專利名稱：一種串聯型電壓暫變補償控制電路及控制方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電能質量控制技術領域，涉及一種電壓暫變補償控制電路，具體涉及
一種串聯型電壓暫變補償控制電路，本發(fā)明還涉及利用該電路進行控制的方法。
背景技術：
串聯型電壓暫變補償控制電路是一種電壓源型電力電子補償電路， 一個補償電源串接于電源和重要負荷之間，當電網電壓發(fā)生暫變時，通過補償電源注入一個補償電壓，以補償電壓暫變值，最終保持負載電壓為額定。它具有較好的動態(tài)性能，當發(fā)生電壓暫降或暫升時，能在很短的時間(幾個毫秒)內即可將故障處電壓恢復到正常值。目前，針對電壓暫變問題，常見的補償電路有如下幾種(l)動態(tài)電壓恢復器DVR(Dynamic VoltageRestorer)。其補償電壓通過注入變壓器串聯接入電網，以補償來自系統的電壓暫變和諧波。但是，DVR的儲能單元和工頻注入變壓器使得其體積較大、造價較高、且效率較低。(2)通用電能質量控制器UPQC(Universal Power Quality Controller)。它由一個通過工頻注入變壓器串聯在電網進線上的電壓型逆變器和一個并聯在負載端的電流型逆變器共同組成，二者共用一個直流環(huán)節(jié)?？拷娋W側的串聯電壓型逆變器用來提高電網供電電壓的質量；靠近負載側的并聯電流型逆變器用來改善負載的電流質量。雖然UPQC補償功能較強大，但是結構復雜、體積大、造價高，控制亦復雜。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種串聯型電壓暫變補償控制電路，解決了現有的電壓暫變
補償控制電路結構復雜、體積大、造價高、控制復雜的問題。 本發(fā)明的另一 目的是提供利用上述補償控制電路進行控制的方法。 本發(fā)明所采用的技術方案是，一種串聯型電壓暫變補償控制電路，包括依次連接
的整流環(huán)節(jié)、逆變環(huán)節(jié)和濾波環(huán)節(jié)，還包括旁路開關，旁路開關串聯于電網和負載之間，整
流環(huán)節(jié)包括二極管a、二極管b、二極管c和二極管d， 二極管a和二極管b連接成一個半橋，
二極管c和二極管d連接成一個半橋，還包括相連接的電容a和電容b，逆變環(huán)節(jié)包括依次
串聯的開關管a、開關管b、開關管c和開關管d，開關管a和開關管b連接成上橋臂，開關管
c和開關管d連接成下橋臂，還包括順向串聯的二極管e和二極管f，二極管e、二極管f的
中點與電容a、電容b的中點相連接，二極管e的陰極與開關管a、開關管b的中點相連接，
二極管f的陽極與開關管c、開關管d的中點相連接，濾波環(huán)節(jié)包括串聯的電感和電容c，開
關管b、開關管c的中點和濾波環(huán)節(jié)中的電感相連接，電容c與電感的連接端和負載相連接，
電容c的另一端與濾波電容中性點相連接。 本發(fā)明所采用的另一技術方案是， 一種利用串聯型電壓暫變補償控制電路進行控制的方法， 使三相交流進線的被補償的相與電容a、電容b的中點相連接，三相交流進線的其余兩相中的一相與二極管a、二極管b的中點相連接，三相交流進線的其余兩相中的另一相與二極管c、二極管d的中點相連接， 從三相電網輸入的電網電壓為正常電壓時，旁路開關導通，逆變環(huán)節(jié)關斷，輸入的電網電壓通過旁路開關給濾波環(huán)節(jié)，濾波環(huán)節(jié)輸出電網電壓給負載；同時，輸入的電網電壓通過整流環(huán)節(jié)，二極管a、二極管b、二極管c和二極管d對電網電壓進行整流，得到母線電壓，該母線電壓即為電容a、電容b兩端的電壓； 從三相電網輸入的電網電壓發(fā)生暫變時，旁路開關關斷，逆變環(huán)節(jié)導通，輸入的電網電壓通過整流環(huán)節(jié)，二極管a、二極管b、二極管c和二極管d對電網電壓進行整流，得到整流后直流母線電壓，該母線電壓為電容a、電容b兩端的電壓；逆變環(huán)節(jié)利用該整流后直流母線電壓對輸入的電網電壓進行補償，得到逆變輸出的補償電壓；逆變環(huán)節(jié)將得到的逆變輸出的補償電壓輸出給濾波環(huán)節(jié)，濾波環(huán)節(jié)濾除逆變輸出的高頻分量，使負載上得到平滑的額定電壓。 