(tǒng)，同時，在電網(wǎng)出現(xiàn)短時電壓中斷的情況下，其儲存的 能量供給負載，起不間斷電源(UPS)作用。所述雙向DC/DC斬波電路由兩個絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)反并聯(lián)二極管構(gòu)成 的模塊、儲能電感(L)和直流母線電容器(Cf)組成，作用是在發(fā)生電壓波動、凸升、凹陷或 短時中斷時對超級電容進行充放電以維持直流母線電壓恒定。需要說明的是，CF盡量取大， 其作用有二，一是用于穩(wěn)定直流母線電壓，作為能量交換的介質(zhì)，二是作為雙向DC/DC斬波 電路的平波電容器，使得直流斬波電路輸出近似恒定。第一限流電路由并聯(lián)在第一濾波電感(L1)上的第一限流電阻(R1)和第四接觸 器(KM4)的常開觸點串聯(lián)組成，用于對直流母線電容器和超級電容器組預(yù)充電開始階段限 制充電電流；第二限流電路由第二限流電阻(Rs)和限流電感(Ls)串聯(lián)后再與第六接觸器 的常開觸點(K6)并聯(lián)組成，用于限制超級電容器組的充電電流和過電壓。信號采樣電路包括信號采集電路和信號調(diào)理電路。信號采集電路又分電壓信號采 集電路和電流信號采集電路兩種。參照圖3，電壓信號采集電路采用霍爾電壓傳感器，共8路，其中，第一霍爾電壓傳 感器(HVSl)經(jīng)第一輸入電阻(Ril)、第二霍爾電壓傳感器(HVS2)經(jīng)第二輸入電阻(Ri2)、第 三霍爾電壓傳感器(HVS3)經(jīng)第三輸入電阻(Ri3)分別并聯(lián)于電網(wǎng)電源A、B、C相輸出端，用 于實時采集三相電網(wǎng)電源的電壓信號，第四霍爾電壓傳感器(HVS4)經(jīng)第四輸入電阻(Ri4)、 第五霍爾電壓傳感器(HVS5)經(jīng)第五輸入電阻(Ri5)、第六霍爾電壓傳感器(HVS6)經(jīng)第六輸入電阻(Ri6)分別并聯(lián)于補償變壓器原邊，用于實時采集三相實際補償電壓信號，而第七霍 爾電壓傳感器(HVS7)經(jīng)第七輸入電阻(Ri7)并聯(lián)于直流母線兩端，用于測量直流母線電壓， 第八霍爾電壓傳感器(HVS8)經(jīng)第八輸入電阻(Ri8)并聯(lián)于超級電容器組兩端，用于采集超 級電容器組端電壓。參照圖4，電流信號采集電路由霍爾電流傳感器電路和信號調(diào)理電路組成，共7 路。第一、第二、第三霍爾電流傳感器HCS1、HCS2、HCS3分別安裝在三相負載進線端，實時采 集負載電流信號，而第四、第五、第六霍爾電流傳感器HCS4、HCS5、HCS6安裝在并聯(lián)變流器 三相輸出端，用于采集實際補償電流信號，第七霍爾電流傳感器(HCS7)安裝在雙向DC/DC 電路中儲能電感(L)附近，用于采集流過儲能電感的電流。參照圖5，信號調(diào)理電路用于將信號采集電路輸出的范圍為(-5V，+5V)的電壓信 號轉(zhuǎn)換為控制芯片DSP可接受的(-3V，+3V)范圍內(nèi)的電壓信號，共15路且各路完全相同， 輸入端接信號采集電路，輸出端接數(shù)字信號處理器(DSP)的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(ADC)。除主電路之外，本發(fā)明還包括控制電路、驅(qū)動電路和人機界面，其中控制電路以雙 數(shù)字信號處理器(DSP)為控制核心，工作在主從模式，DSP芯片之間具有數(shù)據(jù)通訊功能；驅(qū) 動電路采用專用的IGBT驅(qū)動模塊，用于隔離放大PWM信號以驅(qū)動裝置中IGBT的開通和關(guān) 斷；人機界面可以采用按鈕和液晶顯示器的組合，也可以采用觸摸屏，完成人機信息交換。需要說明的是，為安全起見，控制電路和驅(qū)動電路采用不同的開關(guān)電源供電。在上述本發(fā)明組成和功能的基礎(chǔ)上，其具體工作過程為圖2為本發(fā)明的控制原理框圖。