專利名稱：：無串聯(lián)變壓器級聯(lián)多電平動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本實用新型涉及電力系統(tǒng)中的調(diào)壓設(shè)備，具體地說是一種無串聯(lián)變壓器級聯(lián)多電平動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器。
背景技術(shù)：
：在各種電能質(zhì)量問題當(dāng)中，電壓暫降是發(fā)生概率最高的電能質(zhì)量問題。近年來，由于高科技經(jīng)濟的發(fā)展，敏感負(fù)荷也逐漸增加，由電壓暫降發(fā)生的機率遠(yuǎn)高于斷電發(fā)生的機率。調(diào)查顯示在所有配電系統(tǒng)事故中，電壓暫降占了70%-80%;而在輸電系統(tǒng)事故中，電壓暫降所占的比例超過了96%。目前在歐美各國對電壓暫降的關(guān)注程度比其它有關(guān)電能質(zhì)量問題的關(guān)注程度要大得多，其中一個重要的因素是在電能質(zhì)量的諸多原因中，由電壓暫降引起的用戶投訴占整個電能質(zhì)量問題的80%以上，而由諧波、閃變、開關(guān)操作過電壓等引起的電能質(zhì)量問題投訴不到20%。引起電壓暫降最常見的原因有如下幾種1)線路發(fā)生短路故障引起的電壓暫降，當(dāng)線路中出現(xiàn)短路故障時，電流急劇增大，在公共電壓連接點就會產(chǎn)生電壓暫降。暫降的大小由短路故障類型和故障點距離決定，而持續(xù)時間則取決于保護(hù)的類型。2)大型感應(yīng)電動機起動引起的電壓暫降，感應(yīng)電動機起動時，其起動電流接近穩(wěn)態(tài)運行時的5-10倍，這一大電流流經(jīng)線路時，就會引起電壓的突然下降。3)變壓器勵磁涌流引起的電壓暫降，變壓器在穩(wěn)態(tài)運行時，空載勵磁電流是額定電流的2-10%。但在空載接通電源的瞬間，磁通可能超過正常時的兩倍，由于鐵心飽和，勵磁電流很大，超過穩(wěn)態(tài)勵磁電流的幾十倍乃至百余倍，可達(dá)額定電流的3-5倍。這樣也會引起線路的電壓暫降。4)雷擊引起電壓暫降，因雷擊引起的電壓暫降次數(shù)在有的地方占總次數(shù)的一半以上。其它的如自動重合閘、開關(guān)操作、電容器組的投切以及他們的組合都會引起電壓暫降。在工程中通常用兩個變量來描述電壓暫降暫降幅度(SagMagnitude)和持續(xù)時間(DurationTime)，暫降幅度10%-90%，持續(xù)時間0.5個周波到lmin。很多電壓暫降發(fā)生時我們是感覺不到的，大多數(shù)機器仍在工作，而有些機器卻突然間停機了，這樣的事故雖然不是特別多，但平均起來每個月都會發(fā)生幾次，就是這樣的情況每年造成的直接和間接經(jīng)濟損失就難以估量。電壓暫降造成的危害與設(shè)備自身的特性以及用戶的要求密切相關(guān)。對廣泛應(yīng)用于配電網(wǎng)的調(diào)速電機，當(dāng)電壓低于70%，持續(xù)時間超過6個周波時，電機將被迫切除，而對于一些精細(xì)加工中的電機，當(dāng)電壓低于90%、持續(xù)時間超過3個周波時，電機就會跳閘而退出運行。對可編程控制器(PLC)，當(dāng)電壓低于81%時，PLC停止工作；一些I/O設(shè)備，當(dāng)電壓低于90%、持續(xù)時間僅幾個周波，就會被切除；對于廣泛應(yīng)用于日常工作和家庭中的計算機，當(dāng)電壓低于60%、持續(xù)時間超過幾個周波時，計算機工作將受到影響，如數(shù)據(jù)丟失。半導(dǎo)體行業(yè)，對生產(chǎn)工藝、環(huán)境(如溫度、空氣清潔度等)等要求很高，而且半導(dǎo)體工廠是一個相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，整條工藝生產(chǎn)線都要停下來。