專利名稱：采用三單相結(jié)構(gòu)的動態(tài)電壓補償器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種動態(tài)電壓補償器，尤其涉及一種采用三單相結(jié)構(gòu) 的動態(tài)電壓補償器。
背景技術(shù)：
動態(tài)電壓補償器(Dynamic Voltage Restorer ， DVR )是一種電壓源 型電力電子補償裝置，串接于電源和重要負(fù)荷之間。它具有很好的動態(tài)性 能，當(dāng)發(fā)生電壓暫降或凸起時，能在很短的時間(幾個毫秒)內(nèi)將故障處 電壓恢復(fù)到正常值。DVR通常由儲能裝置、逆變裝置、濾波裝置、串聯(lián)變 壓器構(gòu)成，其控制電路多由單片機組成。
由圖1可見整流模塊由三相整流電路實現(xiàn)，其直流側(cè)電壓不可控， 難以保證在電壓跌落時直流側(cè)電壓的穩(wěn)定；直流儲能模塊由電容電路實現(xiàn)； 逆變模塊采用三相全橋逆變電路實現(xiàn)，在補償三相不平衡跌落時存在補償 電壓不夠精確，無法輸出零序電壓分量，控制復(fù)雜等缺點；裝置通過濾波 并網(wǎng)模塊接入電網(wǎng)，由于變壓器自身產(chǎn)生相移以及衰減，給電壓補償帶來 了設(shè)計困難，降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和補償效果。檢測模塊硬件上由電壓、 電流傳感器組成，用于獲得算法中需要的模擬信號量。由于我國電網(wǎng)多采 用三相四線制結(jié)構(gòu)，三相不平衡情況較多，所以傳統(tǒng)的DVR結(jié)構(gòu)難以滿足 補償要求。 發(fā)明內(nèi)容
本實嫋新型需^li決的技術(shù)問題是提供了一種采用三單相結(jié)構(gòu)的動態(tài) 電壓補償器，旨在解決上述的缺陷。
為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的 本實用新型包括電網(wǎng)的三相交流電壓輸入到整流模塊；所述的整流 模塊是采用整流控制環(huán)節(jié)輸出的PWM控制三單相全橋電路；整流模塊的直 流電壓輸出到由直流電容構(gòu)成的直流儲能模塊；直流儲能模塊直流輸出到 逆變模塊;所述的逆變模塊是采用逆變控制環(huán)節(jié)輸出的PWM控制三單相全 橋電路；逆變模塊輸出到濾波并網(wǎng)模塊；所述的濾波并網(wǎng)模塊由LC電路構(gòu) 成，通過電容直接串入電網(wǎng)；檢測模塊中檢測算法對輸入的電壓電流模擬 量信號，進(jìn)行處理，得到所需的參考波分量的輸出送入逆變器控制環(huán)節(jié)；
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果是徹底解決了三相電壓不 平衡的補償問題；同時也可以進(jìn)行各單相獨立工作，在某一相失效時不影 響另外兩相的正常工作。
圖1是現(xiàn)有技術(shù)中三相全橋DVR模塊圖； 圖2是本實用新型的模塊圖； 圖3是圖2中某一相的模塊圖； 圖4是本實用新型的整流控制原理圖； 圖5是本實用新型的逆變控制原理圖； 圖6是檢測模塊中檢測算法原理框圖； 圖7是本實用新型程序流程圖具體實施方式
以下結(jié)合附圖與具體實施方式
對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述 由圖2、圖3可見本實用新型包括電網(wǎng)的三相交流電壓輸入到整流 模塊；所述的整流模塊是采用整流控制環(huán)節(jié)輸出的PWM (脈寬調(diào)制技術(shù)) 控制三單榻全橋電路；整流模塊的直流電壓輸出到由直流電容構(gòu)成的直流 儲能模塊；直流儲能模塊直流輸出到逆變模塊；所述的逆變模塊是采用逆