本發(fā)明的特點還在于，其中的逆變環(huán)節(jié)利用整流后直流母線電壓對輸入的電網電壓進行補償，得到逆變輸出的補償電壓，具體按照以下步驟實施 當開關管a、開關管b導通，開關管c、開關管d關斷時，開關管b、開關管c的中點和電容a、電容b的中點之間的電位差為整流后直流母線電壓/2;當開關管c、開關管d導通，開關管a、開關管b關斷時，開關管b、開關管c的中點和電容a、電容b的中點之間的電位差為_整流后直流母線電壓/2 ;當開關管b、開關管c導通，開關管a、開關管d關斷時，開關管b、開關管c的中點和電容a、電容b的中點之間的電位差為0。 本發(fā)明的有益效果是，該電路不需工頻注入變壓器，不需儲能元件，且可利用線電壓在線整流的方式提高補償深度。該電路能補償低至額定值37%的對稱三相電網電壓暫低；或者可補償一至兩相電壓暫低至零，只要至少有一相電壓保持額定；在電壓暫高時，無論三相電壓在任何情況下，該補償電路均能將三相負載電壓補償至額定。


圖1為本發(fā)明串聯型電壓暫變補償控制電路的結構示意圖； 圖2為本發(fā)明串聯型電壓暫變補償控制電路進行三相電壓暫低補償時的相量圖。
圖中，l.整流環(huán)節(jié)，2.逆變環(huán)節(jié)，3.濾波環(huán)節(jié)，4.旁路開關，5. 二極管a，6. 二極管b，7. 二極管c，8. 二極管d，9.電容a，10.電容b，ll. 二極管e，12. 二極管f， 13.開關管a，14.開關管b，15.開關管c，16.開關管d，17.電感，18.電容c。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進行詳細說明。 本發(fā)明串聯型電壓暫變補償控制電路的結構，如圖l所示，包括依次連接的整流環(huán)節(jié)1、逆變環(huán)節(jié)2和濾波環(huán)節(jié)3，還包括旁路開關4，旁路開關4串聯于電網和負載之間。整流環(huán)節(jié)1包括二極管a5、二極管b6、二極管c7、二極管d8和電容a9、電容b10， 二極管a5和二極管b6連接成一個半橋，二極管c7和二極管d8連接成一個半橋，電容a9和電容b10相連接，三相交流進線的被補償的相與電容a9、電容b10的中點相連接，三相交流進線的其余兩相中的一相與二極管a5、二極管b6的中點相連接，三相交流進線的其余兩相中的另一相與二極管c7、二極管d8的中點相連接。逆變環(huán)節(jié)2為三電平半橋逆變電路，包括依次串聯的開關管al3、開關管bl4、開關管cl5、開關管dl6，還包括二極管ell、二極管f12。開關管a13和開關管b14連接成上橋臂，開關管c15和開關管d16連接成下橋臂，二極管ell和二極管fl2順向串聯為鉗位二極管，二者的中點與電容a9、電容bl0的中點相連接，二極管ell的陰極與開關管al3、開關管b14的中點相連接，二極管f12的陽極與開關管cl5、開關管d16的中點相連接。濾波環(huán)節(jié)3為由串聯的電感17和電容c18組成的二階濾波器，開關管bl4、開關管c15的中點和濾波環(huán)節(jié)3中的電感17相連接。電容c18與電感17的連接端和負載相連接，電容c18的另一端與濾波電容中性點相連接。 采用上述串聯型電壓暫變補償控制電路進行控制的方法，具體按照以下步驟實施 從三相電網輸入的電網電壓為正常電壓時，旁路開關4導通，逆變環(huán)節(jié)2關斷，輸入的電網電壓通過旁路開關4給濾波環(huán)節(jié)3，濾波環(huán)節(jié)3輸出電網電壓給負載；同時，輸入的電網電壓通過整流環(huán)節(jié)l，二極管a5、二極管b6、二極管c7、二極管d8對電網電壓進行整流，得到母線電壓，該母線電壓為電容a9、電容bl0兩端的電壓。 從三相電網輸入的電網電壓發(fā)生暫變時，旁路開關4關斷，逆變環(huán)節(jié)2導通，輸入的電網電壓通過整流環(huán)節(jié)1 ， 二極管a5、 二極管b6、 二極管c7、 二極管d8對電網電壓進行整流，得到整流后直流母線電壓，該母線電壓為電容a9、電容b10兩端的電壓；逆變環(huán)節(jié)2利用上步得到的整流后直流母線電壓對輸入的電網電壓進行補償，得到逆變輸出的補償電壓，具體按照以下步驟實施 當開關管al3、開關管b14導通，開關管cl5、開關管d16關斷時，開關管bl4、開關管cl5的中點和電容a9、電容b10的中點之間的電位差為Ud。