參照圖2，主DSP負責電壓采樣信號的處理，開關(guān) 量、串聯(lián)側(cè)變流器、雙DC/DC電路的控制，以及與人機界面的通訊；從DSP負責與主DSP的通 訊以及并聯(lián)變流器的控制。下面就預(yù)充電過程、電力有源濾波、動態(tài)電壓恢復(fù)以及直流側(cè)電壓控制，對本發(fā)明 的具體工作過程進行分別說明1)預(yù)充電過程參照圖1，通過控制第一、第二和第三接觸器常開觸點ΚΙ、K2、K3的閉合來控制本 發(fā)明是否投入工作。電網(wǎng)電源主開關(guān)合上后，負載通過Kl接入電網(wǎng)工作，K2、K3均處于斷 開狀態(tài)。裝置啟動前，依次合上裝置主開關(guān)、控制電路開關(guān)、驅(qū)動電路開關(guān)以及輔助風扇開 關(guān)，裝置進入啟動等待狀態(tài)。當裝置通過人機界面接收到啟動信號后，控制電路發(fā)出控制信 號斷開Κ1，閉合Κ2、Κ3、Κ4，裝置進入到預(yù)充電狀態(tài)，通過并聯(lián)側(cè)變流器中的續(xù)流二極管對 直流母線電容和超級電容器組進行預(yù)充電。預(yù)充電過程為Κ4閉合后，DSP封鎖并聯(lián)變流 器中IGBT的觸發(fā)脈沖，三相電網(wǎng)通過并聯(lián)變流器中的續(xù)流二極管整流后，首先對直流母線 電容進行預(yù)充電，當檢測到直流母線電容兩端的電壓升值直流母線電壓穩(wěn)定值的80%時， 控制雙DC/DC中降壓斬波電路中的IGBT(VT13)開通，直流母線通過VT13和儲能電感(L)以 及第二限流電路中的第二限流電阻(Rs)和限流電感(Ls)開始對超級電容器組進行預(yù)充電， 當檢測到其端電壓達到設(shè)定值VsJ時，由控制電路發(fā)出開關(guān)控制信號，關(guān)斷VT13,并斷開K4、 K5，同時K6合閘，切除限流電路。預(yù)充電過程完成后，裝置隨時等待進入補償狀態(tài)。需要說 明的是，以上所述開關(guān)量的控制信號由主DSP的I/O 口發(fā)出。2)電力有源濾波電力有源濾波部分完成指令電流的檢測和補償電流的發(fā)生。指令電流檢測原理為基于瞬時無功功率理論，從負載電流中分離出諧波電流分量和基波無功電流，然后將其 反極性作用后得到補償電流的指令信號。其具體工作過程為本發(fā)明采用七個霍爾電流傳 感器，其管腳連接參照圖4，分別安裝在負荷三相進線端和并聯(lián)補償器三相輸出端，將三相 負荷電流和三相實際補償電流按照霍爾線圈比轉(zhuǎn)換為小電流信號，然后經(jīng)過采樣電阻被轉(zhuǎn) 換為(_5V，5V)之間的電壓信號。每個霍爾電流傳感器的信號輸出端與控制板上一路信號 調(diào)理電路相連，將(_5V，5V)之間的電壓信號調(diào)理為DSP所接受的邏輯電平，具體電路如圖 5。參照圖2，DSP再通過內(nèi)部的ADC模塊進行AD轉(zhuǎn)換后便得到所對應(yīng)的參數(shù)數(shù)字量，然后 反運算出采集電流的實際大小，最后根據(jù)瞬時無功功率理論中的同步坐標變換的方法，將 負荷電流中的基波正序有功成分提取出來，該成分與三相負荷電流作差便得到諧波電流、 基波正序無功電流和基波負序電流的總和，即電流補償指令I(lǐng)。k*(k = a,b, c)。需要說明的 是，為實現(xiàn)無功補償，即令電流基波正序有功分量與電網(wǎng)電壓的基波分量相位相同，根據(jù)同 步坐標變換的要求，需要提取三相電網(wǎng)電壓A相電壓的相位，這可通過對電網(wǎng)電壓的信號 采樣值進行鎖相處理來完成。補償電流的發(fā)生是指通過對并聯(lián)補償器的控制，使得其輸出 與指令電流大小相等的電流以補償負荷電流中的諧波、負序和無功分量，也即實現(xiàn)電流的 跟蹤控制。其工作過程為DSP根據(jù)電流指令運算的結(jié)果，按照軟件所采用的控制策略，計 算出控制并聯(lián)補償器中IGBT的六路PWM觸發(fā)信號，并由事件管理器EVA模塊發(fā)出，此觸發(fā) 脈沖經(jīng)驅(qū)動電路后作用于并聯(lián)補償器中的IGBT，使其輸出的補償電流快速跟蹤指令電流， 并保證系統(tǒng)頻率特性不變。