專利名稱：一種三橋臂統(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)明涉及一種三橋臂統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，尤其涉及一種無需電氣隔離的三橋臂統(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，通過補(bǔ)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)是一種配電網(wǎng)柔性交流輸電(DFACTS)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(fù)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(yùn)行過程中同時改變多種系統(tǒng)參數(shù)，使系統(tǒng)運(yùn)行更加靈活，是解決低壓配電網(wǎng)電壓質(zhì)量和電流質(zhì)量問題的有效手段，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共有4個橋臂，并且串聯(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(jìn)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(kuò)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)逆變器產(chǎn)生的高次諧波給變壓器的設(shè)計帶來困難，使得變壓器的容量上升。
(2)變壓器增加了裝置的功率損耗；降低了裝置的效率，同時也增加了成本。
(3)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(bǔ)償?shù)男阅堋?br> (4)串聯(lián)變壓器的接入降低了開環(huán)控制下的電壓精度。
另外，變壓器還存在飽和及過流等問題。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(yuǎn)遠(yuǎn)大于所帶來的優(yōu)勢。
傳統(tǒng)UPQC采用四橋臂結(jié)構(gòu)，共8只開關(guān)管，開關(guān)損耗較大，特別是在負(fù)載容量不大的情況下，較大的開關(guān)損耗使得裝置的效率降低，顯得很不經(jīng)濟(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種三橋臂統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，改變已有技術(shù)的電路結(jié)構(gòu)，以便在無需進(jìn)行電氣隔的情況下實現(xiàn)電能質(zhì)量的調(diào)節(jié)。
本發(fā)明提出的三橋臂統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，包括(1)用于對電力系統(tǒng)進(jìn)行電流補(bǔ)償?shù)牟⒙?lián)單元，包括一個由兩個開關(guān)管組成的并聯(lián)單元橋臂與公用橋臂構(gòu)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，用以給直流儲能電容充電，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，用于濾除第一逆變橋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單元，由一個電解電容構(gòu)成；(3)用于對電力系統(tǒng)進(jìn)行電壓補(bǔ)償?shù)拇?lián)單元，包括一個由兩個開關(guān)管組成的串聯(lián)單元橋臂與公用橋臂構(gòu)成的第二逆變橋，用于從直流儲能電容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；(4)用于為并聯(lián)單元和串聯(lián)單元提供電流回路的公用橋臂，由兩個開關(guān)管組成，分別與并聯(lián)單元橋臂及串聯(lián)單元橋臂構(gòu)成第一逆變橋和第二逆變橋；上述調(diào)節(jié)器中，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)或集成門極換向晶閘管(IGCT)中的任何一種。
本發(fā)明提出的三橋臂統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，具有以下效果和優(yōu)點1、在電網(wǎng)系統(tǒng)和電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器之間無需進(jìn)行電氣隔離，就可以實現(xiàn)電網(wǎng)電能質(zhì)量的調(diào)節(jié)，省掉了隔離變壓器，降低了調(diào)節(jié)器的成本。
2、實現(xiàn)了電壓補(bǔ)償器和電流補(bǔ)償器之間能量的雙向流動，因此可以保證儲能電容上的電壓保持在額定值，從而提高了調(diào)節(jié)器的運(yùn)行可靠性。
3、由于沒有了隔離變壓器，所以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(fù)荷進(jìn)行諧波補(bǔ)償?shù)囊蟆?br> 4、與傳統(tǒng)四橋臂UPQC相比，省掉了一個橋臂，少用了兩只開關(guān)管，降低了開關(guān)損耗，提高了調(diào)節(jié)器的利用效率。