例如冷卻機因電壓暫降停下來，溫度達(dá)不到生產(chǎn)要求，其他工藝也會因連鎖故障停下來。正在加工的產(chǎn)品只能報廢，而重新啟動生產(chǎn)、恢復(fù)常態(tài)需要較長的時間(至少半個小時)。汽車制造行業(yè)對溫度、濕度、進(jìn)出氣壓力及工藝自身要求都很高，且這些因素是相互關(guān)聯(lián)的，一旦烘干爐(控制溫度)停機，整條生產(chǎn)線都要停下來，正在電泳噴漆和烘干的車身報廢，重新啟動恢復(fù)正常需要12個小時。輪胎制造行業(yè)，例如為硫化工藝提供蒸汽的鍋爐一旦因電能質(zhì)量問題發(fā)生停機，就會導(dǎo)致硫化工藝的產(chǎn)品全部報廢，重新啟動恢復(fù)的時間在半個小時以上。治金、化工業(yè)，在生產(chǎn)過程中電壓暫降造成設(shè)備停機，對設(shè)備、人身造成很大危險，可能導(dǎo)致惡性事故發(fā)生，而重新啟動達(dá)到生產(chǎn)所需的條件，又需要較長的時間，經(jīng)濟損失巨大。電壓暫降可通過減少線路發(fā)生故障的頻率、快速線路保護(hù)的應(yīng)用或在用戶側(cè)安裝一些定制電力技術(shù)的裝置來解決。目前，有若干個產(chǎn)品可用來減少電壓跌落的影響1)變壓器分接頭調(diào)節(jié)器，該產(chǎn)品由于受變壓器分接頭的調(diào)節(jié)范圍限制，僅在一定程度上減輕電壓跌落的影響，且調(diào)節(jié)時間較長?；么胖C振變壓器CVT(ConstantVoltageTransformer)，當(dāng)電源電壓的幅值改變時，CVT能給負(fù)載提供定值電壓。在電壓跌落下降到正常值的60%時則不能平穩(wěn)地提供電壓支撐，且體積比標(biāo)準(zhǔn)變壓器稍大，容量通常在20kVA以下。3)不間斷電源UPS(UninterruptablePowerSupply)，在減少電壓跌落和電壓中斷影響的裝置中，UPS是使用較廣的設(shè)備，當(dāng)電源發(fā)生電壓跌落或電壓中斷時，由UPS供電，提供給用戶合格的電壓。UPS的缺點是大容量受限制，運行維護(hù)費用高，且故障時不能有效識別是斷電還是電壓暫降，這對用電設(shè)備及系統(tǒng)造成很大危害。4)防晃電接觸器，其工作原理是在控制電壓突然跌落到非正常工作電壓時，欠壓信號傳輸?shù)接来沤佑|器的控制電路中，控制系統(tǒng)對信號立即做出分析，是需要延時還是常規(guī)工作。目前該產(chǎn)品存在如下缺點a、安裝部位多，用量十分大，設(shè)備自身故障點增多，導(dǎo)致系統(tǒng)防晃電效果不穩(wěn)定，且防晃電接觸器自身維護(hù)量很大；b、應(yīng)用局限性大，防晃電接觸器不能應(yīng)用于變頻器、智能型斷路器等；C、防晃電接觸器的延時功能主要是利用延時繼電器來完成的，延時繼電器發(fā)生故障時不能保證設(shè)備正常運行，有時發(fā)生負(fù)載事故。
發(fā)明內(nèi)容為解決上述存在的技術(shù)問題，本實用新型提供一種無串聯(lián)變壓器級聯(lián)多電平動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器，安裝在供電系統(tǒng)IOkV或400V母線上，對該母線所供負(fù)荷均能實現(xiàn)調(diào)節(jié)，當(dāng)電壓跌落發(fā)生時，可以在毫秒級內(nèi)將電壓跌落補償成正常值，對變頻器、智能型斷路器均適用，應(yīng)用無局限性，且不存在誤動作等因素，故障率極低。為達(dá)到上述目的，本實用新型采用的技術(shù)方案如下包含有并聯(lián)連接的逆變器、濾波電容Cr和旁路開關(guān)K，所述逆變器由多個級聯(lián)的H橋逆變單元組成，所述H橋逆變單元上均并聯(lián)有幅值相等的直流電容C，所述逆變器的兩側(cè)輸出端分別連接有濾波電抗Lr。