專利名稱：一種綜合過流保護(hù)電流質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種用于交流干線或交流配電網(wǎng)絡(luò)的電路裝置，尤其是涉及到一種適用于高壓交流電網(wǎng)穩(wěn)定電壓和減少諧波或波紋的裝置。
背景技術(shù)：
城市電網(wǎng)中現(xiàn)代工業(yè)、商業(yè)和居民用電設(shè)備，如高性能辦公設(shè)備、精密實驗儀器、變頻調(diào)速設(shè)備、可編程邏輯控制器、各種自動生產(chǎn)線以及計算機(jī)系統(tǒng)等對電源特性變化敏感性負(fù)荷呈逐年上升趨勢，對電能質(zhì)量的要求不斷提高。對敏感用戶(如半導(dǎo)體制造企業(yè))而言，幾十毫秒的電壓暫降就可能導(dǎo)致設(shè)備損壞、生產(chǎn)線停產(chǎn)，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。與此同時，分布式能源、沖擊性和干擾性負(fù)荷的大量接入等因素都使得電網(wǎng)電能質(zhì)量存在日趨惡化的趨勢，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行和用電設(shè)備的正常工作。 針對敏感負(fù)荷電能質(zhì)量控制問題，國內(nèi)外開展了電能質(zhì)量控制產(chǎn)品的研究制造。但是，電能質(zhì)量控制裝置還沒有形成標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品，并且主要停留在低壓小容量范圍，中國實用新型專利“低諧波電源質(zhì)量控制系統(tǒng)”(實用新型專利號ZL201020133972公開號CN201656479)公開了一種低諧波電源質(zhì)量控制系統(tǒng)。該低諧波電源質(zhì)量控制系統(tǒng)包含檢測裝置、電力調(diào)整裝置、阻性負(fù)載裝置。檢測裝置接收來自于阻性負(fù)載裝置的反饋信號。檢測裝置輸出的控制信號可以用電壓或電流為信號。電力調(diào)整裝置接收到所述控制信號后，以比例方式輸出驅(qū)動電壓。所述比例方式為在連續(xù)輸出時間間隔輸出全功率驅(qū)動電壓，并在連續(xù)不輸出時間間隔停止輸出全功率驅(qū)動電壓。阻性負(fù)載裝置接收驅(qū)動電壓后，輸出反饋信號到檢測裝置。以比例方式在連續(xù)輸出時間間隔輸出全功率驅(qū)動電壓，并在連續(xù)不輸出時間間隔停止輸出全功率驅(qū)動電壓，將能夠有效的減少產(chǎn)生電力的諧波。但是該裝置僅適用于小功率的阻性負(fù)載裝置，不適用于高壓大功率的電網(wǎng)電能質(zhì)量控制；其目的是減少阻性負(fù)載裝置產(chǎn)生的諧波對電源質(zhì)量的影響，而不是通過改善供電電網(wǎng)的電能質(zhì)量，為敏感負(fù)載提供更高質(zhì)量的電源。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是要提供一種綜合過流保護(hù)電流質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置，解決提高敏感用戶供電電能質(zhì)量，減少電網(wǎng)和敏感負(fù)載用電設(shè)備的故障、降低電網(wǎng)損耗、提高電能利用率的技術(shù)問題。本實用新型解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種綜合過流保護(hù)電流質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置，包括電流調(diào)節(jié)模塊和檢測控制模塊，所述的電流調(diào)節(jié)模塊與敏感負(fù)載并聯(lián)連接到三相系統(tǒng)電源上，所述的檢測控制模塊的檢測輸入端連接到三相系統(tǒng)電源，所述的檢測控制模塊的控制輸出端，連接到電流調(diào)節(jié)模塊，其特征在于所述的電流調(diào)節(jié)模塊為Y型連接的多重化級聯(lián)IGBT功率模塊，每一相包含n個串聯(lián)連接的基波電流補(bǔ)償單元，其中n < 20 ;[0008]所述的檢測控制模塊設(shè)置綜合過流保護(hù)電路，所述的綜合過流保護(hù)電路包括限流保護(hù)單元、Uce檢測單元、過電流檢測單元、電流傳感器；所述的限流保護(hù)單元的輸出端，與IGBT驅(qū)動電路的輸出端并聯(lián)連接，并連接到被保護(hù)的IGBT功率模塊的柵極；所述的電流傳感器串聯(lián)在IGBT功率模塊的電流輸出回路中，電流傳感器的檢測輸出端，連接到所述的過電流檢測單元；所述的Uce檢測單元的輸入端連接到IGBT功率模塊的集電極；所述的限流保護(hù)單元設(shè)有兩個輸入端，一個輸入端連接到Uce檢測單元，另一個輸入端通過光耦或光纖隔離連接到所述過電流檢測單元。