專利名稱：電壓串聯(lián)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
電壓串聯(lián)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器屬于電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)電能質(zhì)量水平的要求很高，電能質(zhì)量問(wèn)題不僅會(huì)給工業(yè)界帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)損失，如停工和再啟動(dòng)導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加，損壞反應(yīng)靈敏設(shè)備，報(bào)廢半成品，降低產(chǎn)品質(zhì)量，造成營(yíng)銷困難而損害公司形象及和用戶的良好商業(yè)關(guān)系等，而且也會(huì)給醫(yī)療等重要用電部門(mén)的設(shè)備帶來(lái)危害，引起嚴(yán)重的生產(chǎn)和運(yùn)行事故，美國(guó)電力研究院(EPRI)研究顯示，電能質(zhì)量問(wèn)題每年導(dǎo)致美國(guó)工業(yè)在數(shù)據(jù)，材料和生產(chǎn)力上的損失達(dá)300億美元(Electric PowerResearch Institute，1999)，在新加坡，每次電壓瞬間下降都會(huì)造成超過(guò)100萬(wàn)新元的經(jīng)濟(jì)損失；隨著我國(guó)高科技工業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)電能質(zhì)量水平的要求也越來(lái)越高，電壓陷落和浪涌是其中的主要問(wèn)題，電壓陷落和浪涌不僅會(huì)引起電力系統(tǒng)的電壓質(zhì)量問(wèn)題，也會(huì)危及用電設(shè)備的安全工作，電力系統(tǒng)故障，大型電機(jī)啟動(dòng)，支路電路短路等都會(huì)引起電壓陷落，電壓浪涌是由閃電、接通供電系統(tǒng)和其他原因造成過(guò)壓而引起的，大型電機(jī)和空調(diào)器是大的電壓浪涌產(chǎn)生源，雖然電壓陷落和浪涌時(shí)間短，但是它會(huì)引起工業(yè)過(guò)程的中斷或停工，而所引起工業(yè)過(guò)程的停工期間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電壓陷落和浪涌事故的本身時(shí)間，因此所造成的損失很大，電壓陷落的特征是電源電壓驟然下降至10％到90％的正常電壓值并持續(xù)0.5到50個(gè)周期，電壓浪涌的特征是電源電壓驟然上升至110％到180％的正常電壓值并持續(xù)0.5到50個(gè)周期，絕大部分電壓陷落和浪涌，其電壓變化幅度在50％以內(nèi)，且持續(xù)時(shí)間不超過(guò)500毫秒；傳統(tǒng)的方法，如電壓調(diào)節(jié)器和浪涌抑制器并不能解決這些問(wèn)題，而UPS裝置雖能解決這些問(wèn)題，但是其成本和運(yùn)行費(fèi)用都極其昂貴，為了解決上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外對(duì)動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器開(kāi)展了研究，目前國(guó)內(nèi)外電壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器的逆變器每相主要由4組IGBT構(gòu)成全橋式結(jié)構(gòu)，從設(shè)計(jì)上來(lái)講，可分為兩大類1.注入變壓器方式逆變的正弦電壓通過(guò)注入的變壓器串聯(lián)到線路中，用變壓器給直流電容充電，或用飛輪等來(lái)儲(chǔ)能；2.無(wú)注入變壓器方式需用蓄電池、超級(jí)儲(chǔ)能電容或用變壓器給直流電容充電；