/2(Ud。為整流后直流母線電壓)；當開關管cl5、開關管d16導通，開關管al3、開關管b14關斷時，開關管bl4、開關管c15的中點和電容a9、電容b10的中點之間的電位差為_Ude/2 ;當開關管bl4、開關管c15導通，開關管al3、開關管d16關斷時，開關管bl4、開關管c15的中點和電容a9、電容b10的中點之間的電位差為0。其中四路控制信號分別控制開關管al3、開關管bl4、開關管cl5、開關管dl6。 逆變環(huán)節(jié)2將上步得到的逆變輸出的補償電壓輸出給濾波環(huán)節(jié)3，濾波環(huán)節(jié)3濾除
逆變輸出的高頻分量，使負載上得到平滑的額定電壓。 整體工作原理分析 當電網電壓正常時，旁路開關4導通，電網電壓直接向負載供電，同時封鎖逆變器的驅動信號。此時，線電壓給直流側電容充電。當電壓發(fā)生跌落時，旁路開關4關斷，逆變器的驅動信號解封鎖，逆變器工作；逆變器輸出電壓與跌落后的電網剩余電壓迭加后共同給負載供電，將負載電壓補償到額定值。在電壓暫變補償期間，由于直流側電容不斷充電，逆變器不斷從電網吸取能量。所以，該電路能補償對稱三相電網電壓暫低至正常值的37%，或者一至兩相電壓暫低至零而其余相上的電壓保持額定；在電壓暫高時，無論三相電壓在任何情況下，本補償電路均能將三相負載電壓補償至額定。 電壓暫低補償范圍一至兩相電壓暫低至零而其余相上的電壓保持額定時本電路仍然可將負載電壓補償至額定值；而對于三相對稱暫低至正常值的37%時本電路仍然可將負載電壓補償至額定值。三相電壓暫低的相量圖如圖2所示。 在圖2中，i、 j、k = a、b、c且i ^ j ^ k。假設三相電壓中，i相為暫低最深的一相，j為暫低最淺的一相。Ui2、 Uj2、 Uk2是三相電壓的暫低輸入電壓即剩余電壓，Uij2是i、 j
相之間暫低后的線電壓，并且為i相逆變器中的電容充電。Uw是i相的額定電壓，N是理論
中性點。假設Pi，Pj和Pk是i、 j和k相的各相相應暫低因數，有式(1)成立。 Ui2 = PiUiR Uj2 = PjU訴 (1) Uk2 = pkUkK 從圖2中可以得出， & = —.2 c。s|)2 + ( sin |+ "2)2 (2 ) 進一步考慮電容上電壓下降因數。電容并不是無窮大，因此，在電壓暫低補償期間，電容上的電壓保持動態(tài)平衡。設qe (O，l)為濾波系數，是濾波電容上最小電壓和最大電壓的比值，則能得到Pi、Pj和q的關系如下式
uiR = Ui2+qUij2 (3)
求解上面的等式，假設Uw = UjK = U^，可以得到下式A2-2^ + 1 —2 (4)
設電容容量足夠大，即有9= l，等式(4)可變?yōu)?br> 2
p〗+;^.+2p「l = 0 (5)
對于特殊情況，可以假設只有一相電壓暫低而其余兩相電壓額定或兩相電壓暫低相同的幅度而一相電壓保持額定，可得一至兩相電壓暫低至零而其余相上的電壓保持額定時本電路仍然可將負載電壓補償至額定值；而對于三相對稱暫低時可得當三相電網電壓對稱暫低至正常值的37%時本電路仍然可將負載電壓補償至額定值。 本發(fā)明串聯型電壓暫變補償控制電路，不需工頻注入變壓器，不需儲能元件，且可利用線電壓在線整流的方式提高補償深度。該電路能補償低至額定值37 %的對稱三相電網電壓暫低；或者可補償一至兩相電壓暫低至零，只要至少有一相電壓保持額定；在電壓暫高時，無論三相電壓在任何情況下，該補償電路均能將三相負載電壓補償至額定。
權利要求
一種串聯型電壓暫變補償控制電路，其特征在于，包括依次連接的整流環(huán)節(jié)(1)、逆變環(huán)節(jié)(2)和濾波環(huán)節(jié)(3)，還包括旁路開關(4)，旁路開關(4)串聯于電網和負載之間，所述的整流環(huán)節(jié)(1)包括二極管a(5)、二極管b(6)、二極管c(7)和二極管d(8)，二極管a(5)和二極管b(6)連接成一個半橋，二極管c(7)和二極管d(8)連接成一個半橋，還包括相連接的電容a(9)和電容b(10)，所述的逆變環(huán)節(jié)(2)包括依次串聯的開關管a(13)、開關管b(14)、開關管c(15)和開關管d(16)，開關管a(13)和開關管b(14)連接成上橋臂，開關管c(15)和開關管d(16)連接