本實用新型的綜合過流保護(hù)電流質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置的一種優(yōu)選的技術(shù)方案，其特征在于所述的基波電流補(bǔ)償單元的主電路是IGBT連接組成的H橋功率單元電路，同一相的各H 橋功率單元電路的交流側(cè)依次串聯(lián)，一端連接到Y(jié)型連接的公共點(diǎn)，另一端與第一電感元件串聯(lián)后，連接到接有敏感負(fù)載的三相系統(tǒng)電源上。本實用新型的綜合過流保護(hù)電流質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置的一種較佳的技術(shù)方案，其特征在于所述的電流調(diào)節(jié)模塊還設(shè)有諧波電流補(bǔ)償單元；所述的諧波電流補(bǔ)償單元的主電路是IGBT連接組成的H橋功率單元電路；所述的諧波電流補(bǔ)償單元與第二電感元件串聯(lián)后，并聯(lián)連接到第一電感元件的兩端。本實用新型的綜合過流保護(hù)電流質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置的一種改進(jìn)的技術(shù)方案，其特征在于所述的檢測控制模塊包含數(shù)字信號處理器、信號調(diào)理元件和電流/電壓轉(zhuǎn)換元件；所述的數(shù)字信號處理器設(shè)有AD轉(zhuǎn)換器和PWM輸出端口，所述AD轉(zhuǎn)換器的模擬信號輸入端，通過信號調(diào)理元件和電流/電壓轉(zhuǎn)換元件連接到三相系統(tǒng)電源的電壓互感器和電流互感器；所述PWM輸出端口通過IGBT驅(qū)動電路，分別連接到各路基波電流補(bǔ)償單元和諧波電流補(bǔ)償單元的IGBT的柵極；所述的數(shù)字信號處理器通過網(wǎng)絡(luò)接口單元連接到三相系統(tǒng)電源的電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。本實用新型的綜合過流保護(hù)電流質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置的一種改進(jìn)的技術(shù)方案，其特征在于所述的檢測控制模塊還包含網(wǎng)絡(luò)接口單元，所述的數(shù)字信號處理器通過網(wǎng)絡(luò)接口單元連接到三相系統(tǒng)電源的電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。本實用新型的有益效果是I.本實用新型的綜合過流保護(hù)電流質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置，可以顯著提高敏感用戶供電電能質(zhì)量，減少電網(wǎng)和敏感負(fù)載用電設(shè)備的故障、降低電網(wǎng)損耗、提高電能利用率。利用Uce檢測單元和電流傳感器檢測，對被保護(hù)的IGBT功率模塊實現(xiàn)綜合保護(hù)，大大提高了短路保護(hù)電路的可靠性。2.采用多重化級聯(lián)IGBT功率模塊，通過功率單元的串聯(lián)，降低了功率器件的耐壓要求，可采用技術(shù)成熟、價格低廉的低壓IGBT組成逆變單元，通過串聯(lián)單元的個數(shù)適應(yīng)不同的輸出電壓要求。3.由于逆變器采用多重化PWM技術(shù)，經(jīng)疊加可得到理想的相電壓波形，堪稱完美無諧波。輸入功率因數(shù)可達(dá)0.95以上，不必設(shè)置輸入濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)成本。波形的改善除減小輸出諧波外，還可以降低噪聲和dv/dt值。4.由于基波電流補(bǔ)償單元和諧波電流補(bǔ)償單元的各功率單元具有相同的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，便于將功率單元做成模塊化，實現(xiàn)冗余設(shè)計，即使在個別單元故障時也可通過單元旁路功能將該單元短路，進(jìn)一步提高了敏感負(fù)荷系統(tǒng)供電的可靠性行。

