專利名稱：串聯型電能質量控制器的制作方法
技術領域：
本發明屬于電力系統電力電子技術，更具體地涉及電力系統中交流供電和交流受電之間的控制裝置，特別是涉及串聯型電能質量控制裝置。
背景技術：
隨著現代科學技術的發展，電力用戶對電能質量要求也在不斷的提高。對于鋼鐵、化工、冶金、鐵路及機械制造等現代企業來說，廣泛使用的先進技術使得供電系統故障或電能質量惡化可能會帶來毀滅性的影響。電壓波動、閃變、三相不平衡等日趨嚴重，這些對電網的不利影響不僅會導致供用電設備本身的安全性降低，而且會嚴重削弱和干擾電網的經濟運行。由于供電系統中增加了大量的非線性負載，會引起電網電流、電壓波形發生畸變，造成電網的“污染”；由于負荷擾動、電力系統故障引起的電壓波動、瞬間跌落等電能質量問題也很常見。對于用戶關心的電壓質量問題，IEEE等一些專業機構推薦使用以下一些術語來描述電壓驟降(Sag)短時間內電壓幅值降低；電壓驟升(Swell)和電壓驟降相對應的電壓升高超過標稱電壓至1.1-1.8p.u的過程；供電中斷(Interrupt)有時候也將短時間的供電中斷稱為(Outage)，發生供電中斷時，系統電壓下降到0.01p.u以下；電壓波動(Fluctuation)即電壓方均根值一系列的變動或連續的改變；閃變(Flick)即燈光照度不穩定造成的視感，是由波動負荷，如電弧爐、軋機、電弧焊機等引起的。
另外還有諧波(Harmonics)、電壓不平衡(Voltage Unbalanced)、過電壓(Overvoltage)和欠電壓(Undervoltage)等。
電壓質量問題不僅會影響電力用戶，而且會向輸配電系統滲透，導致供用電設備本身的安全性降低，嚴重削弱和干擾電網的經濟運行。針對這些問題，國家技術監督局相繼頒布了涉及電能質量5個方面的國家標準，即供電電壓允許偏差，供電電壓允許波動和閃變，供電三相電壓允許不平衡度，公用電網諧波，以及供電頻率允許偏差。這些標準的制定和頒布執行都表明近年來電能質量問題越來越受到用戶和供電部門的重視。這也要求電力用戶采取措施改善配電網電能質量。上述這些電壓質量問題，對于要求精密控制的現代工業系統以及對電壓敏感的電力用戶而言，其破壞性將造成巨大的損失，因此，采取補償措施對于這些電力用戶而言是必要的。而現在普遍采用不間斷電源(UPS)來維護電能的質量和穩定。但是傳統UPS是完全在線式，效率低，需要保養空濾，清潔端子，注水，測試等；對外界環境要求比較高，要求空調等，適應性差。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術中存在的缺陷，提出一種能夠解決電壓驟降、電壓驟升、供電中斷、電壓波動、電壓閃變、電壓諧波、電壓不平衡、過電壓和欠電壓等電能質量問題的串聯型電能質量控制器。
為實現以上目的，本發明的一種串聯型電能質量控制器采用以下技術方案來實現，所述的一種串聯型電能質量控制器包括電能質量檢測單元，該單元與系統電源和控制單元連接，用于檢測供電系統影響電能質量的電壓參數的變化，獲取用戶負荷的實際電壓參數，并將這些關鍵電壓參數變成電信號，傳遞給控制單元，由控制單元來判斷所述的串聯型電能質量控制器如何動作；控制單元，所述的控制單元包括模擬控制部分和數字控制部分，用于判斷供電系統以及用戶負荷電能質量是否合乎要求，計算供電系統實際電壓和額定電壓的誤差，并且產生交流補償電壓大小的控制信號給控制補償電壓發生器；補償電壓發生器，該補償電壓發生器與控制單元、直流單元、接入單元連接，用于根據控制單元產生的補償電壓大小的信號，將所述的直流單元提供的直流電源變換為交流電壓，并對其進行濾波，產生補償交流電壓；直流單元，該單元與補償電壓發生器單元連接，用于對補償電壓發生器單元提供直流電源；接入單元，用于將補償電壓發生器串聯接入在系統電源及敏感負荷之間，使得所述的串聯型電能質量控制器在接入或者退出系統時，可以保證對負荷的持續不間斷供電，實現平滑無沖擊的供電切換；保護單元，該單元與控制單元連接，用于對大功率電力電子裝置及開關器件的過電壓保護、過電流保護、諧波保護、沖擊過電壓保護。