變控制環(huán)節(jié)輸出的PWM控制三單相全橋電路;逆變模塊輸出到濾波并網(wǎng)模 塊；所述的濾波并網(wǎng)模塊由LC電路構(gòu)成，通過電容直接串入電網(wǎng)；檢測模 塊輸入為系統(tǒng)的電壓電流模擬量信號，作為參考波分量的輸出送入逆變器 控制環(huán)節(jié)；
所述的整流控制環(huán)節(jié)輸出的PWM (脈寬調(diào)制技術(shù))控制三單相全橋電 路，包括A相，控制脈沖分別控制第十一開關(guān)管ll、第十二開關(guān)管12、 第十三開關(guān)管13、第十四開關(guān)管14;第十一開關(guān)管11、第十二開關(guān)管12 為同一橋臂，第十三開關(guān)管13、第十四開關(guān)管14為同一橋臂；B相，控制 脈沖分別控制第二十一開關(guān)管21、第二十二開關(guān)管22、第二十三開關(guān)管23、 第二十四開關(guān)管24;第二十一開關(guān)管21、第二十二開關(guān)管22為同一橋臂， 第二十三開關(guān)管23、第二十四開關(guān)管24為同一橋臂；C相，控制脈沖分 別控制第三十一開關(guān)管31、第三十二開關(guān)管32、第三十三開關(guān)管33、第三 十四開關(guān)管34;第三十一開關(guān)管31、第三十二開關(guān)管32為同一橋臂；第 三十三開關(guān)管33、第三十四開關(guān)管34為同一橋臂；直流側(cè)第一電容C1、 第二電容C2和第三電容C3分別連接與各相橋臂兩端，交流進(jìn)線分別連接 至各橋臂中點；第一開關(guān)Kl、第二開關(guān)K2和第三開關(guān)K3為主電路切換開 關(guān)，串聯(lián)于電網(wǎng)與設(shè)備之間；
所述的逆變控制環(huán)節(jié)輸出的PWM控制三單相全橋電路包括A相，控 制脈沖分別控制第四十一開關(guān)管41、第四十二開關(guān)管42、第四十三開關(guān)管 43、第四十四開關(guān)管44;第四十一開關(guān)管41、第四十二開關(guān)管42為同一 橋臂，第四十三開關(guān)管43、第四十四開關(guān)管44為同一橋臂；B相，控制脈 沖分別控制第五十一開關(guān)管51、第五十二開關(guān)管52、第五十三開關(guān)管53、 第五十四開關(guān)管54;第五十一開關(guān)管51、第五十二開關(guān)管52為同一橋臂， 第五十三開關(guān)管53、第五十四開關(guān)管54為同一橋臂；C相，控制脈沖分 別控制第六十一開關(guān)管61、第六十二開關(guān)管62、第六十三開關(guān)管63、第六
十四開關(guān)管64;第六十一開關(guān)管61、第六十二開關(guān)管62為同一橋臂，第 六十三開關(guān)管63、第六十四開關(guān)管64為同一橋臂；直流側(cè)第一電容C1、 第二電容C2和第三電容C3分別連接與各相橋臂兩端，A相從橋臂中點處引 線至第A電感La，第A電容Ca， B相從橋臂中點處引線至第B電感Lb，第 B電容Cb， C相從橋臂中點處引線至第C電感Lc，第C電容Cc，第A電容 Ca 、第B電容Cb和第C電容Cc串聯(lián)接入主電路；
檢測模塊的硬件結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有技術(shù)相同。
所述的所有開關(guān)是IPM作為其開關(guān)器件；
本實用新型中整流模塊使用PWM全橋整流，直流側(cè)電壓穩(wěn)定，可以 減少諧波，且保證功率因數(shù)接近為l，能量可以雙向流動。
