專利名稱：動態電壓補償器的制作方法
技術領域：
本發明涉及電力系統及電力電子技術領域，具體的說是一種動態電壓補償器。
背景技術：
理想的供電電壓是純正的正弦波，具有標稱的電壓幅值和頻率。但由于電網設備的故障或非線性和沖擊性負載的增長，電網電壓的幅值和頻率往往會發生偏離。當電網電壓的幅值和頻率偏離標稱值一定的范圍時，會給敏感性用戶產生影響和傷害，這就產生了電能質量的問題，這些問題包括電壓不平衡、過電壓、欠電壓、電壓跌落、電壓聚升、供電中斷、電壓瞬變、電壓切痕、電壓波動和電壓閃變。前三種是穩態電能質量問題，后幾種是動態電能質量問題。美國在90年代通過300多個電能質量觀測器觀測電能質量數據，大量統計數據表明高達92%的擾動事件是電壓跌落，它們的持續時間大多不超過2秒鐘。持續時間在2秒鐘到10分鐘之間的電壓中斷僅占4%，其余的電能質量問題占余下的4%。由此可知，給敏感負載用戶造成巨大經濟損失的主要原因是動態電能質量問題，解決電能質量問題就落實在治理動態電壓問題上。當前最佳解決電能質量問題的方法是在負載用戶側安裝電壓補償裝置，它包括不間斷電源UPS (Uninterruptible Power Supply)和動態電壓補償器DVR (Dynamics Voltage Restorer)。在解決電能質量問題，UPS是使用最廣泛的裝置。當電網供電發生故障時，UPS能夠提供幾十分鐘甚至幾小時的正常電壓，保護負載正常運行，不受電網電壓中斷或跌落的影響。因此，UPS既能解決穩態電能質量問題，又能解決動態電能質量問題。但由于UPS采用大量的電池儲能，成本相當高，效率只有92 %左右，不利于大量使用。UPS —般用于對關鍵負載進行電壓保護和補償。而DVR由于只解決動態電能質量問題，只需要對電壓跌落和瞬變進行短時補償，儲能部分只需采用電解電容，即可滿足要求。這樣，DVR的生產成本和維護成本就很低。并且DVR的工作效率高達99%，非常有利于大量使用。DVR是一種串聯型電能質量補償裝置，采用基于電力電子器件的PWM逆變結構。目前在低壓等級的DVR裝置中，大多采用無串聯變壓器的拓撲結構。這種無串聯變壓器DVR結構的整流器采用二極管整流。這種結構的DVR只能補償動態電壓。因此，現階段還未出現既能補償跌幅較深的動態電壓，以及補償穩態電壓，成本又較低的DVR。
發明內容
本發明的目的是在于提供一種用于解決動態電壓和穩態電壓質量問題的串聯動態電壓補償器及其工作方法，本發明的創新點在于不使用PWM整流器和串聯變壓器的情況下，增加補償電壓的時間。為了實現上述目的，本發明的技術方案為動態電壓補償器的電子元器件包括雙向可控硅、倍壓整流器、直流存儲單元、半橋逆變器、輸出濾波器和升壓充電器，其中雙向可 控硅串聯于電網與負載之間；倍壓整流器輸入端與電網連接，其輸出端連接直流儲能單元的正負兩極；直流儲能單元的中間節點通過開關連接電網的輸入端；半橋逆變器與直流儲能單元并聯；半橋逆變器中間節點與直流儲能單元的中間節點之間連接一個輸出濾波器，濾波器的中間節點通過一個開關和負載相連；升壓充電器輸入端與電網相連。進一步的雙向可控硅由兩個可控硅反向并聯組成；倍壓整流器是由兩個二極管串聯組成，兩個二極管的中間點接電網的中線端；半橋逆變器是由兩個功率開關器件組成，輸出濾波器由一個電感和一個電容組成，
