專利名稱：一種采用直流儲能進行電氣隔離的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用直流儲能進行電氣隔離的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，屬于電力設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器是電力系統(tǒng)中，通過抵償系統(tǒng)中存在的電壓、電流的畸變分量，消除系統(tǒng)中電能質(zhì)量所受到的污染的一種裝置。按其工作對象可以劃分為電壓型電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器和電流型電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器兩種。
統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(以下簡稱UPQC)是一種柔性交流輸電(FACTS)技術(shù)，它結(jié)合了電壓型電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器和電流型電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器兩者的功能，可以同時保證負載側(cè)的電壓質(zhì)量和系統(tǒng)側(cè)的電流質(zhì)量。與其他FACTS元件相比，它具有更多的控制變量，能在運行過程中同時改變多種系統(tǒng)參數(shù)，使系統(tǒng)運行更加靈活，因而受到越來越多的重視。
傳統(tǒng)的UPQC采用變壓器實現(xiàn)系統(tǒng)和裝置之間的隔離，其電路圖如圖1所示，其主電路主要包括串聯(lián)單元、并聯(lián)單元、直流儲能單元三個部分，兩個脈寬調(diào)制(PWM)逆變單元分別構(gòu)成串聯(lián)單元和并聯(lián)單元的主要部分，直流儲能裝置則是兩個逆變單元公用的，這三個部分共同組成一個完整的用戶電力裝置。由于UPQC的串聯(lián)和并聯(lián)兩部分共用直流單元，因此系統(tǒng)和裝置之間必須進行隔離，否則會出現(xiàn)電容直通、相間短路等情況。隔離變壓器的接入不僅為裝置和系統(tǒng)提供了隔離還可以擴大裝置的容量，使得器件的選擇更加靈活。但是由于變壓器的非線性及其它特性的影響，變壓器的引入也帶來了很多問題(1)在進行電壓和電流諧波補償時，逆變器產(chǎn)生的各次諧波都需要通過變壓器，而目前工頻或高頻變壓器的頻帶都很窄，只能允許額定頻率附近的電流通過，不能滿足諧波補償?shù)囊?，很大程度上影響了補償效果。
(2)逆變器產(chǎn)生的高次諧波在通過變壓器時產(chǎn)生很大的諧波損耗，另外高次諧波的通過使得變壓器所需的容量上升。
(3)變壓器增加了裝置的功率損耗；降低了裝置的效率。
(4)對于串聯(lián)隔離變壓器，和濾波的電感電容互相影響會帶來附加的相移和電壓降落，影響裝置對電壓補償?shù)男阅堋?br> 另外變壓器還存在飽和及電壓跌落時的瞬間涌流(inrush current)等問題。因此，在電壓等級較低或者是開關(guān)器件的容量足夠的情況下引入變壓器所帶來的缺陷遠遠大于所帶來的優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種采用直流儲能進行電氣隔離的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，用一個直流儲能模塊實現(xiàn)電力系統(tǒng)與調(diào)節(jié)器之間的電氣隔離，以取代傳統(tǒng)的變壓器隔離。