其存在的主要問(wèn)題1.對(duì)于動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器，IGBT是最重要的元件，價(jià)格也不便宜，功率越大，IGBT就越貴，4組IGBT所占成本高；2.注入的變壓器容量和負(fù)載相關(guān)，負(fù)載越大，變壓器容量就越大，這樣對(duì)整個(gè)裝置的體積和成本影響很大，它適合于中、高壓電路。對(duì)于低壓電路，不太經(jīng)濟(jì)實(shí)用，且還有變壓器壓降等問(wèn)題；3.無(wú)注入變壓器若用蓄電池來(lái)儲(chǔ)能，其能量利用率極低，且有維護(hù)、環(huán)保等問(wèn)題，一般來(lái)講，蓄電池應(yīng)用在幾十分鐘或幾小時(shí)的設(shè)計(jì)，極短時(shí)間的多次放電會(huì)影響其壽命，用超級(jí)儲(chǔ)能電容或飛輪來(lái)儲(chǔ)能都很貴，無(wú)注入變壓器若用直流電容來(lái)儲(chǔ)能，則需要很大容量；若要使用盡可能少的直流電容量，則充電變壓器的容量必須和負(fù)載容量相關(guān)，這樣就使得整個(gè)裝置的體積和成本增加；在2000年4月向我國(guó)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局申請(qǐng)且于2002年6月公開(kāi)(公開(kāi)號(hào)為1353880)的新加坡電力有限公司的動(dòng)態(tài)串聯(lián)電壓補(bǔ)償器及動(dòng)態(tài)串聯(lián)電壓補(bǔ)償方法，是針對(duì)電壓陷落(驟降)問(wèn)題而設(shè)計(jì)的，用蓄電池儲(chǔ)能，且不說(shuō)其蓄電池的維護(hù)問(wèn)題，單單其蓄電池的能量利用率就非常之低(低于2％)，因而也大大增加了成本，逆變器由H型的4組IGBT構(gòu)成，也增加了成本；本人于2004年3月12日提出的申請(qǐng)?zhí)枮?00410008462.4的“電壓陷落浪涌動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器”發(fā)明設(shè)計(jì)里，采用了可控硅控制充電電流的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)既能解決電壓陷落問(wèn)題，也能解決電壓浪涌問(wèn)題，但是它對(duì)可控硅觸發(fā)角的控制要求比較高；在本實(shí)用新型設(shè)計(jì)中，利用充電二極管、限流充電電阻和繼電器或接觸器相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)限流充電支路，使得限流充電支路更加獨(dú)特、簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)既可用作單獨(dú)解決電壓陷落問(wèn)題，也可同時(shí)解決電壓陷落和浪涌問(wèn)題，具有很大的靈活性。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種電壓串聯(lián)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器；本實(shí)用新型提出的電壓串聯(lián)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器是直接串聯(lián)到低壓電網(wǎng)中(如380伏)，既能同時(shí)解決電壓陷落和浪涌問(wèn)題，當(dāng)去掉放電支路時(shí)，又能作為僅僅解決電力系統(tǒng)中交流電壓陷落問(wèn)題，具有很大的靈活性；電網(wǎng)電壓陷落或浪涌時(shí)，其逆變器輸出相應(yīng)的正弦電壓直接注入到電網(wǎng)中來(lái)補(bǔ)償所需的電壓量，由于絕大多數(shù)電壓陷落和浪涌，其電壓幅度在50％以內(nèi)，且持續(xù)時(shí)間不超過(guò)500毫秒，因此，利用電壓陷落時(shí)系統(tǒng)剩下的50％以上的電壓對(duì)儲(chǔ)能的直流電容進(jìn)行交叉充電，使得所需的儲(chǔ)能直流電容量最少，通過(guò)放電支路吸收電壓浪涌時(shí)上升的能量；在本設(shè)計(jì)中，既無(wú)體積笨重的注入變壓器，又不需要充電變壓器，逆變器由全控半橋型的2組IGBT構(gòu)成，減少了成本，其獨(dú)特的利用限流充電電阻和繼電器或接觸器相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)限流充電支路，使得限流充電支路簡(jiǎn)單化；本實(shí)用新型的特征在于它由三個(gè)單相的電壓串聯(lián)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器組成，各含有測(cè)量和控制電路，包含微處理器；可編程定時(shí)器，它的定時(shí)信號(hào)輸入端與所述微處理器的相應(yīng)輸出端相連；邏輯與或門(mén)，它的兩個(gè)輸入端分別與所述可編程定時(shí)器的脈寬調(diào)制PWM信號(hào)輸出端、所述微處理器的絕緣門(mén