圖I是本實用新型的綜合過流保護(hù)電流質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置的主電路圖；圖2是本實用新型的綜合過流保護(hù)電流質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置的控制單元電路圖；圖3是是綜合過流保護(hù)電路的原理框圖。以上圖中的各部件的標(biāo)號100-三相電源，200-多重化級聯(lián)IGBT功率模塊，20h諧波電流補(bǔ)償單元，201 20n-基波電流補(bǔ)償單元，300-數(shù)字信號處理器，310-AD轉(zhuǎn)換器，320-PWM輸出端口，400-信號調(diào)理元件，410-電流/電壓轉(zhuǎn)換元件，500-網(wǎng)絡(luò)接口單元，600-限流保護(hù)單元，610-Uce檢測單元，620-過電流檢測單元，621-外部參考電壓輸入端， 630-電流傳感器，640-軟關(guān)斷控制電路，700-IGBT驅(qū)動電路，900-敏感負(fù)載。
具體實施方式
為了能更好地理解本實用新型的上述技術(shù)方案，
以下結(jié)合附圖和實施例進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)描述。圖I是本實用新型的綜合過流保護(hù)電流質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置的主電路圖，包括電流調(diào)節(jié)模塊200和檢測控制模塊(圖中未表示)，電流調(diào)節(jié)模塊200與敏感負(fù)載900并聯(lián)連接到三相系統(tǒng)電源100上，所述的檢測控制模塊的檢測輸入端連接到三相系統(tǒng)電源100，所述的檢測控制模塊的控制輸出端，連接到電流調(diào)節(jié)模塊200。電流調(diào)節(jié)模塊200為Y型連接的多重化級聯(lián)IGBT功率模塊，每一相包含n個串聯(lián)連接的基波電流補(bǔ)償單元201 20n，其中I彡n彡20。所述的檢測控制模塊設(shè)置綜合過流保護(hù)電路，綜合過流保護(hù)電路如圖3所示，包括限流保護(hù)單元600、Uce檢測單元610、過電流檢測單元620、電流傳感器630 ;限流保護(hù)單元600的輸出端，與IGBT驅(qū)動電路700的輸出端并聯(lián)連接，并連接到被保護(hù)的IGBT功率模塊200的柵極；電流傳感器630串聯(lián)在IGBT功率模塊200的電流輸出回路中，電流傳感器630的檢測輸出端，連接到過電流檢測單元620 ；Uce檢測單元610的輸入端連接到IGBT功率模塊200的集電極；限流保護(hù)單元600設(shè)有兩個輸入端，一個輸入端連接到Uce檢測單元610，另一個輸入端通過光耦或光纖隔離連接到電流檢測單元620的輸出端?；娏餮a(bǔ)償單元201 20n的主電路是IGBT連接組成的H橋功率單元電路，同一相的各H橋功率單元電路的交流側(cè)依次串聯(lián)，一端連接到Y(jié)型連接的公共點(diǎn)N，另一端X與第一電感元件Lf串聯(lián)后，連接到接有敏感負(fù)載900的三相系統(tǒng)電源100上。在圖I所示的實施例中，電壓調(diào)節(jié)模塊還設(shè)有諧波電流補(bǔ)償單元20h ;諧波電流補(bǔ)償單元20h的主電路是IGBT連接組成的H橋功率單元電路；諧波電流補(bǔ)償單元20h與第二電感元件Lh串聯(lián)后，并聯(lián)連接到第一電感元件Lf的兩端。圖I中僅表示了三相多重化級聯(lián)IGBT功率模塊中的一相，另外兩相的電路結(jié)構(gòu)完全相同。圖中，基波電流補(bǔ)償單元201 20n和諧波電流補(bǔ)償單元20h的主電路相同，都是絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)連接組成的H橋功率單元電路，每個功率單元201 20n和20h都是由IGBT(Tl至T4)構(gòu)成。諧波電流補(bǔ)償單元20h為高頻模塊，產(chǎn)生與系統(tǒng)電流中的高頻諧波電流相同的電流，注入系統(tǒng)側(cè)，抵消系統(tǒng)電流中的各次諧波分量；基波電流補(bǔ)償單元201 20n串聯(lián)組成基頻模塊，產(chǎn)生與系統(tǒng)電流中的基波無功和負(fù)序電流相同的電流，注入系統(tǒng)側(cè)，抵消系統(tǒng)電流中的無功與負(fù)序電流分量，從而在系統(tǒng)側(cè)看去，系統(tǒng)電流功率因數(shù)接近1，電流諧波畸變率小于要求值。根據(jù)實驗測試，被測系統(tǒng)在負(fù)荷電流突變前后都含有較大的諧波和無功的分量，補(bǔ)償前的總諧波失真THD = 13.33%。接入本實用新型的綜合過流保護(hù)電流質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置后，當(dāng)負(fù)荷發(fā)生突變時，裝置能夠快速跟蹤負(fù)荷電流波形(小于5ms)，補(bǔ)償后的系統(tǒng)電流基本為三相對稱正弦波，諧波含量大大降低，負(fù)荷突變前系統(tǒng)電流THD為2. 