本發(fā)明提出的采用直流儲能模塊進行電氣隔離的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，包括(1)用于對電力系統(tǒng)進行電流補償?shù)碾娏餮a償器，包括一個由四個開關(guān)管組成的第一逆變橋，用于將從系統(tǒng)獲取的交流電形式的電能通過脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換成直流電形式的電能，并將該電能從第一逆變橋的直流側(cè)輸出，用以給直流儲能模塊充電，并向系統(tǒng)輸出負荷所需要的無功及諧波電流，以及一個由電感組成的濾波器，用于濾除輸出電流中的高頻諧波成分；(2)用于存儲上述直流電形式電能的直流儲能模塊，直流儲能模塊并聯(lián)在電壓補償器和電流補償器的直流側(cè)，由第一、第二、第三、第四電子開關(guān)以及電壓補償用儲能電容、電流補償用儲能電容、公用儲能電容和限流電感組成，其中，公用儲能電容和限流電感串聯(lián)后通過第一電子開關(guān)和第三電子開關(guān)與電壓補償用儲能電容并聯(lián)，第一電子開關(guān)連接在電壓補償用儲能電容和公用儲能電容的正極之間，第三電子開關(guān)連接在電壓補償用儲能電容和公用儲能電容的負極之間，公用儲能電容和限流電感串聯(lián)后通過第二電子開關(guān)和第四電子開關(guān)與電流補償用儲能電容并聯(lián)，第二電子開關(guān)連接在公用儲能電容和電流補償用儲能電容的正極之間，第四電子開關(guān)連接在公用儲能電容和電流補償用儲能電容的負極之間；(3)用于對電力系統(tǒng)進行電壓補償?shù)碾妷貉a償器，包括一個由四個開關(guān)管組成的第二逆變橋，用于從直流儲能模塊獲取直流電形式的電能，并通過脈寬調(diào)制將其轉(zhuǎn)換成交流電形式的電能后從第二逆變橋的交流輸出側(cè)輸出，以及一個由電容與電感組成的濾波器，用于濾除輸出電壓中的高頻諧波成分。
上述裝置中，組成第一、第二逆變器的開關(guān)管為絕緣柵雙極性晶閘管(以下簡稱IGBT)、門極關(guān)斷晶閘管(以下簡稱GTO)、集成門極換向晶閘管(IGCT)中的任何一種。
本發(fā)明提出的采用直流儲能進行電氣隔離的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，具有以下效果和優(yōu)點1、在系統(tǒng)和裝置間進行了電氣隔離；2、實現(xiàn)了被隔離的電壓補償器和電流補償器之間能量的雙向流動；3、裝置中允許通過的諧波頻帶很寬，能夠很好的滿足對系統(tǒng)負荷進行諧波補償?shù)囊螅?、裝置中逆變橋產(chǎn)生的高次諧波在通過直流儲能模塊時不會產(chǎn)生較大的能量損耗，因此不會降低裝置的能量利用效率。
綜上所述，本發(fā)明提出的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，既滿足了電力系統(tǒng)與本調(diào)節(jié)器之間進行電氣隔離的要求，又滿足了電流、電壓補償控制過程中對于能量流動的要求，同時能夠避免已有技術(shù)中采用變壓器隔離所帶來的各種弊端。


圖1是已有的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的電路圖。
圖2是本發(fā)明設(shè)計的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的電路圖。
圖3是直流儲能模塊的電路圖。
圖4是直流儲能模塊中電流補償用儲能電容、公用補償電容的電壓仿真波形。
圖5是直流儲能模塊中限流電感的電流仿真波形。
具體實施例方式
本發(fā)明提出的采用直流儲能進行電氣隔離的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，其電路圖如圖2所示，包括(1)用于對電力系統(tǒng)進行電流補償?shù)碾娏餮a償器，包括一個由四個IGBT組成的第一逆變橋，用于將從系統(tǒng)獲取的交流電形式的電能通過脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換成直流電形式的電能，并將該電能從第一逆變橋的直流側(cè)輸出，用以給直流儲能模塊充電，同時通過脈寬調(diào)制向系統(tǒng)輸出負荷所需要的無功及諧波電流，以及一個由電感L2組成的濾波器，用于濾除輸出電流中的高頻諧波成分；(2)用于存儲上述直流電的直流儲能模塊，直流儲能模塊并聯(lián)在電壓補償器和電流補償器的直流側(cè)，由T1、T2、T3和T4四只雙向晶閘管、電壓補償用儲能電容Cs、電流補償用儲能電容Cp、公用儲能電容Ccom和限流電感Lcom組成，其中，Ccom與Lcom串聯(lián)后通過T1和T3與Cs并聯(lián)，T1位于Cs和Ccom的正極之間，T3位于Cs和Ccom的負極之間，Ccom與Lcom串聯(lián)后通過T2和T4與Cp并聯(lián)，T2位于Ccom和Cp的正極之間，T4位于Ccom和Cp的負極之間；(3)用于對電力系統(tǒng)進行電壓補償?shù)碾妷貉a償器，包括一個由四個IGBT組成的第二逆變橋，用于從直流儲能模塊獲取直流電能，并通過脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換成交流電形式的電能后從第二逆變橋的交流輸出側(cè)輸出，以及一個由電容C1與電感L1組成的濾波器，用于濾除輸出電壓中的高頻諧波成分。