成下橋臂，還包括順向串聯的二極管e(11)和二極管f(12)，二極管e(11)、二極管f(12)的中點與電容a(9)、電容b(10)的中點相連接，二極管e(11)的陰極與開關管a(13)、開關管b(14)的中點相連接，二極管f(12)的陽極與開關管c(15)、開關管d(16)的中點相連接，所述的濾波環(huán)節(jié)(3)包括串聯的電感(17)和電容c(18)，所述的開關管b(14)、開關管c(15)的中點和濾波環(huán)節(jié)(3)中的電感(17)相連接，所述的電容c(18)與電感(17)的連接端和負載相連接，電容c(18)的另一端與濾波電容中性點相連接。
2. —種利用權利要求1所述的串聯型電壓暫變補償控制電路進行控制的方法，其特征 在于，使三相交流進線的被補償的相與電容a(9)、電容b(10)的中點相連接，三相交流進線 的其余兩相中的一相與二極管a(5)、二極管b(6)的中點相連接，三相交流進線的其余兩相 中的另一相與二極管c(7) 、二極管d(8)的中點相連接，從三相電網輸入的電網電壓為正常電壓時，旁路開關(4)導通，逆變環(huán)節(jié)(2)關斷，輸 入的電網電壓通過旁路開關(4)給濾波環(huán)節(jié)(3)，濾波環(huán)節(jié)(3)輸出電網電壓給負載；同 時，輸入的電網電壓通過整流環(huán)節(jié)(1)，二極管a(5)、二極管b(6)、二極管c(7)和二極管 d(8)對電網電壓進行整流，得到母線電壓，該母線電壓即為電容a(9)、電容b(10)兩端的電 壓；從三相電網輸入的電網電壓發(fā)生暫變時，旁路開關(4)關斷，逆變環(huán)節(jié)(2)導通，輸入 的電網電壓通過整流環(huán)節(jié)(1)，二極管a(5)、二極管b(6)、二極管c(7)和二極管d(8)對電 網電壓進行整流，得到整流后直流母線電壓，該母線電壓為電容a (9)、電容b (10)兩端的電 壓；逆變環(huán)節(jié)(2)利用該整流后直流母線電壓對輸入的電網電壓進行補償，得到逆變輸出 的補償電壓；逆變環(huán)節(jié)(2)將得到的逆變輸出的補償電壓輸出給濾波環(huán)節(jié)(3)，濾波環(huán)節(jié) (3)濾除逆變輸出的高頻分量，使負載上得到平滑的額定電壓。
3. 根據權利要求2所述的控制的方法，其特征在于，所述的逆變環(huán)節(jié)(2)利用整流后直 流母線電壓對輸入的電網電壓進行補償，得到逆變輸出的補償電壓，具體按照以下步驟實 施當開關管a(13)、開關管b(14)導通，開關管c(15)、開關管d(16)關斷時，開關管 b(14)、開關管c(15)的中點和電容a(9)、電容b(10)的中點之間的電位差為整流后直流母 線電壓/2 ;當開關管c(15)、開關管d(16)導通，開關管a(13)、開關管b(14)關斷時，開關 管b(14)、開關管c(15)的中點和電容a(9)、電容b(10)的中點之間的電位差為_整流后直 流母線電壓/2 ;當開關管b(14)、開關管c(15)導通，開關管a(13)、開關管d(16)關斷時， 開關管b(14)、開關管c(15)的中點和電容a(9)、電容b(10)的中點之間的電位差為0。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種串聯型電壓暫變補償控制電路，包括依次連接的整流環(huán)節(jié)、逆變環(huán)節(jié)、濾波環(huán)節(jié)，還包括旁路開關；該控制電路采用載波反相層疊的控制方法。本發(fā)明串聯型電壓暫變補償控制電路及控制方法，不需工頻注入變壓器，不需儲能元件，體積小，造價低。該電路能補償低至額定值37％的對稱三相電網電壓暫低；或者可補償一至兩相電壓暫低至零，只要至少有一相電壓保持額定；在電壓暫高時，無論三相電壓在任何情況下，本補償電路均能將三相負載電壓補償至額定。同時，逆變環(huán)節(jié)采用三電平半橋逆變電路使得在母線電壓較高時減小開關管的電壓應力；且輸出電壓諧波含量減少，給濾波器的設計帶來方便。
文檔編號H02J3/12GK101699692SQ20091030946
公開日2010年4月28日 申請日期2009年11月9日 優(yōu)先權日2009年11月9日
發(fā)明者姚偉鵬, 李艷芳, 詹佩, 陳佩, 陳增祿 申請人:西安工程大學