由圖4可見在整流模塊中控制系統(tǒng)由雙閉環(huán)構(gòu)成，外環(huán)為電壓環(huán)， 內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。外環(huán)的PI調(diào)節(jié)器(現(xiàn)有技術(shù)PI調(diào)節(jié)器實際是一個放大系 數(shù)可自動調(diào)節(jié)的放大器，動態(tài)時，放大系數(shù)較低，是為了防止系統(tǒng)出現(xiàn)超
調(diào)與振蕩；靜態(tài)時，放大系數(shù)較高，可以蒱捉到小誤差信號，提高控制精 度。)輸出的信號/,乘以與相電壓同相的參考正弦波信號，得到與相電壓同
相位的正弦指令信號i:，以該信號作為電抗器電流的標(biāo)準(zhǔn)信號，和實際交流 電流信號相比較后產(chǎn)生相電流的誤差信號，乘以一個比例系數(shù)，再用交流 側(cè)電網(wǎng)電壓減去該量，并以此為參考波信號與三角波比較產(chǎn)生各開關(guān)器件 的PWM控制信號，最后通過驅(qū)動電路對功率器件進(jìn)行控制，從而使實際交 流輸入電流和電壓達(dá)到同相位，輸入功率因數(shù)接近l。
逆變模塊使用PWM全橋逆變，三相輸出相互獨立，且可以輸出零序 電壓分量，對三相不平衡具有良好補償特性；
由圖5可見在逆變模塊中控制系統(tǒng)采用電壓電流雙閉環(huán)控制 為了獲得更好的負(fù)載調(diào)節(jié)特性和穩(wěn)定的電壓輸出，可以對裝置的輸出 電壓進(jìn)行直接控制，輸出電壓的瞬時值控制可以通過PI環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)參考電壓和輸出電壓的瞬時值之差，可以提高響應(yīng)速度和動態(tài)性能，但是僅僅采用 電壓瞬時值控制方式對于非線性負(fù)載的適應(yīng)性并不是很好，同時系統(tǒng)的穩(wěn) 定裕度不高，參數(shù)設(shè)計相對困難。故考慮再引入電流瞬時值反饋控制方法。 擬采用電壓瞬時值外環(huán)控制，確保負(fù)載電壓能快速跟蹤參考電壓，保證裝 置的良好響應(yīng)速度，將電流局部反饋控制作為內(nèi)環(huán)控制，以提高對參數(shù)及 負(fù)載的獨立性，確保各種負(fù)載工況下裝置的穩(wěn)定運行。 己知單相串聯(lián)逆變器的狀態(tài)方程為
wsin(fi^)^為開關(guān)管兩橋臂輸出電壓。
本實用新型中檢測模塊檢測到電壓波動時，將其儲存的電壓輸入到逆 變模塊，得到需要補償?shù)娜嘟涣麟妷?，通過濾波電路，通過電容與主電 路耦合。
檢測模塊采用基于瞬時無功功率理論的三相電壓檢測方法，檢測電 壓跌落同時檢測負(fù)載功率因數(shù)，具有補償功率因數(shù)和電壓跌落的雙重特點。
瞬時無功理論突破以平均值為基礎(chǔ)的功率定義，系統(tǒng)地定義了瞬時無 功功率、瞬時有功功率等瞬時功率量；通過對三相電路的電流、電壓量進(jìn) 行矩陣變換，從而求得瞬時的有功功率和無功功率。
由圖7、圖8可見首先電網(wǎng)三相電壓w。、 ^和A進(jìn)行鎖相，將鎖相得 到的相位信息，再將該相位的正余弦值送入dqO變換模塊，與"。、^和A進(jìn) 行矩陣變換后之后求得t^、 "g和"。。其次對負(fù)載的電壓"^。、 w,』和",^進(jìn) 行鎖相，再將鎖相得到的相位的正余弦值送入dqO變換模塊，與//0^、 /^^和
/,(^進(jìn)行矩陣變換得到P和Q分量，求出功角P,再將一^的正余弦值與電 網(wǎng)電壓的基準(zhǔn)幅值相乘，得到的值分別與",、"a進(jìn)行加減計算，得到的值
送入dqO反變換模塊，即可得到逆變器所需的參考電壓值。
本實用新型中所有整流，逆變裝置都采用IPM作為其開關(guān)器件
動態(tài)電壓恢復(fù)器的主要特點是能實現(xiàn)對諧波電壓、電壓瞬時跌落的動 態(tài)補償。為此要求主電路能夠快速、準(zhǔn)確的產(chǎn)生補償電壓。目前主電路所