所述的控制單元包括模擬控制部分和數字控制部分，其中所述的模擬控制部分負責本發明的各種工作狀態，以及人機界面；所述的數字控制部分由以數字信號處理器DSP為核心的計算檢測單元和以高性能16位單片機為核心構成的外設控制單元構成，其中DSP用于采集、計算和輸出參考電壓電流數據；單片機用于對本發明裝置外部的信號、顯示和操作進行處理，兩個單元通過雙口RAM進行數據交互，數字控制部分用于計算供電系統實際電壓和額定電壓的之差，并產生相應于補償電壓大小的信號。
所述的接入單元是由三個空氣開關組成。
所述的補償電壓發生器包括基于大功率電力電子逆變器和交流濾波器，所述的大功率電力電子逆變器，是通過電力電子器件(如IGBT)以很高的頻率開通和關斷，使直流電壓變成脈寬調制波形(PWM)，再經由交流濾波器濾除高頻諧波得到所需交流電壓，其開通和關斷由控制單元來控制。所述的交流濾波器一般由數個交流電感和交流電容構成，用于對逆變器產生的脈寬調制波形(PWM)進行濾波，濾除其由于高速開通和關斷而帶來的高頻諧波，得到所需交流正弦電壓。
所述的直流單元包括直流電源、儲能單元和濾波元件，所述的直流電源用于為補償電壓發生器提供直流電源；所述儲能單元是電容器，用于根據控制單元的信號，給補償電壓發生器單元提供或者吸收其能量；所述的濾波元件是電感器和電容器組成，用于對儲能單元提供的直流電源進行濾波，為補償電壓發生器單元提供波形較好的直流電源。
本發明的是串聯型電能質量控制器(DVR)能夠使當系統發生持續時間為十幾個周波的電壓跌落時，裝置維持負荷側電壓基本恒定為系統側額定電壓，取得了很好的補償效果。對于持續穩態電壓跌落，也能取得類似的補償效果。本發明的一種串聯型電能質量控制器(DVR)與現存的UPS相比較在可靠性和效率上更高，傳統UPS是完全在線式，效率約為90-93％；而DVR在運行中只補償電壓跌落部分，效率可達98％以上，而且更易維護。
圖1是串聯型電能質量控制器(DVR)的工作原理圖。
圖2是串聯型電能質量控制器(DVR)單相原理結構圖。
圖3是串聯型電能質量控制器(DVR)控制單元數字部分硬件結構示意圖。
圖4-1是串聯型電能質量控制器(DVR)采用電感電容直接串聯接入的單相電路運行方式示意圖。
圖4-2是串聯型電能質量控制器(DVR)采用變壓器串聯接入方式單相電路運行方式示意圖。
圖5是串聯型電能質量控制器(DVR)的補償電壓發生器中的逆變器可以采用的多種結構示意圖。
圖6是串聯型電能質量控制器(DVR)的補償效果示意圖。
具體實施例方式圖1是串聯型電能質量控制器(DVR)的工作原理圖。如圖1所示，圖1的上部是串聯型電能質量控制器與系統及負荷連接的工作原理圖。這里的串聯型電能質量控制器主要是調節電壓，由此串聯型電能質量控制器也可以稱為串聯型動態電壓調節器(DynamicVoltage Regulator，簡稱DVR)或者動態電壓恢復器(Dynamic Voltage Restorer)。圖1的下部是串聯型電能質量控制器與系統及負荷連接的各部分的電壓信號波形圖。串聯型電能質量控制裝置串聯在系統與敏感負荷之間，當檢測單元檢測到供電系統電壓波形發生畸變，由控制單元計算供電系統實際電壓和額定電壓的誤差，并且由直流儲能單元提供或者吸收能量，由逆變器逆變其直流電壓產生交流電壓，經由交流濾波器濾波后輸出，即為供電系統實際電壓和額定電壓的差值。由于本發明由串聯接入單元串聯在供電系統和用戶之間，上述差值加上供電系統實際電壓，用戶得到就是系統額定電壓波形，從而保證敏感負荷感受不到系統電壓波動。