以下詳細介紹本發(fā)明的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器中直流儲能的工作原理用于隔離系統(tǒng)和裝置的直流單元如圖3所示。直流單元采用三組相同大小的電容互相并聯(lián)(圖中的Cs、Ccom和Cp)，電容之間采用電子開關(guān)進行連接(圖中的T1、T2、T3和T4)，開關(guān)T1和T3用同一個控制信號控制(見圖5中用實線表示的觸發(fā)脈沖)、T2和T4用另一個控制信號控制(見圖5中用虛線表示的觸發(fā)脈沖)，兩組電子開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)互補，從而隔絕了串聯(lián)單元和并聯(lián)單元間的電氣聯(lián)系。在T1和T3關(guān)斷，T2和T4導(dǎo)通的時候，Cp和Ccom進行均壓，當T1和T3導(dǎo)通，T2和T4關(guān)斷的時候，Ccom和Cs進行均壓，從而實現(xiàn)串聯(lián)單元和并聯(lián)單元之間的能量雙向流動。為避免電容均壓過程中充放電電流尖峰，在Ccom支路上采用電感進行限流。
由于在結(jié)構(gòu)上兩邊完全對稱，下文僅討論虛線框中電路的運行情況。如圖3所示為L限流電感Lcom的電感值，R為限流電感Lcom的內(nèi)阻，三個電容上的電壓依次為us、ucom、up。
設(shè)T1和T3斷開，T2和T4閉合，電流為iL，不考慮外電路的影響，于是有 整理得Ld2iLdt2+RdiLdt+Cp+CcomCpCcomiL=0]]>設(shè)α=R2L,]]>C=CpCcomCp+Ccom,]]>ω0=1LC,]]>則上式可以寫作d2iLdt2+2αdiLdt+ω02·iL=0---(2)]]>R是限流電感Lcom的內(nèi)阻，通常都很小(品質(zhì)因數(shù)在30以上)，可以認為α＜＜ω0(或R2L<<1LC]]>)，所以系統(tǒng)處于欠阻尼狀態(tài)。在閉合瞬間，Cp上的電壓為Up，Ccom上的電壓為Ucom，ΔU＝Up-Ucom，ωd=ω02-α2≈ω0,]]>則 α＜＜ω0，故有tg-1ωdα≈tg-1ω0α≈π2,]]>即電流和電壓的相位相差約為90度。取ΔU＝50V，在T1和T3斷開，T2和T4閉合(0.05s時動作)的情況下，可以得到電容電壓和電感電流的波形如圖4所示，本發(fā)明的一個實施例中各仿真各參數(shù)如下Us＝220V，Cs＝Ccom＝Cp＝5000uF，C1＝30uF，L1＝0.7mH，L2＝6mH，R2＝0.3Ohm，f＝10kHz，限流電感Lcom＝1mH，限流電感內(nèi)阻R＝0.2Ohm，直流單元電子開關(guān)的開關(guān)頻率fDC＝100Hz，負荷為不控全橋整流負荷。
在諧振過程中，電感電流在過零點時(圖5中的tA時刻)，電容Cp與Ccom之間相差的能量ΔE除了在內(nèi)阻R上的損耗外都傳遞給了Ccom。因此可以設(shè)想在tA時斷開T2和T4，閉合T1和T3，如果此時Cs的電壓小于Ccom的電壓，則Ccom和Cs降重復(fù)上面Cp與Ccom之間的諧振過程，在諧振電流的過零點再次閉合T2和T4，斷開T1和T3，則Cs將獲得由Ccom傳遞過來的能量。重復(fù)上述過程即可實現(xiàn)能量從Cp到Cs的傳送。
由對稱性可知，上述控制方法也可以實現(xiàn)能量從Cs到Cp的傳送，從而實現(xiàn)串聯(lián)單元和并聯(lián)單元之間的能量雙向流動。
在整個過程中電容之間的充放電電流始終通過電感得到限制。因此限流電感L取值在一定程度上決定了直流單元的運行特性。