本實用新型的有益效果如下1)本實用新型是一種靜態(tài)串聯(lián)補償器，適用于復(fù)雜的現(xiàn)代化生產(chǎn)線或生產(chǎn)線中的敏感環(huán)節(jié)，為系統(tǒng)多重冗余保護(hù)，結(jié)構(gòu)簡單，故障環(huán)節(jié)少，可靠性高；[0020]2)本實用新型的適配性強，過載能力強，可串聯(lián)在生產(chǎn)線上的任何重要負(fù)荷輸入側(cè)，且適應(yīng)任何容性負(fù)載和感性負(fù)載，容量匹配與負(fù)載一致；3)本實用新型運行損耗小，在不發(fā)生電壓跌落時，采用電子旁路工作方式，運行效率由此得到提高，一般大于98%；4)本實用新型中不含大容量儲能元件，因此體積相對較小，并且壽命長、免維護(hù)；5)本實用新型還能夠應(yīng)用遠(yuǎn)程監(jiān)測手段，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的電能質(zhì)量的監(jiān)測。圖1為本實用新型主回路拓?fù)鋯尉€示意圖；圖2為本實用新型注入電壓指令生成框圖。具體實施方式以下結(jié)合附圖和具體實施例對本實用新型進(jìn)行詳細(xì)描述在以下論述中，本實用新型簡稱DVR.。目前動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器的主電路結(jié)構(gòu)有所不同，不同的主電路結(jié)構(gòu)會有不同的補償效果和性價比?？捎迷诟邏捍笕萘款I(lǐng)域的實用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為三電平結(jié)構(gòu)和多電平結(jié)構(gòu)。在相同基波輸出下，三電平結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)二電平結(jié)構(gòu)相比，具有開關(guān)頻率低、元件應(yīng)力小、開關(guān)損耗低、輸出諧波小的優(yōu)點；缺點是在實際應(yīng)用上，單個開關(guān)器件仍然要承受較大電壓應(yīng)力，器件參數(shù)選擇余地較小，在線處理電容電壓不平衡、窄脈沖消除等問題使得控制變得很復(fù)雜；同時，系統(tǒng)的冗余設(shè)計、容量擴展困難。而多電平結(jié)構(gòu)，具有電平越多，輸出電壓諧波含量越小、開關(guān)損耗小、效率高的優(yōu)點，它作為一種新型的高壓大功率變換器，從電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)入手，在得到高質(zhì)量的輸出波形的同時，克服了二電平電路的諸多缺點，無需動態(tài)均壓電路，開關(guān)頻率低，因而開關(guān)器件應(yīng)力小，系統(tǒng)效率高等。二極管箝位型和級聯(lián)型多電平拓?fù)涞膽?yīng)用較為廣泛，其中二極管型適用于35電平的應(yīng)用場合，當(dāng)電平數(shù)超過5時，該電路的結(jié)構(gòu)和控制變得非常復(fù)雜，而級聯(lián)型電路很容易擴展到2N+1電平(其中N為模塊數(shù))，且不會導(dǎo)致電路結(jié)構(gòu)和控制的復(fù)雜化。如圖1所示為本實用新型的一個具體實施例，DVR包含有并聯(lián)連接的逆變器1、濾波電容Cr和旁路開關(guān)K，所述逆變器1由多個級聯(lián)的H橋逆變單元2組成，所述H橋逆變單元2上均并聯(lián)有幅值相等的直流電容C，所述的H橋逆變單元2的電路根據(jù)具體情況用戶可以自行設(shè)計，圖1中只是簡單的舉例說明，所述逆變器1的兩側(cè)輸出端分別連接有濾波電抗0.5Lr,此處的0.5為一個電抗系數(shù)，也是舉例而言。將DVR安裝在供電系統(tǒng)IOkV或400V母線上，在DVR輸出側(cè)分別設(shè)置無源濾波器Tl和T2，再與敏感負(fù)荷連接。由于每個級聯(lián)H橋逆變單元2都有其相互獨立的、幅值相等的直流電壓源即直流電容C，在一個工作周期內(nèi)，由N個H橋逆變單元級2聯(lián)構(gòu)成的逆變器1輸出2N+1電平的電壓波形。