專利名稱：用于三相電源系統(tǒng)的動態(tài)電壓補償器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及配電系統(tǒng)供電領(lǐng)域，具體涉及在三相電源供電系統(tǒng)中利用動 態(tài)電壓恢復(fù)器來補償電壓波動。
背景技術(shù)：
近年來，隨著敏感電源電子設(shè)備在過程控制和自動化領(lǐng)域中應(yīng)用的激 增，電源質(zhì)量問題引起了越來越多的關(guān)注。這是由于電源質(zhì)量問題會導(dǎo)致過 程中斷，并對產(chǎn)業(yè)用戶產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟損失。電壓波動被認(rèn)為是能夠影響配 電系統(tǒng)供電質(zhì)量的其中一個最具破壞性的電源質(zhì)量問題。串聯(lián)用戶電源補償法(Series Custom Power Compensation)由于其快速的響應(yīng)和高可靠性，4皮認(rèn) 為是提高電源質(zhì)量的有希望且有效的方法。例如，采用這種方法的一種設(shè)備 是動態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR),它可以通過向下游敏感負(fù)載注入能量來減小源側(cè) 電壓波動的影響。在單相系統(tǒng)中使用的典型DVR硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。如圖l所示，DVR主要由下列幾部分構(gòu)成電壓源逆變器(VSC):以脈寬調(diào)制(PWM)或其他方式控制的VSC是DVR 的最重要組成部分，它是用來通過在脈寬調(diào)制反相器中利用功率電力電子器 件(如IGBT, MOEFET等)來合成注入電壓。在本專利中列出了 VSC中的一 個典型結(jié)構(gòu)三個單相全橋VSC,它包括四個IGBT(G)和二極管(D)對。此 專利也可以利用在其他形式結(jié)構(gòu)的VSC中。能量存儲器VSC的直流端將連接到能量源或適當(dāng)容量的能量存儲器設(shè) 備。存儲設(shè)備將為VSC提供必要的能量，并可以產(chǎn)生注入的電壓。此能量 儲存器既可以為三相共用一個，也可以每相各有一個。此能量存儲器可以是 電池，大容量電容等能量儲存器件。隔離變壓器包含隔離變壓器的目的是提升由VSC產(chǎn)生的注入電壓， 并將該注入電壓耦合到饋送電路中。升壓變壓器的線圈比經(jīng)過了仔細(xì)選擇，3使得VSC能夠以最小的DC連接電壓來補償電壓驟降。在某些DVR設(shè)計中， 此隔離變壓器也可省略。諧波濾波器由于VSC的高開關(guān)頻率使得PWM控制的VSC的輸出將 包含大量的高階諧波。因此，有必要使用諧波濾波系統(tǒng)從而在隔離變壓器的 原邊提供干凈的注入電壓。通常，濾波器系統(tǒng)由L-C部分構(gòu)成，濾波器元件 的值將取決于VSC產(chǎn)生的高頻諧波電壓的頻率。在該圖中，Vs和Vl分別表示DVR的源側(cè)和負(fù)載側(cè)上的電壓。這些量 是易于測量的。利用安裝在受保護的負(fù)載及其源總線之間的DVR，可以使 來自DVR的注入電壓Vinj抵消在Vs中出現(xiàn)的電壓波動，以保證高質(zhì)量的負(fù) 載電壓。對于在三相三線或四線系統(tǒng)中應(yīng)用的DVR,如果僅僅考慮其硬件結(jié)構(gòu) 而不考慮它們可能同時共享一個公共的能量存儲器的話，實際上可以將其看 作是三個單相DVR的組合。三相DVR硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。在圖2中，源 側(cè)和負(fù)載側(cè)之間連接有旁路開關(guān)，用于選擇是否接入DVR。在圖2中，清楚地示出了三相DVR用于監(jiān)測源側(cè)相電壓(^" P&)。一旦在系統(tǒng)中出現(xiàn)電壓波動，DVR則將電壓分量(^勿。，, P維)注入到每個相，以便將負(fù)載側(cè)相電壓(^。， ^b， P"恢復(fù)到標(biāo)稱電平，這可以描述為 =+ 7，^ = + r一 (l)=+ c傳統(tǒng)的三相電源系統(tǒng)由于使用三個單相DVR來減小電壓波動，因此其成本開銷相對4交大。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提出了一種在三相電源系統(tǒng)中應(yīng)用DVR來補償電壓波動的新型 動態(tài)電壓補償器。