根據(jù)(3)式可得在上文提到的電感電流過零控制的方法下可得充放電電流的峰值和電子開關(guān)的動作頻率分別為 所以在直流側(cè)三組電容容抗值一定的情況下，影響限流電感的大小L的因素有如下兩個三個電容充放電電流的大小。由(4-1)式可知在C不變的情況下，L越大則電流越小，ΔU越大則電流越大；LC諧振頻率(充放電頻率)fDC的影響。電容充(放)電的時間為tcha=12fDC≈14πLC,]]>因此L越大，諧振頻率越小，電容充(放)電時間則越長，從而電容上的電壓波動ΔU也就越大；綜合考慮以上因素，取Cp＝Ccom＝Cs＝5000uF，L＝1mH，則有C＝2500uF，fDC＝100Hz，電容間的充放電電流IL＜100A。
權(quán)利要求
1.一種采用直流儲能模塊進行電氣隔離的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，其特征在于該調(diào)節(jié)器包括(1)用于對電力系統(tǒng)進行電流補償?shù)碾娏餮a償器，包括一個由四個開關(guān)管組成的第一逆變橋，用于將從系統(tǒng)獲取的交流電形式的電能通過脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換成直流電形式的電能，并將該電能從第一逆變橋的直流側(cè)輸出，用以給直流儲能模塊充電，并向系統(tǒng)輸出無功及諧波電流，以及一個由電感組成的濾波器，用于濾除輸出電流中的高頻諧波成分；(2)用于存儲上述直流電形式電能的直流儲能模塊，直流儲能模塊并聯(lián)在電壓補償器和電流補償器的直流側(cè)，由第一、第二、第三、第四電子開關(guān)以及電壓補償用儲能電容、電流補償用儲能電容、公用儲能電容和限流電感組成，其中，公用儲能電容和限流電感串聯(lián)后通過第一電子開關(guān)和第三電子開關(guān)與電壓補償用儲能電容并聯(lián)，第一電子開關(guān)連接在電壓補償用儲能電容和公用儲能電容的正極之間，第三電子開關(guān)連接在電壓補償用儲能電容和公用儲能電容的負極之間，公用儲能電容和限流電感串聯(lián)后通過第二電子開關(guān)和第四電子開關(guān)與電流補償用儲能電容并聯(lián)，第二電子開關(guān)連接在公用儲能電容和電流補償用儲能電容的正極之間，第四電子開關(guān)連接在公用儲能電容和電流補償用儲能電容的負極之間；(3)用于對電力系統(tǒng)進行電壓補償?shù)碾妷貉a償器，包括一個由四個開關(guān)管組成的第二逆變橋，用于從直流儲能模塊獲取直流電形式的電能，并通過脈寬調(diào)制將其轉(zhuǎn)換成交流電形式的電能后從第二逆變橋的交流輸出側(cè)輸出，以及一個由電容與電感組成的濾波器，用于濾除輸出電壓中的高頻諧波成分。
2.如權(quán)利要求1所述的調(diào)節(jié)器，其特征在于其中組成第一、第二逆變器的開關(guān)管為絕緣柵雙極性晶閘管、門極關(guān)斷晶閘管、集成門極換向晶閘管中的任何一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用直流儲能模塊進行電氣隔離的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，屬于電力設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。本調(diào)節(jié)器包括用于對電力系統(tǒng)進行電流補償?shù)碾娏餮a償器，包括一個由四個開關(guān)管組成的第一逆變橋和一個由電感組成的濾波器；用于存儲上述直流電形式電能的直流儲能模塊，直流儲能模塊并聯(lián)在電壓補償器和電流補償器的直流側(cè)；用于對電力系統(tǒng)進行電壓補償?shù)碾妷貉a償器，包括一個由四個開關(guān)管組成的第二逆變橋和一個由電容與電感組成的濾波器。本發(fā)明提出的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，既滿足了對電力系統(tǒng)與本調(diào)節(jié)器之間進行電氣隔離的要求，又滿足了電流、電壓補償控制過程中對于能量流動的要求，同時能夠避免已有技術(shù)中采用變壓器隔離所帶來的各種弊端。
文檔編號H02J3/01GK1571235SQ200410037660
公開日2005年1月26日 申請日期2004年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月29日
發(fā)明者張秀娟, 張迪, 姜齊榮 申請人:清華大學(xué)