這樣電源電流中只含有基波正序有功分量，從而達到消除諧波 和無功補償目的。3)動態(tài)電壓補償串聯(lián)補償器通過補償變壓器串聯(lián)在電網(wǎng)和負荷之間，起動態(tài)電壓恢復(fù)作用，保證 負荷電壓為恒定的額定電壓。其工作過程為參照圖3，各霍爾電壓傳感器輸入端和高精度 的輸入電阻組成串聯(lián)支路，并接在被測電路兩端，將被測電壓按照霍爾線圈比轉(zhuǎn)換為小電 流信號，然后經(jīng)過采樣電阻被轉(zhuǎn)換為(_5V，5V)之間的電壓信號。每個霍爾電壓傳感器的信 號輸出端同樣與控制板上一路信號調(diào)理電路相連，將(_5V，5V)之間的電壓信號調(diào)理為DSP 所接受的電平。信號調(diào)理電路輸出的模擬測量值經(jīng)DSP內(nèi)部ADC模塊進行AD轉(zhuǎn)換再反運 算出所采集電壓的實際大小。本發(fā)明中，當檢測到電網(wǎng)電壓幅值滿足負載運行條件時，認為 配電系統(tǒng)正常供電情況，此時動態(tài)電壓補償部分工作在備用狀態(tài)，其損耗相當?shù)?。一旦檢測 到電網(wǎng)電壓有效值發(fā)生變化即電壓發(fā)生波動、凸升、凹陷或者短時中斷故障，DSP內(nèi)部根據(jù) 采樣實際值計算出其與負荷額定電壓間的電壓差，即補償電壓指令U。k*(k = a, b，c)，然后 按照一定的控制策略，計算出控制串聯(lián)補償器中VT1 VT6的六路PWM觸發(fā)信號，并由事件 管理器EVA模塊發(fā)出，此觸發(fā)脈沖經(jīng)驅(qū)動電路后作用于串聯(lián)變流器中的IGBT，串聯(lián)補償器 立即通過補償變壓器向系統(tǒng)注入幅值和相角均可控制的補償電壓，用以補償故障下的電壓 差，使負荷端電壓迅速恢復(fù)正常。 4)直流母線電壓穩(wěn)定性控制 直流母線電壓的穩(wěn)定通過超級電容器組的功率調(diào)節(jié)來實現(xiàn)。雙向DC/DC變換器是 二階電路，有兩個狀態(tài)變量——超級電容器組(Cs)的電壓和儲能電感(L)的電流。根據(jù)最 優(yōu)控制理論，實現(xiàn)全狀態(tài)反饋的系統(tǒng)是最優(yōu)控制系統(tǒng)。因此，本發(fā)明采用具兩種反饋信號的 雙閉環(huán)控制策略。直流母線電壓的控制采用電壓、電流雙閉環(huán)串級控制結(jié)構(gòu)，電壓外環(huán)控制直流母線電壓保持不變，電流內(nèi)環(huán)控制超級電容器充放電電流的動態(tài)變化，避免超級電 容器充放電電流超過限制。對于電壓環(huán)，當系統(tǒng)受到某種擾動，無論是電壓變化還是其他擾 動，都必須反映到輸出端，使輸出電壓變化后，電壓環(huán)才起作用，雖然調(diào)節(jié)滯后，但卻保證了 電網(wǎng)電壓在規(guī)定范圍內(nèi)波動。電流環(huán)動態(tài)特性好，響應(yīng)速度快，可有效地消除由電容，電感 等元件引起的擾動。確定直流母線電壓參考值為Udc*,則電壓給定U:與電壓反饋Udc (由直流母線電壓信號采樣電路完成)進行比較，得到的電壓誤差A(yù)Utk經(jīng)電壓PI調(diào)節(jié)器輸出作為電流給定 IL% Il*與電流反饋込進行比較，得到的電流誤差Δ Il經(jīng)電流PI調(diào)節(jié)器，通過運算得到驅(qū)動 雙向DC/DC變換器中IGBT的占空比，最后由主DSP內(nèi)部的EVB發(fā)出兩路PWM控制信號。當直流母線電壓下降時即需要裝置進行有功補償調(diào)節(jié)時，通過VT14構(gòu)成的升壓斬 波(Boost)電路將超級電容器組端電壓升至需要的直流母線電壓，提供所需有功，以維持 直流母線電壓值Udc*穩(wěn)定，此時VT7 VT12作為PWM逆變器工作；而當直流母線電壓上升時， 即系統(tǒng)向直流母線傳遞有功時，通過冗13構(gòu)成的降壓斬波(Buck)電路向超級電容器組充 電，VT7 VT12作為PWM整流器工作。