)柵極晶體管即IGBT的閉鎖信號(hào)輸出端相連；相互串接的電源電壓互感器即PT和濾波電路，所述電源電壓互感器的輸入端與電源電壓相連，所述濾波電路的輸出端與所述微處理器的電源電壓測(cè)量信號(hào)輸入端相連；相互串接的負(fù)載電流互感器即CT和濾波電路，所述負(fù)載電流互感器的輸入端是負(fù)載電流信號(hào)，所述濾波電路的輸出端與所述微處理器的負(fù)載電流測(cè)量信號(hào)輸入端相連；單相電壓串聯(lián)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器，含有主可控硅，由兩個(gè)可控硅反并聯(lián)構(gòu)成，它串接于電源與負(fù)載回路中，它的控制端與所述微處理器的主可控硅控制信號(hào)輸出端相連；充電二極管，由兩個(gè)二極管正向串接而成，它們的連接點(diǎn)與電源的中線端相連；限流充電支路，由限流充電電阻和繼電器或接觸器的常開(kāi)觸點(diǎn)并接而成，它們并聯(lián)的一端與電源輸入端相連，另一端與下述兩組儲(chǔ)能電容的連結(jié)點(diǎn)相連；限流充電支路的繼電器或接觸器的控制端與所述微處理器的繼電器或接觸器的控制信號(hào)輸出端相連；儲(chǔ)能支路，由兩組儲(chǔ)能電容串接而成，它們的連接點(diǎn)與上述限流充電支路的另一端相連；逆變器，由兩個(gè)絕緣門(mén)柵極晶閘管即IGBT串接而成，上述兩個(gè)逆變器的連接點(diǎn)與兩個(gè)儲(chǔ)能電容的連接點(diǎn)之間依次串接著濾波電感和電容，該濾波電感和濾波電容之間的連接點(diǎn)經(jīng)過(guò)另一個(gè)繼電器或接觸器的常開(kāi)觸點(diǎn)與主可控硅和負(fù)載相連的那個(gè)接點(diǎn)相連；所述的逆變器是同時(shí)和儲(chǔ)能支路以及充電二極管并聯(lián)的；各個(gè)絕緣門(mén)柵極晶閘管的控制端與上述邏輯與或門(mén)的控制IGBT信號(hào)輸出端相連；這個(gè)繼電器或接觸器的控制端與所述微處理器的另一個(gè)繼電器或接觸器的控制信號(hào)輸出端相連。
所述的儲(chǔ)能支路并聯(lián)著一個(gè)放電支路，該放電支路由放電電阻和放電開(kāi)關(guān)串接而成，所述放電開(kāi)關(guān)的控制端與所述微處理器的放電開(kāi)關(guān)控制信號(hào)輸出端相連。
在所述的各主可控硅和電源負(fù)載之間各串接著一個(gè)隔離開(kāi)關(guān)，在電源和負(fù)載之間串接著一個(gè)旁路開(kāi)關(guān)。
本實(shí)用新型不使用注入變壓器，直接串聯(lián)在電壓低壓即380伏一側(cè)，在正常工作下，通過(guò)可控硅向負(fù)載供電，效率高，而在電壓陷落或浪涌時(shí)，可保護(hù)用電設(shè)備，它省卻了大容量充電變壓器，利用限流充電電阻和繼電器或接觸器相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)限流充電支路，由限流充電支路和充電二極管對(duì)儲(chǔ)能的直流電容進(jìn)行充電；它用很少的直流電容量來(lái)儲(chǔ)能，儲(chǔ)能的直流電容分成正負(fù)兩組，一組提供能量給逆變器用時(shí)，另一組充電，每一組連續(xù)放電為半個(gè)交流電網(wǎng)周期；它還省卻了一半數(shù)量的IGBT晶閘管。


圖1.單相電壓串聯(lián)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器電路原理框圖。
圖2.測(cè)量和控制電路原理框圖。
圖3.單相帶旁路開(kāi)關(guān)的電壓串聯(lián)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器電路原理框圖。
圖4.解決電壓陷落的單相電壓串聯(lián)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器電路原理框圖。
具體實(shí)施方式