圖2是串聯型電能質量控制器(DVR)單相原理結構圖。如圖2所示，其串聯型電能質量控制器包括電能質量檢測單元，該單元與系統電源和控制單元連接，用于檢測供電系統影響電能質量的電壓參數的變化，獲取用戶負荷的實際電壓參數，并將這些關鍵電壓參數變成電信號，傳遞給控制單元，由控制單元來判斷所述的串聯型電能質量控制器如何動作；控制單元，所述的控制單元包括模擬控制部分和數字控制部分，用于判斷供電系統以及用戶負荷電能質量是否合乎要求，計算供電系統實際電壓和額定電壓的之差，并且產生交流補償電壓大小的控制信號給控制補償電壓發生器；以便產生一個交流電壓，從而保證用戶負荷的電能質量不受供電系統電能質量的影響。它由數字和模擬兩部分組成，數字部分用于計算供電系統實際電壓和額定電壓的誤差，并產生相應于補償電壓大小的信號；模擬部分負責本發明的各種工作狀態，以及人機界面負責和數字控制及模擬控制接口，提供操作本發明所需要的人機界面并對本發明的各種狀態進行監測等。
補償電壓發生器，該補償電壓發生器與控制單元、直流單元、接入單元連接，用于根據控制單元產生的補償電壓大小的信號，將所述的直流單元提供的直流電源變換為交流電壓，并對其進行濾波，產生補償交流電壓。其中逆變器為本發明的關鍵部分，由可快速開通和關斷的大功率電力電子器件(如IGBT)構成，通過電力電子器件以很高的頻率開通和關斷，使直流電壓變成脈寬調制波形(PWM)，再經由交流濾波單元濾波，即可得到所需交流電壓，大功率電力電子器件的開通和關斷均由控制單元來完成。逆變器可以采用不同的電路結構，包括兩電平或多電平單相逆變器、兩電平或多電平的三相逆變器，或者采用由多個單相逆變器單元串聯得到的單相逆變器。
接入單元，用于將補償電壓發生器串聯接入在系統電源及敏感負荷之間，使得所述的串聯型電能質量控制器在接入或者退出系統時，可以保證對負荷的持續不間斷供電，實現平滑無沖擊的供電切換；保護單元，該單元與控制單元連接，用于對大功率電力電子裝置及開關器件的過電壓保護、過電流保護、諧波保護、沖擊過電壓保護。
其中交流濾波單元一般由一個或多個交流電感和交流電容構成，主要作用是對逆變器產生的脈寬調制波形(PWM)進行濾波，濾除其由于高速開通和關斷而帶來的高頻諧波，得到所需用于補償的交流電壓。
直流單元，由大容量直流電容構成的儲能單元和濾波單元構成。其中直流儲能單元的作用是為補償電壓發生器單元提供直流電源，當電能質量出現問題時，需要由本發明來提供或者吸收能量，直流儲能單元作為一個能量單元此時充當直流電源使用，直流儲能有交流電源整流、飛輪儲能、超導儲能、超級電容、蓄電池和超級電容(又稱法拉電容、黃金電容)儲能等方式，或者上述儲能方式中的幾種相組合，其中直流濾波電容的作用是對直流儲能單元提供的直流電源進行濾波，為補償電壓發生器單元的大功率逆變器提供波形較好的直流電源；同時，直流濾波電容能夠提供和吸收一定的能量，兼作直流能源用，直流濾波電容可以采用電解電容、脈沖電容、超級電容或者其他直流電容。
保護單元，是結合大功率電力電子裝置的共性，設計的功能強大的綜合保護系統。用于包括本發明串聯型電壓控制裝置及開關器件在內的過電壓保護、過電流保護、諧波保護、沖擊過電壓保護等。
圖3是串聯型電能質量控制器(DVR)控制單元數字部分硬件結構示意圖。如圖3所示，該部分主要由以數字信號處理器(DSP)為核心的計算檢測單元和以高性能16位單片機為核心構成的外設控制單元構成。DSP用于采集、計算和輸出參考電壓電流數據；單片機用于對本發明裝置外部的信號、顯示和操作進行處理，兩個單元通過雙口RAM進行數據交互。其軟件主要完成以下主要功能數據同步采集，計算需要顯示和保存的物理量。其中包括各相電壓電流基波幅度，相位關系。三相序分量分解。各相的功率因數，各相電壓電流的有效值，有功功率和無功功率，有功、無功電度，計算0-31次諧波電流、電壓。
保存有關物理量，裝置投入運行點電壓電流記錄，時間記錄。運行次數記錄等。
鍵盤功能設定和輸出物理量的液晶顯示，顯示時間(到分或者秒)及電流、電壓、諧波、有功、無功、功率因數等數據。鍵盤具有刷新，翻查，調用等功能判斷各相有無意外情況出現以及保護控制報警功能，例如過壓，欠壓，缺相等。按照采樣結果計算優化電壓注入的參考電壓向量，并且保證與系統故障前電壓保持同步。