采用的PWM變流器，理論上是理想的補償電壓的發(fā)生電路。但在實際應(yīng)用 中，由于受功率器件工作頻率的限制，補償電壓不可能完全跟隨指令信號 的變化。為了使補償電壓快速跟隨指令信號的變化，必須釆用快速的功率 器件。而另一方面，器件的選擇還要考慮補償裝置容量的大小。因此使用 的器件需根據(jù)其電壓和電流等級、開關(guān)頻率等因素綜合考慮。本實用新型 中開關(guān)器件采用智能功率模塊(Intelligent Power Module,簡稱IPM)。智 能功率模塊是先進(jìn)的混合集成功率器件，由高速、低耗的IPM芯片和優(yōu)化的 門極驅(qū)動及保護(hù)電路構(gòu)成，可靠性很高，開關(guān)頻率高，非常適合應(yīng)用于動 態(tài)電壓恢復(fù)器。選用IPM時，主要根據(jù)實際電路中的電壓和電流來選擇IPM 的額定電壓和電流?？紤]到開關(guān)時的浪涌電壓和裕量，所選用的IPM的額定 電壓應(yīng)大于直流側(cè)電壓(可取1.5_2倍)。選用的IPM的額定電流也應(yīng)考慮 1.5-2倍的裕量。
本實用新型的三單相結(jié)構(gòu)的特點，可以對三相電壓不平衡進(jìn)行補償， 并具有各相獨立補償?shù)奶攸c。逆變器輸出不受主電路結(jié)構(gòu)的限制，三相主 電路之間相互獨立，控制靈活方便。
本實用新型徹底解決了三相電壓不平衡的補償問題；同時也可以進(jìn)行 各單相獨立工作，在某一相失效時不影響另外兩相的正常工作；
采用PWM整流器獲得直流電壓，具有功率因數(shù)高，對電網(wǎng)諧波污染少， 和保證直流側(cè)電壓穩(wěn)定的特點；
LC 、 器使用電容直接并入電網(wǎng)，減少了使用濾波器帶來的控制復(fù)雜 性，更好提高了輸出波形質(zhì)量；
檢測算法中，不僅檢測了電壓跌落，還對負(fù)載功率因數(shù)進(jìn)行了檢測， 使得裝置具有補償無功，提高功率因數(shù)的特點。
權(quán)利要求1.一種采用三單相結(jié)構(gòu)的動態(tài)電壓補償器，其特征在于包括電網(wǎng)的三相交流電壓輸入到整流模塊；所述的整流模塊是采用整流控制環(huán)節(jié)輸出的PWM控制三單相全橋電路；整流模塊的直流電壓輸出到由直流電容構(gòu)成的直流儲能模塊；直流儲能模塊直流輸出到逆變模塊；所述的逆變模塊是采用逆變控制環(huán)節(jié)輸出的PWM控制三單相全橋電路；逆變模塊輸出到濾波并網(wǎng)模塊；所述的濾波并網(wǎng)模塊由LC電路構(gòu)成，通過電容直接串入電網(wǎng)；檢測模塊輸入為系統(tǒng)的電壓電流模擬量信號，作為參考波分量的輸出送入逆變器控制環(huán)節(jié)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的采用三單相結(jié)構(gòu)的動態(tài)電壓補償器，其特征 在于所述的整流控制環(huán)節(jié)輸出的PWM控制三單相全橋電路，包括A 相，控制脈沖分別控制第十一開關(guān)管(11)、第十二開關(guān)管(12)、第十三 開關(guān)管(13)、第十四開關(guān)管(14);第十一開關(guān)管(11)、第十二開關(guān)管(12) 為同一橋臂，第十三開關(guān)管(13)、第十四開關(guān)管(14)為同一橋臂；B相， 控制脈沖分別控制第二十一開關(guān)管(21)、第二十二開關(guān)管(22)、第二十 三開關(guān)管(23)、第二十四開關(guān)管(24);第二十一開關(guān)管(21)、第二十二 開關(guān)管(22)為同一橋臂，第二十三開關(guān)管(23)、第二十四開關(guān)管(24) 為同一橋臂；C相，控制脈沖分別控制第三十一開關(guān)管(31)、第三十二開 關(guān)管(32)、第三十三開關(guān)管(33)、第三十四開關(guān)管(34);第三十一開關(guān) 管(31)、第三十二開關(guān)管(32)為同一橋臂；第三十三開關(guān)管(33)、第 三十四開關(guān)管(34)為同一橋臂；直流側(cè)第一電容(Cl)、第二電容(C2) 和第三電容(C3)分別連接與各相橋臂兩端，交流進(jìn)線分別連接至各橋臂 中點；第一開關(guān)(Kl)、第二開關(guān)(K2)和第三開關(guān)(K3)為主電路切換 開關(guān)，串聯(lián)于電網(wǎng)與設(shè)備之間。