直流儲能單元由兩個電容串聯而成，中間點通過開關連接電網的輸入端，電網電壓的正負半周分別給直流儲能單元的兩個電容充電，直到直流儲能單元的母線電壓為電網峰值電壓的兩倍為止，升壓充電器輸入端與電網相連，輸出端分別連接直流儲能單元的電容。采用這樣的結構，當電網電壓正常時，電網通過雙向可控硅為負載提供正常穩定的電壓。當電網電壓跌落或瞬變時，雙向可控硅被反壓強制關斷，負載電壓由電網電壓和逆變器產生的補償電壓疊加供給，直流儲能單元的電壓一直保持這一電壓值，當電網電壓跌落或瞬變，直流儲能單元為負載提供補償電壓。逆變器依據電網電壓跌落的情況，產生補償電壓，如果直流儲能單元的母線電壓一直高于某一值，升壓充電器不工作。當檢測到儲能電容Cl或C2的電壓低于某一值，則升壓充電器給Cl或C2充電，以保持Cl或C2的電壓為一恒定值。這樣就可以延長DVR補償電壓的時間，不但解決了動態電壓跌落問題，而且還能補償電壓深度跌落問題以及穩態電壓問題。進一步的直流儲能單元中串聯的兩個電容為大容量儲能電容。進一步的輸出濾波器是一個低通濾波器，用于濾除逆變器產生的高頻信號。采用低通濾波器，逆變器輸出的高頻電壓被濾波器過濾，只能讓低頻電壓通過。進一步的所述升壓充電器是一個AC/DC變換電路。采用這樣的結構將電網電壓通過PWM調制，整流成所需的直流電壓。升壓充電器分別檢測Cl和C2的電壓值，一旦低于某一值，升壓充電器將對Cl和C2進行充電，以維持Cl和C2的電壓值恒定。進一步的動態電壓補償器的工作方法是動態電壓補償器的電路組成包括雙向可控硅、倍壓整流器、直流存儲單元、半橋逆變器、輸出濾波器和升壓充電器，當電網電壓正常時，開通雙向可控硅，逆變器被雙向可控硅旁路，逆變器不工作，處于待機狀態，電網通過雙向可控硅給負載正常供電，供電效率達99%，當電網電壓跌落或瞬變時，逆變器立刻工作，將儲能直流單元的直流逆變成交流補償電壓，電網電壓與補償電壓疊加，為負載供電，同時給雙向可控硅反壓，使雙向可控硅關斷，當電網電壓跌落深度較深，低于50%，或跌落時間較長，長于2秒，倍壓整流器提供的能量，將無法持續為負載提供電壓，而升壓充電器，將承擔為直流儲能單元充電的作用，保證DVR有足夠的能量為負載提供正常的電力供應，同時，升壓充電器為儲能器充電，以保持儲能器的電壓相等，防止電壓不平衡的情況出現，使得補償電壓波形平滑。進一步的雙向可控硅SI由兩個可控硅反向并聯組成，串聯于電網與負載之間，在電網電壓正負半周過零點時，發出控制時序，觸發對應的可控硅導通，關斷采用反電壓進行關斷，當電網電壓正常時，電網通過雙向可控硅SI為負載提供正常穩定的電壓，當電網電壓跌落或瞬變時，雙向可控硅被反壓強制關斷，負載電壓由電網電壓和逆變器產生的補償電壓疊加供給；倍壓整流器是由兩個二極管Dl和D2串聯組成，倍壓整流器的輸出接直流儲能單元的正負兩極，兩個二極管的中間點接電網的中線端，上電時，開關SWl閉合，直流儲能單元的儲能電容Cl和C2的中間節點與電網連接，當電網電壓正半周時，電網電壓通過二極管D2給電容C2充電，當電網電壓負半周時，電網電壓通過二極管Dl給電容Cl充電，電容Cl和C2串聯后的電壓等于電網峰值電壓的兩倍，該電壓為逆變器的直流母線電壓；直流儲能單元由兩個電容串聯而成，中間點通過開關SWl接電網的輸入端，直流儲能單元的電壓由倍壓整理器提供，電網電壓的正負半周分別給直流儲能單元的C2和Cl充電，直到直流儲能單元的母線電壓為電網峰值電壓的兩倍為止，當電網電壓正常時，直流儲能單元的電壓一直保持這一電壓值，當電網電壓跌落或瞬變，逆變器立刻工作，直流儲能單元為負載提供補償電壓；半橋逆變器是由兩個功率開關器件Gl和G2組成，半