圖1虛框內(nèi)為單相的電壓串聯(lián)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器17的設(shè)計(jì)原理圖，三相可由獨(dú)立的三個(gè)單相構(gòu)成，補(bǔ)償期間所需的能量由少量的直流電容6、7來(lái)提供，既環(huán)保又低成本，所設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器在沒(méi)有放電支路時(shí)解決陷落問(wèn)題，加上放電支路時(shí)又能解決電壓浪涌問(wèn)題，非常靈活；如圖1虛框17內(nèi)所示，電壓陷落浪涌動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器17由主可控硅1，逆變器2、3，充電二極管4、5，直流電容6、7，交流濾波電感8，交流濾波電容9，繼電器或接觸器10，放電電阻11，放電開(kāi)關(guān)12，限流充電電組15，限流充電繼電器或接觸器16，及測(cè)量和控制電路21(見(jiàn)圖2)構(gòu)成，當(dāng)電壓串聯(lián)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器僅作為解決電壓陷落時(shí)，沒(méi)有放電電阻11和放電開(kāi)關(guān)12，以下詳細(xì)介紹各個(gè)組成部分1是一組反并聯(lián)的主可控硅(小容量時(shí)，也可考慮把IGBT反串聯(lián)在一起來(lái)用)，正常工作時(shí)，電源13電壓通過(guò)它們提供給負(fù)載；2和3是IGBTs(絕緣門(mén)柵極晶體管)，他們組成了逆變器，電源13電壓瞬間變化超過(guò)設(shè)定值時(shí)，根據(jù)所需的電壓量，逆變器輸出相應(yīng)的脈寬調(diào)制PWM信號(hào)；4和5是充電二極管，用來(lái)對(duì)直流電容6、7的充電；6和7是直流電容，用來(lái)儲(chǔ)存能量以便補(bǔ)償時(shí)所需，即使在補(bǔ)償期間，每隔半個(gè)周期也會(huì)得到充電；8和9分別是交流濾波電感和電容，補(bǔ)償時(shí)逆變器2和3輸出的PWM信號(hào)經(jīng)8和9后，得到正弦電壓，該正弦電壓串聯(lián)到電網(wǎng)中來(lái)補(bǔ)償所需的電壓量，使負(fù)載14電壓不受電源13電壓的影響；10是繼電器或接觸器，直流電容6、7的電壓充滿之后閉合；11和12分別是電壓浪涌時(shí)的放電電阻和開(kāi)關(guān)(開(kāi)關(guān)為MOSFET或IGBT)，當(dāng)電壓串聯(lián)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器僅作為解決電壓陷落時(shí)，去掉11和12，如圖4所示；13代表電源，與主可控硅1或旁路開(kāi)關(guān)18相連的端為電源火線端，與兩個(gè)二極管的連結(jié)點(diǎn)相連端為中線端；14代表負(fù)載；15是限流充電電阻；16是限流充電繼電器或接觸器，直流電容6、7的電壓充滿之后閉合；再見(jiàn)圖1～4上電時(shí)，電源13電壓通過(guò)充電二極管4、5和限流充電電阻15對(duì)直流電容6、7進(jìn)行充電，當(dāng)直流電容6、7的電壓充滿之后，由測(cè)量和控制電路21發(fā)出信號(hào)來(lái)閉合繼電器或接觸器10和16，正常工作時(shí)，電源13電壓通過(guò)主可控硅1提供給負(fù)載14，測(cè)量和控制電路21實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電源13電壓，當(dāng)檢測(cè)到電源13電壓超過(guò)設(shè)定值時(shí)，斷開(kāi)主可控硅1，測(cè)量和控制電路21發(fā)出控制信號(hào)使逆變器2、3輸出相應(yīng)的PWM信號(hào)，PWM信號(hào)經(jīng)交流濾波電感8和電容9后，得到所需的正弦電壓，該正弦電壓與電源13電壓疊加在一起，使負(fù)載得到正常的電壓；在實(shí)際應(yīng)用中，如圖1所示的設(shè)計(jì)可以直接串連到負(fù)載的供電電源中，也可以和旁路開(kāi)關(guān)18、隔離開(kāi)關(guān)19、20一起串連到負(fù)載的供電電源中以方便維護(hù)、檢修，如圖3所示，用三相的旁路開(kāi)關(guān)和隔離開(kāi)關(guān)來(lái)應(yīng)用在三相系統(tǒng)中。