DVR是串聯在系統與負荷之間用以提高負荷供電電壓質量的裝置，一般情況下，用DVR保護的負荷都是重要的敏感型負荷，因此，除了在系統電壓發生跌落等情況下確保負荷供電電壓的正常外，在以下兩種情況下，要做到不能影響負荷正常供電(1)DVR裝置投入或退出使用時；(2)DVR裝置發生內部故障時。本發明進行了全面細致的設計，確保負荷的正常供電。
圖4-1是串聯型電能質量控制器(DVR)采用電感電容直接串聯接入的單相電路運行方式示意圖。圖4-2是串聯型電能質量控制器(DVR)采用變壓器串聯接入方式單相電路運行方式示意圖。如圖4-1和4-2所示，根據接入系統方式的不同，分為直接接入法(圖4-1)和變壓器隔離接入法(圖4-2)。其中NJ0，NJ1，NJ2三個空氣開關組成“接入單元”，T1至T4是絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，簡稱IGBT)。
DVR投入方法先合上NJ0，負荷由系統電源直接供電；再合上NJ1和NJ2，并打開電子旁路開關(電子旁路開關的概念在下面解釋)；最后再斷開NJ0。此時，DVR裝置投入運行，工作在穩態旁路狀態。
DVR退出運行方法必須在確認DVR裝置工作在穩態旁路狀態(如否，切換到此狀態運行)后，合上NJ0；再斷開NJ1和NJ2。此時DVR裝置退出運行，負荷被不間斷切換到由系統電源不經過調節直接供電。
其所述電子旁路開關是指利用組成逆變器的電力電子器件構成旁路開關。在逆變器的正常逆變工作狀態中，T1和T4一組，T2和T3一組，輪流導通，輸出交變的交流調制電壓。在旁路狀態中，同時給T1和T3提供持續的開通脈沖并封鎖T2和T4的觸發脈沖(也可以反過來)，此時，負載電流通過NJ1、L、T1、T3、NJ2所構成的支路，逆變器工作在旁路狀態。
如圖4-2所示的變壓器隔離接入法，所采用的變壓器可以是三個單相變壓器，也可以是一個三相變壓器。
圖5是串聯型電能質量控制器(DVR)的補償電壓發生器中的逆變器可以采用的多種結構示意圖。如圖5所示，DVR可以采用的各種逆變器結構。除了采用圖4-1和圖4-2中的單相結構以外，還可以多種結構。如圖5所示分別為5-1三相三線制，5-2三相四線制和5-3單相多橋串聯結構。
圖6是串聯型電能質量控制器(DVR)的補償效果示意圖。如圖6所示，其中，圖6-1給出了系統發生40％電壓跌落情況下DVR裝置對動態電壓跌落的補償結果。實驗中，將額定電壓設定在110V，示波器上線波形為系統側電壓波形，下線為負荷側電壓波形。由圖中可以看出當系統發生持續時間為十幾個周波的電壓跌落時，裝置維持負荷側電壓基本恒定為系統側額定電壓，取得了很好的補償效果。對于持續穩態電壓跌落，也能取得類似的補償效果。圖6-2為DVR裝置抑制閃變的實驗結果，其中下線為系統側閃變電壓，上線為補償后供給負荷的電壓。
本發明的一種串聯型電能質量控制器(DVR)與現存的UPS相比較在可靠性和效率上更高，傳統UPS是完全在線式，效率約為90-93％；而DVR在運行中只補償電壓跌落部分，效率可達98％以上，而且更易維護，傳統UPS需要保養空濾，清潔端子，注水，測試等；而DVR基本不需維護。環境適應性好，傳統UPS對外界環境要求比較高，要求空調等；DVR工作額定范圍-20到40℃，適應性更強以及外形尺寸更小等優點。由于現代電力電子技術日新月異的發展，新型大功率高耐壓、快速關段電力電子器件的出現，使得應用現代電力電子技術實現電能質量的控制和為用戶提供定制質量的電能供應成為可能。
權利要求