和以往的由三個單相DVR構(gòu)成的配置不同的是，本發(fā)明 僅4吏用兩個單相DVR來實現(xiàn)對三相電源電壓波動的補償。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了 一種用于三相電源系統(tǒng)的動態(tài)電壓補償 器所述動態(tài)電壓補償器包括兩個動態(tài)電壓恢復(fù)器；在所述三相電源系統(tǒng)中 任意選取的兩相中，每個所選取的相電源分別與一個所述動態(tài)電壓恢復(fù)器串 聯(lián)連接；所述動態(tài)電壓恢復(fù)器用于監(jiān)測其所連接的相電源到所述三相電源中4未被選取的相電源之間的電壓(即所選相和未選相之間的線電壓)，并且用于 在監(jiān)測到的電壓波動時將該電壓恢復(fù)到其標(biāo)稱值。通過將監(jiān)測到的兩個線電 壓恢復(fù)到正常水平，未選相的相電壓也可以被自動恢復(fù)到正常水平。這樣可 以保證僅用兩組單相動態(tài)電壓恢復(fù)器就可以將三相的相電壓均恢復(fù)到正常 水平。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述動態(tài)電壓恢復(fù)器包括電壓源逆變器，所述 電壓源逆變器包括至少一個功率電力電子開關(guān)和二極管對，用于合成注入電 壓。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所述動態(tài)電壓恢復(fù)器包括能量存儲器，用于 為電壓源逆變器提供能量，并產(chǎn)生注入電壓。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所述動態(tài)電壓恢復(fù)器包括諧波濾波器，用于 過濾電壓源逆變器生成的高次諧波電壓。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所述動態(tài)電壓恢復(fù)器包括隔離變壓器，用于 提升由電壓源逆變器產(chǎn)生的注入電壓，并將該注入電壓耦合到電源電路中。根據(jù)本發(fā)明的另 一方面，所述功率電力電子開關(guān)是IGBT或MOSFET, 也可以是本領(lǐng)域已知的其他功率電力電子開關(guān)。根據(jù)本發(fā)明的另 一方面，所述動態(tài)電壓補償器包括連接在電源和負(fù)載之 間的旁路開關(guān)，以及分別設(shè)置在動態(tài)電壓恢復(fù)器和電源之間以及動態(tài)電壓恢 復(fù)器和負(fù)載之間的隔離開關(guān)。根據(jù)本發(fā)明的另 一 方面，所述動態(tài)電壓補償器用于三相三線電源系統(tǒng)中。根據(jù)本發(fā)明的另 一方面，所述動態(tài)電壓補償器用于三相四線電源系統(tǒng)中。利用本發(fā)明所提出的動態(tài)電壓補償器，可以大致減小三分之一 的總元件 數(shù)量。DVR成本的降低無疑將對用戶具有極大的吸引力。


圖1是單相DVR硬件結(jié)構(gòu)； 圖2是三相DVR硬件結(jié)構(gòu)；圖3是本發(fā)明的用于三相電源系統(tǒng)的DVR結(jié)構(gòu)示例；圖4是本發(fā)明的DVR在三相三線電源系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)示例;圖5是出現(xiàn)電壓波動時的矢量圖；圖6是用于補償?shù)氖噶繄D；圖7是用于線到線電壓的矢量圖；圖8是用于最終補償負(fù)載電壓的矢量圖。
具體實施方式
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的這種特別應(yīng)用于三相三線系統(tǒng)的DVR結(jié)構(gòu)。 與以往的三相DVR結(jié)構(gòu)相比，這種新穎的結(jié)構(gòu)4又由兩個單相DVR構(gòu)成，但 是能夠?qū)崿F(xiàn)對三相電源進行電壓波動補償?shù)墓δ?。為了以本發(fā)明的DVR實現(xiàn)三相電壓波動補償?shù)墓δ埽@種新穎的DVR 的基本控制原理不同于原來的三相DVR。如先前提到的，在以往的設(shè)計中，三相DVR可以看作是三個單相DVR 的組合，它將對每個相測量相到地的電壓，并且注入電壓分量，以便直接將 負(fù)載側(cè)的相到地電壓分別恢復(fù)到其標(biāo)稱電平。然而，在本發(fā)明所提出的這種新穎的DVR中，只有兩個單相DVR，所 述DVR可以各自擁有一個能量存儲器或者兩者共同擁有一個能量存儲器。 如圖3所述，將所述DVR分別串聯(lián)連接在相A和B中。