權(quán)利要求1.電壓串聯(lián)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器，其特征在于它含有三個(gè)單相的電壓串聯(lián)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器，各含有測(cè)量和控制電路，包含微處理器；可編程定時(shí)器，它的定時(shí)信號(hào)輸入端與所述微處理器的相應(yīng)輸出端相連；邏輯與或門(mén)，它的兩個(gè)輸入端分別與所述可編程定時(shí)器的脈寬調(diào)制PWM信號(hào)輸出端、所述微處理器的絕緣門(mén)柵極晶體管即IGBT的閉鎖信號(hào)輸出端相連；相互串接的電源電壓互感器即PT和濾波電路，所述電源電壓互感器的輸入端與電源電壓相連，所述濾波電路的輸出端與所述微處理器的電源電壓測(cè)量信號(hào)輸入端相連；相互串接的負(fù)載電流互感器即CT和濾波電路，所述負(fù)載電流互感器的輸入端是負(fù)載電流信號(hào)，所述濾波電路的輸出端與所述微處理器的負(fù)載電流測(cè)量信號(hào)輸入端相連；單相電壓串聯(lián)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器，含有主可控硅，由兩個(gè)可控硅反并聯(lián)構(gòu)成，它串接于電源與負(fù)載回路中，它的控制端與所述微處理器的主可控硅控制信號(hào)輸出端相連；充電二極管，由兩個(gè)二極管正向串接而成，它們的連接點(diǎn)與電源的中線端相連；限流充電支路，由限流充電電阻和繼電器或接觸器的常開(kāi)觸點(diǎn)并接而成，它們并聯(lián)的一端與電源輸入端相連，另一端與下述兩組儲(chǔ)能電容的連結(jié)點(diǎn)相連；限流充電支路的繼電器或接觸器的控制端與所述微處理器的繼電器或接觸器的控制信號(hào)輸出端相連；儲(chǔ)能支路，由兩組儲(chǔ)能電容串接而成，它們的連接點(diǎn)與上述限流充電支路的另一端相連；逆變器，由兩個(gè)絕緣門(mén)柵極晶閘管即IGBT串接而成，上述兩個(gè)逆變器的連接點(diǎn)與兩個(gè)儲(chǔ)能電容的連接點(diǎn)之間依次串接著濾波電感和電容，該濾波電感和濾波電容之間的連接點(diǎn)經(jīng)過(guò)另一個(gè)繼電器或接觸器的常開(kāi)觸點(diǎn)與主可控硅和負(fù)載相連的那個(gè)接點(diǎn)相連；所述的逆變器是同時(shí)和儲(chǔ)能支路以及充電二極管并聯(lián)的；各個(gè)絕緣門(mén)柵極晶閘管的控制端與上述邏輯與或門(mén)的控制IGBT信號(hào)輸出端相連；這個(gè)繼電器或接觸器的控制端與所述微處理器的另一個(gè)繼電器或接觸器的控制信號(hào)輸出端相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓串聯(lián)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器，其特征在于所述的儲(chǔ)能支路并聯(lián)著一個(gè)放電支路，該放電支路由放電電阻和放電開(kāi)關(guān)串接而成，所述放電開(kāi)關(guān)的控制端與所述微處理器的放電開(kāi)關(guān)控制信號(hào)輸出端相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電壓串聯(lián)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器，其特征在于在所述的各主可控硅和電源、負(fù)載之間各串接著一個(gè)隔離開(kāi)關(guān)，在電源和負(fù)載之間串接著一個(gè)旁路開(kāi)關(guān)。
專利摘要電壓串聯(lián)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器屬于電力系統(tǒng)電壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于它通過(guò)一個(gè)以微處理器(或DSP)為核心組成的測(cè)量與控制電路，使逆變器輸出的正弦電壓在電壓陷落和浪涌時(shí)直接串聯(lián)在電源電壓上，來(lái)補(bǔ)償所需的電壓量，從而使負(fù)載端電壓不受影響，它充分利用電壓陷落時(shí)系統(tǒng)剩下的電壓量，一方面和逆變器輸出的電壓相加在一起，使負(fù)載端得到穩(wěn)定運(yùn)行的電壓，另一方面對(duì)儲(chǔ)能的直流電容進(jìn)行半周期的交叉充電，達(dá)到用最少量的直流電容量來(lái)儲(chǔ)能，既能單獨(dú)作為解決電壓陷落問(wèn)題，也能同時(shí)解決電壓陷落和浪涌問(wèn)題，它同時(shí)具備一次投資小、體積小的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02J3/28GK2738449SQ200420089119
公開(kāi)日2005年11月2日 申請(qǐng)日期2004年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月27日
發(fā)明者李國(guó)杰, 孫元章, 黎雄 申請(qǐng)人:清華大學(xué)