需要說明的是，本發(fā)明工作過程中，超級電容器組兩端的信號采樣電路始終檢測 超級電容器組兩端電壓，一旦檢測到端電壓超出電壓最高允許值Vsanax，則控制斷開第六接 觸器的常開觸點(K6)，接入第二限流電路，起到過電壓保護的作用。綜上所述，本發(fā)明公開的超級電容儲能型電能質(zhì)量補償器，利用超級電容器的優(yōu) 良特性、起功率調(diào)節(jié)作用，使其具有針對電壓和電流質(zhì)量問題的綜合補償能力，一方面通過 動態(tài)電壓補償功能，防止系統(tǒng)電壓干擾造成敏感負荷工作異常，保證負荷端電壓為額定等 級的純正正弦波，另一方面通過有源濾波，保證進入到電網(wǎng)電流為與電網(wǎng)電壓基波正序成 分同相位的純正正弦波，提高功率因數(shù)，防止負荷諧波電流對電網(wǎng)造成污染?？傊?，無論對 于公共電網(wǎng)還是用戶來說，本發(fā)明都具有積極的推廣應(yīng)用價值。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
一種超級電容儲能型電能質(zhì)量補償器，該電能質(zhì)量補償器包括并聯(lián)補償器與電網(wǎng)電源并聯(lián)連接，由并聯(lián)變流器(PVSI)、第一濾波電感(L1)和第一濾波電容(C1)組成，用于產(chǎn)生電流補償量，其中并聯(lián)變流器三相交流側(cè)依次經(jīng)第一濾波電感、第五接觸器的常開觸點(K5)和第一濾波電容串聯(lián)后并接于電網(wǎng)電源三相進線端，直流側(cè)接直流母線；其特征在于該電能質(zhì)量補償器還包括串聯(lián)補償器由串聯(lián)變流器(SVSI)、第二濾波電感(L2)和第二濾波電容(C2)組成，用于產(chǎn)生電壓補償量；其中串聯(lián)變流器交流側(cè)經(jīng)第二濾波電感和第二濾波電容后接至補償變壓器(TS)原邊，直流側(cè)與直流母線并聯(lián)；所述的串、并聯(lián)變流器直流側(cè)共用直流母線，且所述串、并聯(lián)變流器皆為由六組絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)反并聯(lián)二極管模塊構(gòu)成的三相全控橋，采用高頻PWM控制技術(shù)，具有雙向四象限工作特性；補償變壓器采用三個獨立的單相變壓器或采用三相耦合的三相變壓器，串接于交流電網(wǎng)電源和非線性負載之間，副邊采用星型接法，用于將串聯(lián)補償器輸出的補償電壓按其變比疊加到電網(wǎng)電源電壓上；超級電容器組(CS)作為能量存儲裝置，經(jīng)第二限流電路和雙向DC/DC斬波電路后與直流母線并聯(lián)連接，用于調(diào)節(jié)有功功率；雙向DC/DC斬波電路由兩個絕緣柵雙極型晶體管反并聯(lián)二極管構(gòu)成的模塊、儲能電感(L)和直流母線電容器(CF)組成，輸入端經(jīng)第二限流電路接超級電容器組兩端，輸出端并接于直流母線上，用于超級電容器組端電壓的變換；第一限流電路由并聯(lián)在第一濾波電感(L1)上的第一限流電阻(R1)和第四接觸器的常開觸點(K4)串聯(lián)組成，用于對直流母線電容器和超級電容器組預(yù)充電開始階段限制充電電流；第二限流電路由第二限流電阻(RS)和限流電感(LS)串聯(lián)后再與第六接觸器的常開觸點(K6)并聯(lián)組成，用于限制超級電容器組的充電電流和過電壓；信號采樣電路包括信號采集電路和信號調(diào)理電路，其中，信號采集電路分電壓信號采集電路和電流信號采集電路，用于將被測電壓或電流信號轉(zhuǎn)換為(-5V，+5V)之間的電壓信號；信號調(diào)理電路用于將信號采集電路中的霍爾傳感器輸出的范圍為(-5V，+5V)的電壓信號轉(zhuǎn)換為控制芯片DSP可接受的(-3V，+3V)范圍內(nèi)的電壓信號；控制電路以雙DSP為控制核心，工作在主從模式，DSP芯片之間具有數(shù)據(jù)通訊功能；驅(qū)動電路由專用的IGBT驅(qū)動模塊組成，用于隔離放大PWM信號以驅(qū)動裝置中IGBT的開通和關(guān)斷；人機界面采用按鈕和液晶顯示器的組合或者采用觸摸屏，用于完成人機信息交換。