35%，突變后系統(tǒng)電流THD為2. 25%，補(bǔ)償后的系統(tǒng)電流和電壓同相位。 本實用新型的綜合過流保護(hù)電流質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置的檢測控制模塊包含數(shù)字信號處理器300、信號調(diào)理元件400、電流/電壓轉(zhuǎn)換元件410和網(wǎng)絡(luò)接口單元500，數(shù)字信號處理器300設(shè)有AD轉(zhuǎn)換器310和PWM輸出端口 320，AD轉(zhuǎn)換器310的模擬信號輸入端，通過信號調(diào)理元件400和電流/電壓轉(zhuǎn)換元件410連接到三相系統(tǒng)電源的電壓互感器和電流互感器，接收電源電壓和電流檢測信號；PWM輸出端口 320通過IGBT驅(qū)動電路700，分別連接到各路基波電流補(bǔ)償單元和諧波電流補(bǔ)償單元的IGBT(T1至T4)的柵極，把數(shù)字信號處理器300產(chǎn)生的PWM控制信號傳送給多重化級聯(lián)的各個功率單元；數(shù)字信號處理器300通過網(wǎng)絡(luò)接口單元500連接到三相系統(tǒng)電源的電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和聯(lián)網(wǎng)控制。在本實用新型的一個實施例中，數(shù)字信號處理器300為TI公司的TMS320F28335型數(shù)字信號處理器，該處理器具有150MHz的高速處理能力，具備32位浮點(diǎn)處理單元，6個DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，有多達(dá)18路的PWM輸出，其中有6路為TI特有的更高精度的PWM輸出(HRPWM)，12位16通道ADC。IGBT驅(qū)動電路700可以使用任何現(xiàn)有的IGBT驅(qū)動集成電路，典型的實施例是EXB8系列的EXB840，EXB841, EXB850, EXB851，M579系列的M57957, M57958, M57962, HL系列的HL402，GH系列的GH-039等。在該實施例中，網(wǎng)絡(luò)接口單元500采用EtherCAT從站控制器ETl 100，EtherCAT是開放的實時以太網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，能夠滿足電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，系統(tǒng)運(yùn)行方式越來越復(fù)雜，對自動化水平的要求越來越高的要求。28335產(chǎn)生8路PWM波，經(jīng)過IGBT驅(qū)動電路700送出。板卡上將所有輸入故障信號相“或”送給6路封鎖PWM輸入信號(TZ)，確保一旦發(fā)生故障28335可直接從硬件上封鎖所有PWM。模擬量采集通道連接的信號調(diào)理元件400和電流/電壓轉(zhuǎn)換元件410包括兩路電壓霍爾元件(CHV-50P/1200A)輸入，2路電流霍爾元件輸入，4路熱敏電阻采樣輸入，AD轉(zhuǎn)換器采用28335內(nèi)部12bitAD。DIDO連接的4路DI輸入端子連接的數(shù)字輸入信號包括整流橋左橋臂故障，右橋臂故障，逆變橋左橋臂故障，右橋臂故障，驅(qū)動板電源欠壓故障；D0輸出端的數(shù)字輸出信號包括8路PWM信號，封鎖旁路信號和驅(qū)動板復(fù)位信號。本技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，以上的實施例僅是用來說明本實用新型的技術(shù)方案，而并非用作為對本實用新型的限定，任何基于本實用新型的實質(zhì)精神對以上所述實施例所作的變化、變型，都將落在本實用新型的權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種綜合過流保護(hù)電流質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置，包括電流調(diào)節(jié)模塊和檢測控制模塊，所述的電流調(diào)節(jié)模塊與敏感負(fù)載并聯(lián)連接到三相系統(tǒng)電源上，所述的檢測控制模塊的檢測輸入端連接到三相系統(tǒng)電源，所述的檢測控制模塊的控制輸出端，連接到電流調(diào)節(jié)模塊，其特征在于: 所述的電流調(diào)節(jié)模塊為Y型連接的多重化級聯(lián)IGBT功率模塊，每一相包含η個串聯(lián)連接的基波電流補(bǔ)償單元，其中η < 20 ; 