為了便于解釋，它 們可以分別稱為DVR—A和DVR一B。和以往使用三個單相DVR的電源系統(tǒng) 不同的是，根據(jù)本發(fā)明在工作期間，DVR—A和DVR_B將分別監(jiān)測源側(cè)的 線電壓^?！禔相和C相之間)和P版(B相和C相之間)，而非以往i殳計中的監(jiān) 測相到地的電壓。 一旦在系統(tǒng)中出現(xiàn)電壓波動，DVR—A將注入電壓分量(^維) 以便將負(fù)載側(cè)的線電壓(^^)恢復(fù)到其波動前水平，同時，DVR—B將通過相 同的方式(注入^一)來保證^仏恢復(fù)到正常水平。通過利用三相三線電源系統(tǒng) 的對稱特性，A相和B相之間的負(fù)載側(cè)線到線電壓^"可以被同時回復(fù)到其 波動前水平。此外，在這種補償方法下，每個相的負(fù)載側(cè)電壓也可以自動恢 復(fù)到其標(biāo)稱值。下面將進一 步詳細(xì)解釋本發(fā)明的這種DVR的#卜償原理基于圖3,在三線系統(tǒng)中典型的這種DVR結(jié)構(gòu)如圖4所示。假設(shè)當(dāng)在系統(tǒng)中出現(xiàn)電壓波動時，源側(cè)的相到地電壓將從^。， 改變到P's。， ^;， P'&,每個相的電壓變化是AP。， A^，這可以在如圖5所示的矢量圖中描繪。請注意如果沒有特別聲明的話，今后提到的所有6矢量將基于圖4中所示的參考點。
根據(jù)上述定義，可以得到用來描述相到地電壓的下列方程
Pffl=F'sA+A^ (2)
基于本發(fā)明的DVR的控制原理，DVR—A和DVR—B將分別監(jiān)測源側(cè)的
線到線電壓，k和^^,結(jié)合方程(2)，可以得到
& = - = ,s。 + At _ - A巳=P'to + At - A巳
R版.=Pa _= + AF6 _，&. - = P'版+ _ AFC (3)
其中，和產(chǎn)版表示在由DVR—A和DVR_B監(jiān)測的電壓波動期間源側(cè)
的線到線電壓。
此外，使DVR—A和DVR—B注入電壓，乂人而將和恢復(fù)到其波動 前的電平。注意在從DVR注入電壓之前，= 且= 。因此，從
方程(3)中可以清,楚地^出 P,， = & _ P'&c = AF。 -
，一 =P版_ P'版=AF6 — APc (4)
因此，在從DVR_A和DVR—B注入電壓之后，和，流可以#皮恢復(fù)到
其波動前的標(biāo)稱電平,，參考圖t負(fù)—載側(cè)6j相到地電壓是
^。 = f & + ，,， = p's" + A，a - = Ps。 _
，iA = + ，,一 = p's6 + Ap6 _ Apc = PSA _ aPc (5) 相應(yīng)的矢量圖如圖6所示。
從圖(5)中看出，負(fù)載側(cè)上A相和B相之間的線到線電壓^。*是 PiaA = = _ aPc) _ CPs _ APC) =一 Pa = (6)
方程(6)清楚地示出了 已經(jīng)被自動恢復(fù)到其波動前電平，如圖7所示。 另一方面，我們也注意到在補償之后，負(fù)載側(cè)上中心點的電壓t可以從 (5)中推出
3 3
這意味著巳已從0移動到-△&。通過方程(5)并參考圖4，負(fù)載上的電壓
為
7& -U幼 (8)
可以清楚地看到，盡管負(fù)載中心點從0移動到了 -An ，但是如圖8所示， 在補償之后施加在負(fù)載上的電壓可以仍舊保持與其波動前的電平相同，這可 以確保在波動期間負(fù)載的正常工作，上述理論分析已經(jīng)證明了本發(fā)明的DVR 結(jié)構(gòu)的可用性。
和以往在三相三線電源系統(tǒng)中使用的三相DVR結(jié)構(gòu)相比，利用本發(fā)明 所提出的DVR結(jié)構(gòu)，可以大致減小三分之一的總元件數(shù)量。DVR成本的降 低無疑將對用戶具有極大的吸引力。
對于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，各種電壓波動檢測及控制方法(如 瞬時值比較、瞬時無功功率計算等)，以及各種功率電力電子開關(guān)的控制技 術(shù)(如PWM等)均可用在本發(fā)明中。
在本發(fā)明中，僅在三相電源系統(tǒng)中的A相和B相上串聯(lián)連接了 DVR從 而實現(xiàn)了電壓波動補償。但本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，A相和B相的選 擇僅僅是作為示例進行說明，該選擇可以是任意的，也就是說，本發(fā)明適用 于從三相系統(tǒng)中任意選擇兩相的情況。