2.如權(quán)利要求1所述的超級電容儲能型電能質(zhì)量補償器，其特征在于，所述的電壓信號采集電路采用霍爾電壓傳感器，共8路，其中，第一霍爾電壓傳感器 (HVSl)經(jīng)第一輸入電阻(Ril)、第二霍爾電壓傳感器(HVS2)經(jīng)第二輸入電阻(Ri2)、第三霍 爾電壓傳感器(HVS3)經(jīng)第三輸入電阻(Ri3)分別并聯(lián)于電網(wǎng)電源A、B、C相輸出端，用于實 時采集三相電網(wǎng)電源的電壓信號，第四霍爾電壓傳感器(HVS4)經(jīng)第四輸入電阻(Ri4)、第五 霍爾電壓傳感器(HVS5)經(jīng)第五輸入電阻(Ri5)、第六霍爾電壓傳感器(HVS6)經(jīng)第六輸入電 阻(Ri6)分別并聯(lián)于補償變壓器原邊，用于實時采集三相實際補償電壓信號，而第七霍爾電壓傳感器(HVS7)經(jīng)第七輸入電阻(Ri7)并聯(lián)于直流母線兩端，用于測量直流母線電壓，第八 霍爾電壓傳感器(HVS8)經(jīng)第八輸入電阻(Ri8)并聯(lián)于超級電容器組兩端，用于采集超級電 容器組端電壓；所述的電流信號采集電路采用霍爾電流傳感器，共7路，其中，第一霍爾電流傳感器 (HCSl)、第二霍爾電流傳感器(HCS2)、第三霍爾電流傳感器(HCS3)分別安裝在三相負載 進線端，實時采集負載電流信號，而第四霍爾電流傳感器(HCS4)、第五霍爾電流傳感器 (HCS5)、第六霍爾電流傳感器(HCS6)安裝在并聯(lián)變流器三相輸出端，用于采集實際補償電 流信號，第七霍爾電流傳感器(HCS7)安裝在雙向DC/DC電路中儲能電感(L)附近，用于采 集流過儲能電感(L)的電流。
3.如權(quán)利要求1或2所述的超級電容儲能型電能質(zhì)量補償器，其特征在于，在并聯(lián)補 償器與電網(wǎng)電源之間的線路上設(shè)置有第二接觸器的常開觸點(K2)，在串聯(lián)補償器與負載之 間的線路上設(shè)置有第三接觸器的常開觸點(K3)，同時，在電網(wǎng)電源與負載之間的傳輸線路 中設(shè)置一個帶有第一接觸器的常開觸點(Kl)的控制旁路，通過控制第一接觸器的常開觸 點(Kl)、第二接觸器的常開觸點(K2)和第三接觸器的常開觸點(K3)的開啟與關(guān)閉控制超 級電容儲能型電能質(zhì)量補償器是否投入運行。
全文摘要
一種超級電容儲能型電能質(zhì)量補償器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括補償變壓器、串聯(lián)補償器、并聯(lián)補償器、超級電容器組、限流電路、雙向DC/DC斬波電路、信號采樣電路、控制電路、驅(qū)動電路、人機界面以及相應(yīng)輔助電路，形成三相三線制拓撲結(jié)構(gòu)。本發(fā)明利用超級電容器功率密度大、充放電速度快和循環(huán)壽命長的優(yōu)良特性，與雙向DC/DC電路配合構(gòu)成儲能控制系統(tǒng)，在工作中起功率調(diào)節(jié)作用，穩(wěn)定直流母線電壓；本發(fā)明兼具動態(tài)電壓恢復(fù)、有源濾波和無功補償?shù)墓δ?，能夠保證負載得到額定、正弦電壓，電網(wǎng)電流為與電壓基波正序有功分量同向(單位功率因數(shù))的正弦電流，綜合提高電能質(zhì)量。無論對于公共電網(wǎng)還是用戶來說，都具有積極的推廣應(yīng)用價值。
文檔編號H02J3/18GK101807799SQ20101015620
公開日2010年8月18日 申請日期2010年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月27日
發(fā)明者萬健如, 周海亮, 姚澤華, 阮慶軍 申請人:天津大學