所述的檢測控制模塊設(shè)置綜合過流保護(hù)電路，所述的綜合過流保護(hù)電路包括限流保護(hù)單元、Uce檢測單元、過電流檢測單元、電流傳感器； 所述的限流保護(hù)單元的輸出端，與IGBT驅(qū)動電路的輸出端并聯(lián)連接，并連接到被保護(hù)的IGBT功率模塊的柵極； 所述的電流傳感器串聯(lián)在IGBT功率模塊的電流輸出回路中，電流傳感器的檢測輸出端，連接到所述的過電流檢測單元； 所述的Uce檢測單元的輸入端連接到IGBT功率模塊的集電極； 所述的限流保護(hù)單元設(shè)有兩個輸入端，一個輸入端連接到Uce檢測單元，另一個輸入端通過光耦或光纖隔離連接到所述過電流檢測單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的綜合過流保護(hù)電流質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置，其特征在于所述的基波電流補(bǔ)償單元的主電路是IGBT連接組成的H橋功率單元電路，同一相的各H橋功率單元電路的交流側(cè)依次串聯(lián)，一端連接到Y(jié)型連接的公共點(diǎn)，另一端與第一電感元件串聯(lián)后，連接到接有敏感負(fù)載的三相系統(tǒng)電源上。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的綜合過流保護(hù)電流質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置，其特征在于所述的電流調(diào)節(jié)模塊還設(shè)有諧波電流補(bǔ)償單元；所述的諧波電流補(bǔ)償單元的主電路是IGBT連接組成的H橋功率單元電路；所述的諧波電流補(bǔ)償單元與第二電感元件串聯(lián)后，并聯(lián)連接到第一電感元件的兩端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的綜合過流保護(hù)電流質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置，其特征在于所述的檢測控制模塊包含數(shù)字信號處理器、信號調(diào)理元件和電流/電壓轉(zhuǎn)換元件；所述的數(shù)字信號處理器設(shè)有AD轉(zhuǎn)換器和PWM輸出端口，所述AD轉(zhuǎn)換器的模擬信號輸入端,通過信號調(diào)理元件和電流/電壓轉(zhuǎn)換元件連接到三相系統(tǒng)電源的電壓互感器和電流互感器；所述PWM輸出端口通過IGBT驅(qū)動電路，分別連接到各路基波電流補(bǔ)償單元和諧波電流補(bǔ)償單元的IGBT的柵極。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的綜合過流保護(hù)電流質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置，其特征在于所述的檢測控制模塊還包含網(wǎng)絡(luò)接口單元，所述的數(shù)字信號處理器通過網(wǎng)絡(luò)接口單元連接到三相系統(tǒng)電源的電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。
專利摘要一種綜合過流保護(hù)電流質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置，涉及一種用于交流干線或交流配電網(wǎng)絡(luò)的電路裝置，尤其是涉及到適用于高壓交流電網(wǎng)穩(wěn)定電壓和減少諧波或波紋的裝置，包括電流調(diào)節(jié)模塊和檢測控制模塊，電流調(diào)節(jié)模塊與敏感負(fù)載并聯(lián)連接到三相系統(tǒng)電源上，電流調(diào)節(jié)模塊為Y型連接的多重化級聯(lián)IGBT功率模塊，每相包含n個串聯(lián)連接的基波電流補(bǔ)償單元；檢測控制模塊設(shè)置綜合過流保護(hù)電路，綜合過流保護(hù)電路的限流保護(hù)單元設(shè)有兩個輸入端，一個輸入端連接到Uce檢測單元，另一輸入端通過光耦或光纖隔離連接到過電流檢測單元。該裝置可以顯著提高敏感用戶供電電能質(zhì)量，減少電網(wǎng)和敏感負(fù)載用電設(shè)備的故障、降低電網(wǎng)損耗、提高電能利用率，提高短路保護(hù)電路的可靠性。
文檔編號H02J3/01GK202550547SQ20122013524
公開日2012年11月21日 申請日期2012年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月1日
發(fā)明者何維國, 劉雋, 包海龍, 蔣曉春, 趙國亮 申請人:上海市電力公司, 中國電力科學(xué)研究院