1.一種串聯型電能質量控制器，其特征在于，所述的控制器包括電能質量檢測單元，該單元與系統電源和控制單元連接，用于檢測供電系統影響電能質量的電壓參數的變化，獲取用戶負荷的實際電壓參數，并將這些關鍵電壓參數變成電信號，傳遞給控制單元，由控制單元來判斷所述的串聯型電能質量控制器如何動作；控制單元，所述的控制單元包括模擬控制部分和數字控制部分，用于判斷供電系統以及用戶負荷電能質量是否合乎要求，計算供電系統實際電壓和額定電壓之差，并且產生交流補償電壓大小的控制信號給控制補償電壓發生器；補償電壓發生器，該補償電壓發生器與控制單元、直流單元、接入單元連接，用于根據控制單元產生的補償電壓大小的信號，將所述的直流單元提供的直流電源變換為交流電壓，并對其進行濾波，產生補償交流電壓；直流單元，該單元與補償電壓發生器單元連接，用于對補償電壓發生器單元提供直流電源；接入單元，用于將補償電壓發生器串聯接入在系統電源及敏感負荷之間，使得所述的串聯型電能質量控制器在接入或者退出系統時，可以保證對負荷的持續不間斷供電，實現平滑無沖擊的供電切換；保護單元，該單元與控制單元連接，用于對大功率電力電子裝置及開關器件的過電壓保護、過電流保護、諧波保護、沖擊過電壓保護。
2.根據權利要求1所述的控制器，其特征在于，所述的接入單元是由三個空氣開關組成。
3.根據權利要求1或2所述的控制器，其特征在于，所述的補償電壓發生器包括基于大功率電力電子逆變器和交流濾波器，所述的大功率電力電子逆變器，是通過電力電子器件以很高的頻率開通和關斷，使直流電壓變成脈寬調制波形，再經由交流濾波器濾除高頻諧波得到所需交流電壓，其開通和關斷由控制單元來控制；所述的交流濾波器一般由數個交流電感和交流電容構成，用于對逆變器產生的脈寬調制波形進行濾波，濾除其由于高速開通和關斷而帶來的高頻諧波，得到所需交流正弦電壓。
4.根據權利要求3所述的控制器，其特征在于，所述的直流單元包括直流電源、儲能單元和濾波元件，所述的直流電源用于為補償電壓發生器提供直流電源；所述儲能單元是電容器，用于根據控制單元的信號，給補償電壓發生器單元提供或者吸收其能量；所述的濾波元件是電感器和電容器組成，用于對儲能單元提供的直流電源進行濾波，為補償電壓發生器單元提供波形較好的直流電源。
5.根據權利要求4所述的控制器，其特征在于，所述的控制單元包括模擬控制部分和數字控制部分，其中所述的模擬控制部分負責本發明的各種工作狀態，以及人機界面；所述的數字控制部分由以數字信號處理器DSP為核心的計算檢測單元和以高性能16位單片機為核心構成的外設控制單元構成，其中DSP用于采集、計算和輸出參考電壓電流數據；單片機用于對本發明裝置外部的信號、顯示和操作進行處理，兩個單元通過雙口RAM進行數據交互，數字控制部分用于計算供電系統實際電壓和額定電壓的之差，并產生相應于補償電壓大小的信號。
6.根據權利要求5所述的控制器，其特征在于，所述的串聯型電能質量控制器中的逆變器采用電感電容直接串聯接入單相電路。
7.根據權利要求5所述的控制器，其特征在于，所述的串聯型電能質量控制器中的逆變器采用變壓器串聯接入單相電路。
8.根據權利要求5所述的控制器，其特征在于，所述的串聯型電能質量控制器中的逆變器可以采用三相三線制結構。
9.根據權利要求5所述的控制器，其特征在于，所述的串聯型電能質量控制器中的逆變器可以采用三相四線制結構。
10.根據權利要求5所述的控制器，其特征在于，所述的串聯型電能質量控制器中的逆變器可以采用單相多橋串聯結構。
全文摘要
本發明公開了一種串聯型電能質量控制器，所述的控制器包括電能質量檢測單元、控制單元、補償電壓發生器、直流單元、接入單元和保護單元。本發明的控制器其功能相當于在系統配電線路上串聯的電壓源，用于消除系統的電壓畸變對負荷的影響，是面向負荷的一種改善供電電能質量的裝置。該裝置串聯在系統與敏感負荷之間，當供電電壓波形發生畸變時，串聯型電能控制裝置迅速輸出補償電壓，保證敏感負荷感受不到系統電壓波動，確保對敏感負荷的供電質量。它可有效解決電壓跌落等動態電壓質量問題，還可兼顧治理系統電壓諧波、電壓波動及三相不平衡等穩態電壓質量問題。
文檔編號H02J3/00GK1595755SQ200410049629
公開日2005年3月16日 申請日期2004年6月22日 優先權日2004年6月22日
發明者姜齊榮, 沈斐, 虞蒼璧, 傅俊寅, 季建輝 申請人:北京四方清能電氣電子有限公司