在本發(fā)明中，以星形連接的三相三線電源系統(tǒng)作為示例進行了描述，但 本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，通過等效變換，本發(fā)明同樣可應(yīng)用于三相四 線電源系統(tǒng)或以三角形連接的三相三線電源系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1. 一種用于三相電源系統(tǒng)的動態(tài)電壓補償器，其特征在于所述動態(tài)電壓補償器包括兩個動態(tài)電壓恢復(fù)器；在所述三相電源系統(tǒng)中任意選取的兩相中，每個所選取的相電源分別與一個所述動態(tài)電壓恢復(fù)器串聯(lián)連接；所述動態(tài)電壓恢復(fù)器用于監(jiān)測其所連接的相電源到所述三相電源系統(tǒng)中未被選取的相電源之間的電壓，并且用于在監(jiān)測到的電壓波動時將該電壓恢復(fù)到其標(biāo)稱值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的動態(tài)電壓補償器，其特征在于所述動態(tài)電壓恢復(fù)器包括電壓源逆變器，所述電壓源逆變器包括至少一個功率電力電子開關(guān)和二極管對，用于合成注入電壓。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的動態(tài)電壓補償器，其特征在于所述動態(tài)電壓恢復(fù)器包括能量存儲器，用于為所述電壓源逆變器提供能量，并產(chǎn)生注入電壓。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的動態(tài)電壓補償器，其特征在于所述動態(tài)電壓恢復(fù)器包括諧波濾波器，用于過濾所述電壓源逆變器生成的高次諧波電壓。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2至4中任一所述的動態(tài)電壓補償器，其特征在于所述動態(tài)電壓恢復(fù)器還包括隔離變壓器，用于提升由所述電壓源逆變器產(chǎn)生的注入電壓，并將該注入電壓耦合到電源電^各中。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2至4中任一所述的動態(tài)電壓補償器，其特征在于所述功率電力電子開關(guān)是IGBT或MOSFET。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的動態(tài)電壓補償器，其特征在于所述動態(tài)電壓補償器包括連接在電源和負(fù)載之間的旁路開關(guān)，以及分別設(shè)置在動態(tài)電壓恢復(fù)器和電源之間以及動態(tài)電壓恢復(fù)器和負(fù)載之間的隔離開關(guān)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的動態(tài)電壓補償器，其特征在于所述動態(tài)電壓補償器用于三相三線電源系統(tǒng)中。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的動態(tài)電壓補償器，其特征在于所述動態(tài)電壓補償器用于三相四線電源系統(tǒng)中。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種用于三相電源系統(tǒng)中補償電壓波動的新型動態(tài)電壓補償器。所述動態(tài)電壓補償器包括兩個動態(tài)電壓恢復(fù)器，在所述三相電源系統(tǒng)中任意選取兩相，在每個所選取的相電源上分別串聯(lián)連接一個所述動態(tài)電壓恢復(fù)器；所述動態(tài)電壓恢復(fù)器用于監(jiān)測其所連接的相電源到所述三相電源系統(tǒng)中未被選取的相電源之間的電壓，并且用于在監(jiān)測到的電壓波動時將該電壓恢復(fù)到正常水平，同時未選相的相電壓也可以被自動恢復(fù)到正常水平。這樣可以保證僅用兩組單相DVR就可以把三相的相電壓均恢復(fù)到正常水平。利用本發(fā)明所提出的動態(tài)電壓恢復(fù)器結(jié)構(gòu)，可以大致減小三分之一的總元件數(shù)量，這使得成本顯著降低。
文檔編號G05F1/70GK101521385SQ20081008066
公開日2009年9月2日 申請日期2008年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月28日
發(fā)明者越 卓, 李劍鐸 申請人:西門子公司