橋逆變器與直流儲能單元并聯連接，其中間點與直流儲能單元的中間點之間連接一個輸出濾波器，兩個功率開關器件的通斷時序為互補，逆變器依據電網電壓跌落的情況，產生補償電壓，補償電網電壓跌落的部分，補償電壓與剩余電網電壓疊加，為負載提供穩定正常的電力；輸出濾波器由一個電感LI和一個電容C3組成，輸出濾波器是一個低通濾波器，用于濾除逆變器產生的高頻信號，逆變器輸出的高頻電壓被濾波器過濾，只有低頻電壓通過，濾波器的中間點通過一個開關SW2和負載相連；升壓充電器輸入端與電網相連，輸出端分別連接直流儲能單元的Cl和C2，升壓充電器是一個AC/DC變換電路，將電網電壓通過PWM調制，整流成所需的直流電壓，升壓充電器分別檢測電容Cl和C2的電壓值，當直流儲能單元的母線電壓一直高于某一值時，升壓充電器不工作，當檢測到儲能電容Cl或C2的電壓低于某一值時，則升壓充電器給Cl或C2充電，以保持Cl或C2的電壓為一恒定值，這樣就可以延長DVR補償電壓的時間。進一步的所述直流儲能單元中兩個串聯的電容為大容量的儲能電容。采用這樣的方法不但解決了動態電壓跌落問題，而且還能補償電壓深度跌落問題以及穩態電壓問題。另一方面，由于DVR采用半橋的拓撲結構，直流儲能單元使用兩個儲能器串聯。這樣，在DVR運行過程中，兩個儲能器容易引起電壓不平衡問題。也就是說，兩個儲能器存儲的電壓值不一致，這會導致補償電壓不平滑。如果采用升壓充電器分別給兩個儲能器充電，保持儲能器的電壓恒定，則解決了儲能器電壓不平衡問題。
圖I為動態電壓補償器系統圖，圖2為動態電壓補償器電路原理圖。
具體實施例方式圖I為動態電壓補償器系統圖，其中，電網-I、靜態旁路開關_2、敏感負載-3、整流器_4、直流儲能單元_5、逆變器_6、輸出濾波器_7、升壓充電器-8。 圖2是單相動態電壓補償器的電路原理圖。動態電壓補償器由雙向可控硅SI、倍壓整流器、直流存儲單元、半橋逆變器、輸出濾波器和升壓充電器組成。以下詳細介紹各個組成部分雙向可控硅SI由兩個可控硅反向并聯組成。在電網電壓正負半周過零點時，發出控制時序，觸發對應的可控硅導通。關斷采用反電壓進行關斷。電網正常時，電網電壓通過雙向可控娃給負載供電。倍壓整流器由兩個二極管Dl和D2組成。上電時，開關SWl閉合，直流儲能單元的Cl和C2的中間節點與電網連接。當電網電壓正半周時，電網電壓通過D2給C2充電。當電網電壓負半周時，電網電壓通過Dl給Cl充電。Cl和C2串聯后的電壓等于電網峰值電壓的兩倍，該電壓為逆變器的直流母線電壓。 直流儲能單元有兩個儲能器，儲能器由電容Cl和C2組成。直流儲能單元的電壓由倍壓整理器提供。當逆變器工作時，為負載提供補償能量。半橋逆變器由兩個功率開關器件Gl和G2組成。半橋逆變器與直流儲能單元并聯連接，其中間節點與直流儲能單元的中間節點之間連接一個輸出濾波器。兩個功率開關器件的通斷時序為互補，逆變器依據電網電壓跌落的情況，產生補償電壓，補償電網電壓跌落的部分，補償電壓與剩余電網電壓疊加，為負載提供穩定正常的電力。輸出濾波器由一個電感LI和一個電容C3組成，與逆變器的中間節點和直流儲能單元的中間節點相接。輸出濾波器是一個低通濾波器，用于濾除逆變器產生的高頻信號。逆變器輸出的高頻電壓被濾波器過濾，只有低頻電壓通過。濾波器的中間點通過一個開關SW2和負載相連。升壓充電器輸入端與電網相連，輸出端分別連接直流儲能單元的Cl和C2。升壓充電器是一個AC/DC變換電路。將電網電壓通過PWM調制，整流成所需的直流電壓。