由于采用級聯(lián)結(jié)構(gòu)，具有獨具特色的提取能量模式，不需要單獨設(shè)置充電回路和串聯(lián)注入變壓器，有利于節(jié)省成本、減少占地面積以及提高系統(tǒng)可靠性，同時，模塊的級聯(lián)使得在不提高器件開關(guān)頻率的條件下，大大提高了裝置等效開關(guān)頻率，簡化了濾波器設(shè)計，降低了損耗。在配電系統(tǒng)正常供電情況下，DVR工作在電子旁路狀態(tài)，其損耗是相當(dāng)?shù)偷?。?dāng)電網(wǎng)發(fā)生某種電壓質(zhì)量問題而出現(xiàn)電壓跌落時，DVR會在幾毫秒之內(nèi)向系統(tǒng)注入電網(wǎng)正常狀態(tài)和故障狀態(tài)下的電壓差，使得負(fù)載上的電壓保持恒定不變。雖然DVR等效開關(guān)頻率很高，輸出電壓含有的較低次的高次諧波很小，然而在等效開關(guān)頻率附近仍然分布著大量高次諧波，如不濾除，將增大DVR輸出電壓波形的總諧波畸變率。圖1中DVR輸出側(cè)配置的無源濾波器Tl和T2可以起到很好的濾除高次諧波的效果，其固有諧振頻率必須遠(yuǎn)大于工頻頻率，同時遠(yuǎn)小于需要濾除的高次諧波頻率。而圖1中，DVR逆變器1輸出電路兩側(cè)放置濾波電抗Lr的目的是限制級聯(lián)單元中間發(fā)生短路故障時可能產(chǎn)生的過電流及電流上升率，所以濾波電抗Lr要盡量減小，而過大的濾波電容Cr會顯著增大逆變器的額定容量?？紤]到系統(tǒng)正常工作時，電源側(cè)電壓不能損失過大，設(shè)計濾波器Tl、T2及DVR時要對照濾波效果仔細(xì)分析，折衷取值。如圖2所示，DVR控制算法由3部分組成，分別為電壓暫降檢測、指令電壓生成、底層PWM控制。電壓暫降檢測采用d_q變換，檢測系統(tǒng)電壓矢量的變化量，與給定值比較，超出誤差范圍，發(fā)出Sag信號，采用載波移相(Carrierfhase-aiiftecOSPWM方式作為底層調(diào)制方式，使得級聯(lián)單元疊加輸出的SPWM波的等效開關(guān)頻率提高到原來每個單元的6倍，因此在不提高開關(guān)頻率條件下，大大減小了輸出波形的低次諧波。權(quán)利要求1.一種無串聯(lián)變壓器級聯(lián)多電平動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器，其特征在于，包含有并聯(lián)連接的逆變器(1)、濾波電容Cr和旁路開關(guān)K，所述逆變器(1)由多個級聯(lián)的H橋逆變單元(2)組成，所述H橋逆變單元(上均并聯(lián)有幅值相等的直流電容C，所述逆變器(1)的兩側(cè)輸出端分別連接有濾波電抗Lr。專利摘要本實用新型公開了一種無串聯(lián)變壓器級聯(lián)多電平動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器，涉及電力系統(tǒng)中的調(diào)壓設(shè)備，包含有并聯(lián)連接的逆變器、濾波電容Cr和旁路開關(guān)K，所述逆變器由多個級聯(lián)的H橋逆變單元組成，所述H橋逆變單元上均并聯(lián)有幅值相等的直流電容C，所述逆變器的兩側(cè)輸出端分別連接有濾波電抗Lr。本實用新型安裝在供電系統(tǒng)10kV或400V母線上，對該母線所供負(fù)荷均能實現(xiàn)調(diào)節(jié)，當(dāng)電壓跌落發(fā)生時，可以在毫秒級內(nèi)將電壓跌落補償成正常值，對變頻器、智能型斷路器均適用，應(yīng)用無局限性，且不存在誤動作等因素，故障率極低。文檔編號H02J3/28GK202004466SQ20102069794公開日2011年10月5日申請日期2010年12月28日優(yōu)先權(quán)日2010年12月28日發(fā)明者朱華鋒,李鋒申請人:朱華鋒