綜上所述，本發(fā)明提出的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，既滿足了電流、電壓補(bǔ)償控制過程中對于能量流動的要求，又降低了開關(guān)損耗，提高了裝置的利用效率，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)計的三橋臂統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的電路圖。
圖3是本發(fā)明設(shè)計的三橋臂統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的串聯(lián)單元控制原理圖，圖中(kv-電壓互感器變比；ks-電流互感器變比；k2，k3-比例常數(shù))圖4、圖5是本發(fā)明設(shè)計的三橋臂統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的串聯(lián)單元頻率響應(yīng)圖。
圖6是電網(wǎng)電壓跌落50％時的電流、電壓補(bǔ)償曲線圖。
圖1和圖2中，1是串聯(lián)單元，2是直流儲能單元，3是并聯(lián)單元，4是并聯(lián)單元橋臂，5是直流儲能單元，6是公用橋臂，7是串聯(lián)單元橋臂。
具體實施例方式
本發(fā)明提出的采用無需電氣隔離的三橋臂統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，其電路圖如圖2所示，包括一個由4和6組成的第一逆變橋和一個由電感L1組成的濾波器；5是用于存儲上述直流電形式電能的直流儲能單元，直流儲能電容并聯(lián)在電壓補(bǔ)償器和電流補(bǔ)償器的直流側(cè)；一個由7和6組成的第二逆變橋和一個由電容C0與電感L2組成的濾波器；5是用于為并聯(lián)單元和串聯(lián)單元提供電流回路的公用橋臂，分別與4及7構(gòu)成第一逆變橋和第二逆變橋。
以下詳細(xì)介紹本發(fā)明的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的工作原理調(diào)節(jié)器的數(shù)學(xué)模型由于四橋臂結(jié)構(gòu)UPQC的串聯(lián)及并聯(lián)單元分別由一個全橋構(gòu)成，因此可對串、并聯(lián)單元分別進(jìn)行控制。而在三橋臂結(jié)構(gòu)中，由于公用橋臂將同時為串、并聯(lián)單元提供電流回路，所以這種結(jié)構(gòu)比四橋臂結(jié)構(gòu)控制上要復(fù)雜。如何控制公用橋臂，消除公用橋臂對兩邊的影響，成為實現(xiàn)這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。
如果三個橋臂均采用PWM控制，取電容電壓的負(fù)極性點N點作為A、B、C三點電勢的參考點，根據(jù)PWM調(diào)制原理，有L1diCdt=[DC(t)-DA(t)]vd-us...(1)]]>L2diBdt=[DB(t)-DA(t)]vd-vC...(2)]]>Di(t)=(vconi2vtr+12)Vd...(3)]]>Di(t)-開關(guān)函數(shù)(i＝A，B，C)將式(3)代入式(1)、(2)，有L1=diCdt=kpwm(vconC-vconA)-us...(4)]]>
L2diBdt=kpwm(vconB-vconA)-vC...(5)]]>其中kpwm=Vd2vtr]]>vtr-三角波幅值vconi-第i點調(diào)制信號(i＝A，B，C)Vd-直流儲能電容電壓A點電勢耦合在串、并聯(lián)單元的電壓方程中，根據(jù)三橋臂UPQC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，令-uS＝kpwmvconA(6)則(4)、(5)式可變?yōu)長1diCdt=kpwmvconC...(7)]]>L2diBdt=kpwmvconB+uS-vC=kpwmvconB+vL...(8)]]>由(6)式可得到公用橋臂的控制信號vconA，由(7)，(8)式可知，串、并聯(lián)單元的電流iC，iB可分別由各自的控制信號vconC，vconB獨立控制。所以當(dāng)采用式(6)控制公用橋臂，串聯(lián)、并聯(lián)部分兩個橋臂的控制可以解耦，從而使整個裝置的控制得到很大的簡化。
調(diào)節(jié)器中串聯(lián)單元的控制原理三橋臂UPQC串聯(lián)單元的控制框圖見圖3，采用電壓環(huán)加電流環(huán)的雙閉環(huán)控制加局部前饋控制的方法，前饋控制信號vfi主要是為了消除vL對電流環(huán)的影響。
由圖3可以得到vL*到vL的閉環(huán)傳遞函數(shù)為H′(s)=k2k3kpwms2L2C0+sk3kpwmk3C0+k2k3kpwmkv]]>即H1(s)=vLvL*=k2k3kpwmkvs2L2C0+sk3kpwmksC0+k2k3kpwnkv]]>也可以得到從uS到vL的閉環(huán)傳遞函數(shù)H2(s)=s2L2C0+sk3kpwmksC0s2L2C0+sk3kpwmk3C0+k2k3kpwmkv]]>
從iL到vL的閉環(huán)傳遞函數(shù)為H3(s)=-sL2s2L2C0+sk3kpwmksC0+k2k3kpwmkv]]>圖4給出了上述各傳遞函數(shù)的波特圖，從圖中可以看出，在低頻帶，系統(tǒng)的輸出電壓vL可以跟蹤參考電壓vL*，具有很好的低通特性。系統(tǒng)電壓uS、負(fù)載電流iL可看成擾動量，它們在低頻帶對vL影響非常小，可以忽略，這是由于濾波電感和電容較小的緣故。因此按照圖3給出的控制方法，在系統(tǒng)電壓動態(tài)變化時，單相三橋臂UPQC串聯(lián)部分可以使負(fù)荷兩端的電壓很好地跟蹤參考電壓，為負(fù)荷提供優(yōu)質(zhì)的電壓。