升壓充電器分別檢測Cl和C2的電壓值，一旦低于某一值，升壓充電器將對Cl和C2進行充電，以維持Cl和C2的電壓值恒定。當電網電壓正常時，開關SW2關斷，雙向可控硅依據觸發時序輪流導通。電網電壓通過雙向可控硅為負載正常供電。電網電壓通過倍壓整流器為直流儲能單元充電，逆變器和升壓充電器處于待機狀態。當電網電壓跌落或瞬變時，開關SW2開通，逆變器開始PWM調制，將直流儲能單元的直流電壓，調制成高頻方波。高頻方波經過輸出濾波器，被過濾成工頻補償電壓。補償電壓和剩余電網電壓疊加成標準的正弦工頻電壓波形。疊加后的標準電壓，通過開關SW2，為負載供電。如果電網電壓深度跌落，或跌落時間超過2秒，直流儲能單元的能量無法補償負載所需的能量，升壓充電器立刻啟動，為直流儲能單元充電，補充能量。當直流儲能單元的電壓恢復到正常值，升壓充電器將停止充電。以上所述實施方式，只是本發明較優選的具體實施方式
之一，本領域的技術人員在本發明技術方案范圍內進行的通常變化和替換都應包含在本發明的保護范圍內。
權利要求
1.動態電壓補償器，其特征在于動態電壓補償器的電子元器件包括雙向可控硅、倍壓整流器、直流存儲單元、半橋逆變器、輸出濾波器和升壓充電器，其中雙向可控硅串聯于電網與負載之間；倍壓整流器輸入端與電網連接，其輸出端連接直流儲能單元的正負兩極；直流儲能單元的中間節點通過開關連接電網的輸入端；半橋逆變器與直流儲能單元并聯；半橋逆變器中間節點與直流儲能單元的中間節點之間連接一個輸出濾波器，濾波器的中間節點通過一個開關和負載相連；升壓充電器輸入端與電網相連。
2.根據權利要求I所述的動態電壓補償器，其特征在于雙向可控硅由兩個可控硅反向并聯組成；倍壓整流器由兩個二極管串聯組成，兩個二極管的中間點接電網的中線端； 半橋逆變器是由兩個功率開關器件組成， 輸出濾波器由一個電感和一個電容組成， 直流儲能單元由兩個電容串聯組成，中間節點通過開關接電網的輸入端，電網電壓的正負半周分別給直流儲能單元的兩個電容充電，直到直流儲能單元的母線電壓為電網峰值電壓的兩倍為止，升壓充電器輸入端與電網相連，輸出端分別連接直流儲能單元的電容。
3.根據權利要求2所述的動態電壓補償器，其特征在于所述直流儲能單元中串聯的兩個電容為大容量儲能電容。
4.根據權利要求I所述的動態電壓補償器，其特征在于輸出濾波器是一個低通濾波器，用于濾除逆變器產生的高頻信號。
5.根據權利要求I所述的動態電壓補償器，其特征在于所述升壓充電器是一個AC/DC變換電路。
6.動態電壓補償器的工作方法，其特征在于動態電壓補償器的電路組成包括雙向可控硅、倍壓整流器、直流存儲單元、半橋逆變器、輸出濾波器和升壓充電器，當電網電壓正常時，開通雙向可控硅，逆變器被雙向可控硅旁路，逆變器不工作，處于待機狀態，電網通過雙向可控硅給負載正常供電，供電效率達99 %，當電網電壓跌落或瞬變時，逆變器立刻工作，將儲能直流單元的直流逆變成交流補償電壓，電網電壓與補償電壓疊加，為負載供電，同時給雙向可控硅反壓，使雙向可控硅關斷，當電網電壓跌落深度較深，低于50%，或跌落時間較長，長于2秒，倍壓整流器提供的能量，將無法持續為負載提供電壓，而升壓充電器，將承擔為直流儲能單元充電的作用，保證DVR有足夠的能量為負載提供正常的電力供應，同時，升壓充電器為儲能器充電，以保持儲能器的電壓相等，防止電壓不平衡的情況出現，使得補償電壓波形平滑。