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的釆用三單相結(jié)構(gòu)的動態(tài)電壓補償器，其特征在于所述的逆變控制環(huán)節(jié)輸出的PWM控制三單相全橋電路包括A相， 控制脈沖分別控制第四十一開關(guān)管(41)、第四十二開關(guān)管(42)、第四十 三開關(guān)管(43)、第四十四開關(guān)管(44);第四H^—開關(guān)管(41)、第四十二 開關(guān)管(42)為同一橋臂，第四十三開關(guān)管(43)、第四十四開關(guān)管(44) 為同一橋臂；B相，控制脈沖分別控制第五十一開關(guān)管(51)、第五十二開 關(guān)管(52)、第五十三開關(guān)管(53)、第五十四開關(guān)管(54);第五十一開關(guān) 管(51)、第五十二開關(guān)管(52)為同一橋臂，第五十三開關(guān)管(53)、第 五十四開關(guān)管(54)為同一橋臂；C相，控制脈沖分別控制第六十一開關(guān) 管(61)、第六十二開關(guān)管(62)、第六十三開關(guān)管(63)、第六十四開關(guān)管 (64);第六十一開關(guān)管(61)、第六十二開關(guān)管(62)為同一橋臂，第六 十三開關(guān)管(63)、第六十四開關(guān)管(64)為同一橋臂；直流側(cè)第一電容(Cl)、 第二電容(C2)和第三電容(C3)分別連接與各相橋臂兩端，A相從橋臂中 點處引線至第A電感(La)，第A電容(Ca)， B相從橋臂中點處引線至第B 電感(Lb),第B電容(Cb)， C相從橋臂中點處引線至第C電感(Lc)，第 C電容(Cc)，第A電容(Ca)、第B電容(Cb)和第C電容(Cc)串聯(lián) 接入主電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的采用三單相結(jié)構(gòu)的動態(tài)電壓補償器，其 特征在于所述的所有開關(guān)是IPM作為其開關(guān)器件。
專利摘要本實用新型涉及一種采用三單相結(jié)構(gòu)的動態(tài)電壓補償器，包括電網(wǎng)的三相交流電壓輸入到整流模塊；所述的整流模塊是采用整流控制環(huán)節(jié)輸出的PWM控制三單相全橋電路；整流模塊的直流電壓輸出到由直流電容構(gòu)成的直流儲能模塊；直流儲能模塊直流輸出到逆變模塊；所述的逆變模塊是采用逆變控制環(huán)節(jié)輸出的PWM控制三單相全橋電路；逆變模塊輸出到濾波并網(wǎng)模塊；所述的濾波并網(wǎng)模塊由LC電路構(gòu)成，通過電容直接串入電網(wǎng)；檢測模塊輸入為系統(tǒng)的電壓電流模擬量信號，作為參考波分量的輸出送入逆變器控制環(huán)節(jié)；本實用新型的有益效果是徹底解決了三相電壓不平衡的補償問題；同時也可以進(jìn)行各單相獨立工作，在某一相失效時不影響另外兩相的正常工作。
文檔編號H02J3/00GK201061144SQ200720069169
公開日2008年5月14日 申請日期2007年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月20日
發(fā)明者董祖毅, 陳國棟 申請人:上海輸配電股份有限公司