調(diào)節(jié)器中儲能電容電壓的計算由圖3可以得到vL*到vconB的閉環(huán)傳遞函數(shù)為K1(s)=-k2k3(s2L2C0+1)s2L2C0+sk3kpwmksC0+k2k3kpwmkv]]>也可以得到從uS到vconB的閉環(huán)傳遞函數(shù)為K2(s)=(L2C0k2k3kv-L2C0kpwm)s2s2L2C0+sk3kpwmksC0+k2k3kpwmkv]]>從iL到vconB的閉環(huán)傳遞函數(shù)為K3(s)=-s2L2C0kSk3+(L2kpwm-L2kvk2k3)ss2L2C0+sk3kpwmksC0+k2k3kpwmkv]]>圖5為上述傳遞函數(shù)的波特圖。從圖中可看出，K2(s)和K3(s)在低頻帶增益非常小，因而uS、iL對vconB的影響小。雖然K1(s)在高頻帶增益很高，但由于參考電壓信號vL*是基波正弦信號，頻率為50Hz，不存在高頻分量，因而K1(s)高頻帶的高增益是可以忽略的。在低頻帶忽略uS、iL的影響，即vconB≈K1(s)vL*≈-1kpwmkvvL*]]>而 vconA＝-kv(1-k)uS，k為電壓跌落幅度(k≤1)；忽略L2上的壓降，則有(vconB-vconA)×kpwm＝-kuS(-vL*/kv)+kvkpwm(1-k)uS=-kuS]]>在同相補(bǔ)償情況下，(vL*/kv)=uS,]]>即kpwmkv＝1則Vd=2vtrkv...(9)]]>
式(9)表明，在同相補(bǔ)償情況下，在PWM線性調(diào)制范圍內(nèi)，即調(diào)制比ma=vconivtr≤1,]]>儲能電容電壓與三角波幅值vtr成正比，與電壓互感器變比kv成反比。當(dāng)vtr，kv確定后，Vd就確定了。式(9)確定的Vd實際上是補(bǔ)償100％的電壓跌落(k＝1)時所需的電容電壓值。而事實上，當(dāng)電壓完全跌落至0時，儲能電容的能量最終將被負(fù)載所消耗，Vd最終將變?yōu)?。在PWM線性調(diào)制區(qū)內(nèi)，如果電壓跌落幅度為k，可近似地認(rèn)為則所需的電容電壓約為kVd。
并聯(lián)單元作為一個APF裝置，對電容電壓也有一定的要求若電容電壓過低，則補(bǔ)償能力下降，系統(tǒng)電流諧波含量增加；電容電壓越高，其補(bǔ)償效果越好，系統(tǒng)電流諧波含量越低，但電容電壓愈高，則對開關(guān)管的耐壓水平就愈高，一般在APF系統(tǒng)中，vd取電源電壓峰值的1.5倍。
電網(wǎng)電壓跌落50％時的電流、電壓補(bǔ)償曲線圖如圖6所示。
本發(fā)明的一個實施例中各仿真參數(shù)如下不控整流帶阻感負(fù)載R＝10Ω；L＝0.1Hvtr＝10V，kv＝0.02，ks＝0.1，L1＝L2＝1mH，Cd＝5000μF，C0＝50μF
權(quán)利要求
1.一種三橋臂統(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(jìn)行電流補(bǔ)償?shù)牟⒙?lián)單元，包括一個由兩個開關(guān)管組成的并聯(lián)單元橋臂與公用橋臂構(gòu)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，用以給直流儲能電容充電，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，用于濾除第一逆變橋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單元，由一個電解電容構(gòu)成；(3)用于對電力系統(tǒng)進(jìn)行電壓補(bǔ)償?shù)拇?lián)單元，包括一個由兩個開關(guān)管組成的串聯(lián)單元橋臂與公用橋臂構(gòu)成的第二逆變橋，用于從直流儲能電容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；(4)用于為并聯(lián)單元和串聯(lián)單元提供電流回路的公用橋臂，由兩個開關(guān)管組成，分別與并聯(lián)單元橋臂及串聯(lián)單元橋臂構(gòu)成第一逆變橋和第二逆變橋。
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、第二逆變橋及公用橋臂的開關(guān)管為絕緣柵雙極性晶閘管、門極關(guān)斷晶閘管或集成門極換向晶閘管中的任何一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種三橋臂結(jié)構(gòu)統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，屬電力設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。包括用于對電力系統(tǒng)進(jìn)行電流補(bǔ)償?shù)碾娏餮a(bǔ)償器，包括一個由并聯(lián)單元橋臂和公用橋臂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電容；用于對電力系統(tǒng)進(jìn)行電壓補(bǔ)償?shù)碾妷貉a(bǔ)償器，包括一個由串聯(lián)單元橋臂和公用橋臂組成的第二逆變橋和一個由電容與電感組成的濾波器；用于為并聯(lián)單元和串聯(lián)單元提供電流回路的公用橋臂，分別與并聯(lián)單元橋臂及串聯(lián)單元橋臂構(gòu)成第一逆變橋和第二逆變橋。本發(fā)明的調(diào)節(jié)器，無需進(jìn)行電氣隔離的，可同時滿足電流、電壓補(bǔ)償控制過程中對于能量流動的要求，與傳統(tǒng)四橋臂結(jié)構(gòu)相比，省去一個橋臂，降低了裝置的損耗。
文檔編號H02J3/00GK1588743SQ20041006257
公開日2005年3月2日 申請日期2004年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月2日
發(fā)明者黃瑋, 姜齊榮, 沈菲 申請人:清華大學(xué)