CN102638047A - 一种带旁路开关的三相统一电能质量控制装置 - Google Patents

Abstract

一种带旁路开关的三相统一电能质量控制装置，主要包括:旁路开关、三个全桥单元构成；其特征在于：旁路开关并联在电源与负荷之间，每个全桥单元包括一个并联单元、一个串联单元和一个储能单元；并联单元包括由两个开关管组成的逆变桥和一个滤波电感；串联单元包括由两个开关管组成的逆变桥和一个由电容、电感组成的滤波器；储能单元，由上下两组直流电容串联组成。本发明采取了跨相连接，避免了由串并联单元共用储能部分而引起的电容直通、交流短路等故障，故无需采取额外的隔离措施。各相串联单元与电源相串联，各相并联单元在负荷侧结成三角形，各相储能单元相互独立。具有补偿谐波电流、电压跌落、浪涌、100%单相跌落等功能。

Description

一种带旁路开关的三相统一电能质量控制装置

技术领域

本发明涉及一种电能质量控制装置,确切地说公开了一种带旁路开关的三相统一电能质量控制装置。

背景技术

电能质量问题可分为两大类：1、电压质量问题，指供电的可靠性以及供电电压的幅值、波形、频率的好坏等；2、电流质量问题，指负荷电流中的无功、谐波及负序分量的大小，这两个问题都是电力系统所关注的。这两类问题可以利用相应的电力电子装置来解决，如动态电压补偿器可以解决电压质量问题，有源电力滤波器可以解决电流质量问题。

统一电能质量控制器（UPQC）结合了动态电压补偿器和有源电力滤波器两者的功能，可以同时保证负荷侧的电压质量和系统侧的电流质量。UPQC通常由三个基本单元组成：串联单元、并联单元和直流储能单元。其中串联单元作电压补偿之用，以解决电压质量问题，相当于一台动态电压补偿器；并联单元用作电流补偿，来解决电流质量问题，相当于一台有源电力滤波器；直流储能单元由直流电容器构成，为串联和并联单元所共用，向它们提供稳定的直流电压。由于直流电容为串并联两单元所共用，在传统的UPQC拓扑中，为防止交流短路、直流电容直通等故障，交直流之间必须采取一定的电气隔离，通常采用在串联和并联两侧分别加装变压器的方法来实现隔离。变压器的接入不仅提供了有效的隔离作用，还可以扩大装置的容量，使器件的选择更加灵活。但变压器的引入同时也会带来诸如成本、体积、损耗、非线性、浪涌等不利因素。因此，在电压等级较低或开关器件的容量足够的情况下引入变压器的缺陷将远远大于所带来的优势。

本发明属于三相统一电能质量控制装置，它采取跨相结构的设计，从而避免了短路问题，无需额外的隔离变压器，既能解决负荷引起的谐波问题、不平衡问题、功率因数低等问题，又能解决电源侧的跌落浪涌等问题，旁路开关为安装、维护等提供了方便，增加了装置的可靠性，无需大容量的储能，单相跌落100%时也能补偿。既能应用于三相三线系统，又能应用于三相四线系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种无需采取隔离措施的一种带旁路开关的三相统一电能质量控制装置，以实现传统三相UPQC所具有的各项电压补偿和电流补偿功能。该装置主要包括：旁路开关、三个全桥单元构成；其特征在于：

所述的旁路开关包括：

旁路开关，并接在电源与负荷之间；

电源侧隔离开关，串接在电源与下述全桥单元之间；

负荷侧隔离开关，串接在负荷与下述全桥单元之间。

所述的三个全桥单元，每个全桥单元包括：1个并联单元和1个串联单元及一个储能单元，串联单元直接与电源相串，并联单元在负荷侧结成三角形结构，所述的并联单元，包括一个由两个正向串联的开关管组成的逆变桥和一个滤波电感，该滤波电感的一端接所述两个开关管的串接点，另一端接负荷侧隔离开关的输入端，所述逆变桥输出的脉宽调制电压波用来控制流过上述滤波电感的电流，使之能够补偿负荷电流中的无功、谐波和负序分量并维持直流母线电压的恒定。

所述的串联单元，包括由另外两个正向串联的开关管组成的逆变桥、由滤波电容和另一滤波电感组成的低通滤波器以及旁路晶闸管，该滤波电感的一端接所述串联单元中逆变桥的两个开关管之间的串接点，所述串联单元中的滤波电容和滤波电感的串接点接电源侧隔离开关的输出端，该串接点同时接所述旁路晶闸管的一端，该旁路晶闸管的另一端与上述滤波电容的另一端一起接于负荷侧隔离开关的输入端，所述串联单元的逆变桥产生合适的脉宽调制电压波来补偿电源电压的跌落、浪涌、谐波和负序成分，所述串联单元中的低通滤波器用来滤除脉宽调制电压波中的开关谐波分量，所述旁路晶闸管在电源电压正常时导通，电源电压由它直接提供给负荷，在出现电压质量问题时关断。

所述的储能单元，由两组直流电容正向串联组成，所述两组直流电容的串接点接于所述旁路晶闸管的负荷端，所述储能单元同时并接了串联单元逆变桥、并联单元逆变桥的两端，该储能单元为所述串联单元和并联单元提供稳定的直流电压。