7.根據權利要求6所述的動態電壓補償器的工作方法，其特征在于雙向可控硅(SI)由兩個可控硅反向并聯組成，串聯于電網與負載之間，在電網電壓正負半周過零點時，發出控制時序，觸發對應的可控硅導通，關斷采用反電壓進行關斷，當電網電壓正常時，電網通過雙向可控硅(SI)為負載提供正常穩定的電壓，當電網電壓跌落或瞬變時，雙向可控硅被反壓強制關斷，負載電壓由電網電壓和逆變器產生的補償電壓疊加供給； 倍壓整流器是由兩個二極管(Dl和D2)串聯組成，倍壓整流器的輸出端接直流儲能單元的正負兩極，兩個二極管的中間點接電網的中線端，通電時，開關(SWl)閉合，直流儲能單元的電容(Cl)和(C2)的中間節點與電網連接，當電網電壓正半周時，電網電壓通過二極管(D2)給電容(C2)充電，當電網電壓負半周時，電網電壓通過二極管(Dl)給電容(Cl)充電，電容(Cl)和(C2)串聯后的電壓等于電網峰值電壓的兩倍，該電壓為逆變器的直流母線電壓； 直流儲能單元由兩個電容串聯而成，中間點通過開關(SWl)接電網的輸入端，直流儲能單元的電壓由倍壓整理器提供，電網電壓的正負半周分別給直流儲能單元的電容(C2)和(Cl)充電，直到直流儲能單元的母線電壓為電網峰值電壓的兩倍為止，當電網電壓正常時，直流儲能單元的電壓一直保持這一電壓值，當電網電壓跌落或瞬變，逆變器立刻工作，直流儲能單元為負載提供補償電壓； 半橋逆變器是由兩個功率開關器件(Gl和G2)組成，半橋逆變器與直流儲能單元并聯連接，其中間點與直流儲能單元的中間點之間連接一個輸出濾波器，兩個功率開關器件的通斷時序為互補，逆變器依據電網電壓跌落的情況，產生補償電壓，補償電網電壓跌落的部分，補償電壓與剩余電網電壓疊加，為負載提供穩定正常的電力； 輸出濾波器由一個電感(LI)和一個電容(C3)組成,輸出濾波器是一個低通濾波器,用于濾除逆變器產生的高頻信號，逆變器輸出的高頻電壓被濾波器過濾，只有低頻電壓通過，濾波器的中間點通過一個開關(SW2)和負載相連； 升壓充電器輸入端與電網相連，輸出端分別連接直流儲能單元的電容(Cl)和(C2)，升壓充電器是一個AC/DC變換電路，將電網電壓通過PWM調制，整流成所需的直流電壓，升壓充電器分別檢測電容(Cl)和(C2)的電壓值，當直流儲能單元的母線電壓一直高于某一值時，升壓充電器不工作，當檢測到儲能電容(Cl)或(C2)的電壓低于某一值時，則升壓充電器給(Cl)或(C2)充電，以保持(Cl或C2)的電壓為一恒定值，這樣就可以延長DVR補償電壓的時間。
8.根據權利要求6所述的動態電壓補償器的工作方法，其特征在于所述直流儲能單元中兩個串聯的電容為大容量的儲能電容。
全文摘要
本發明涉及一種動態電壓補償器及其工作方法，其結構包括雙向可控硅、倍壓整流器、直流存儲單元、半橋逆變器、輸出濾波器和升壓充電器，其中雙向可控硅串聯于電網與負載之間；倍壓整流器輸入端與電網連接，其輸出端連接直流儲能單元的正負兩極；直流儲能單元的中間節點通過開關連接電網的輸入端；半橋逆變器與直流儲能單元并聯；濾波器的中間節點通過一個開關和負載相連；升壓充電器輸入端與電網相連。采用這樣的結構能補償跌幅較深的動態電壓，以及補償穩態電壓，徹底解決電能質量問題，又不會增加過多的成本。
文檔編號H02J3/12GK102664414SQ20121013548
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月4日 優先權日2012年5月4日
發明者丁凱, 王道洪, 鮑延杰 申請人:深圳市理工新能源有限公司