所述的一种带旁路开关的三相统一电能质量控制装置，其中组成并联单元和串联单元的开关管为绝缘栅双极性晶体管、门极可关断晶闸管、集成门极换向晶闸管中的任何一种。

本发明提出的一种带旁路开关的三相统一电能质量控制装置，具有下面的优点：

1、隔离开关为安装、维护带来了方便；

2、与传统的UPQC相比，没有引入变压器或其他隔离环节，避免了变压器带来的诸多不利因素，且结构简单，成本较低；

3、储能电容为串并联单元所共用，既保证了两单元之间的能量流动，同时又不会发生电容直通、交流短路等故障；

4、由于采取跨相结构设计，无需大容量的储能，单相跌落100%时也能补偿；

5、可以实现传统三相UPQC的各项功能，能够有效解决各类电压和电流质量问题。

总之，本发明提出的三相统一电能质量控制装置，既省去了额外隔离环节，又可以实现传统三相UPQC的各项电流补偿和电压补偿功能。

附图说明

参见附图：

图1是本发明的电路图；

图2 是补偿谐波与不平衡的仿真图；

图3a、b是补偿三相电压跌落时的仿真波形图；

图4a、b 是补偿单相跌落100%时的仿真图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例，对本发明的技术特征作进一步说明。

本发明提出的一种带旁路开关的三相统一电能质量控制装置的电路图如图1所示，主要包括：串联单元中的滤波电容1，串联单元中的旁路晶闸管2，串联单元中的滤波电感3；串联单元中的开关管4、5，两个直流电容器组6、7，串联组成储能单元；两个正向串联的开关管8、9，组成并联单元的逆变桥；并联单元的滤波电感10、电源侧的隔离开关11、负荷侧的隔离开关12及旁路开关13。

安装和维护时，闭合旁路开关13，打开电源侧的隔离开关11、负荷侧的隔离开关12；正常运行时，闭合电源侧的隔离开关11、负荷侧的隔离开关12，打开旁路开关13。

当负荷侧出现电流谐波、三相不平衡或无功较大等电流质量问题时，为了保证电源电流仍为三相对称的正弦量且电源发出的功率与负荷吸收的功率相等，并联单元开始工作，根据负荷电流与标准的电流相比较，控制并联单元的开关管（如A相的“8”、“9”）输出相应的补偿量，从而使电源电流正弦、光滑、对称。

当电源侧出现电压质量问题时，为了保证负荷侧电压仍为三相对称、幅值额定的正弦量，断开旁路晶闸管（如A相的“2”），控制串联单元（如A相的“4”、“5”）输出相应的补偿量，使得负荷电压不受电源侧电压质量的影响，保护了负荷。 

下面举一个仿真实例来验证本发明提出的三相统一电能质量控制器的有效性。采用PSCAD/EMTDC仿真软件包，电源线电压额定值为380V，频率为50Hz，负荷为非线性且不平衡的。附图2为负荷谐波和不平衡时的补偿效果，虽然负荷有谐波、波形畸变严重且不对称，经过补偿后，电源电流正弦且对称。附图3为电源电压在0.8s到1.5s之间发生了三相跌落，经过补偿后，负荷电压始终为三相对称、幅值额定的正弦波，附图4为电源电压发生单相100%跌落的补偿波形，由于采取跨相结构，从另外两相得到了能量，即使单相100%跌落同样得到了很好的补偿。说明本发明提出的电能质量控制装置可以有效地解决各类电能质量问题。

Claims (3)

1.一种带旁路开关的三相统一电能质量控制装置，主要包括：旁路开关和三个全桥单元构成；其特征在于：

所述的旁路开关包括：

旁路开关，并联在电源与负荷之间；

电源侧隔离开关，串联在电源与全桥单元之间；

负荷侧隔离开关，串联在负荷与全桥单元之间；

所述的全桥单元有3个，每个全桥单元包括一个并联单元、一个串联单元和一个储能单元，串联单元直接与电源相串，并联单元在负荷侧结成三角形结构。

2.根据权利要求1所述的一种带旁路开关的三相统一电能质量控制装置，其特征在于：

所述的并联单元，包括由两个正向串联的开关管组成的逆变桥和一个滤波电感，该滤波电感的一端接所述两个开关管的串接点，另一端接负荷侧隔离开关的输入端；

所述的串联单元，包括由另外两个正向串联的开关管组成的逆变桥、由滤波电容和另一滤波电感组成的低通滤波器以及旁路晶闸管，该滤波电感的一端连接所述串联单元中逆变桥的两个开关管之间的串接点，所述串联单元中的滤波电容和滤波电感的串接点接电源侧隔离开关的输出端，该串接点同时连接所述旁路晶闸管的一端，该旁路晶闸管的另一端与上述滤波电容的另一端一起接于负荷侧隔离开关的输入端；

所述的储能单元，由两组直流电容正向串联组成，所述两组直流电容的串接点接于所述的旁路晶闸管的负荷端，所述储能单元同时并接了串联单元逆变桥、并联单元逆变桥的两端。

3.根据权利要求1所述的一种带旁路开关的三相统一电能质量控制装置，其特征在于：所述的组成并联单元和串联单元的开关管为绝缘栅双极性晶体管、门极可关断晶闸管、集成门极换向晶闸管中的任何一种。

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