專利名稱：一種互備保護型電能質(zhì)量控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種用于交流干線或交流配電網(wǎng)絡(luò)的電路裝置，尤其是涉及到一種適用于高壓交流電網(wǎng)穩(wěn)定電壓和減少諧波或波紋的裝置。
背景技術(shù)：
城市電網(wǎng)中現(xiàn)代工業(yè)、商業(yè)和居民用電設(shè)備，如高性能辦公設(shè)備、精密實驗儀器、變頻調(diào)速設(shè)備、可編程邏輯控制器、各種自動生產(chǎn)線以及計算機系統(tǒng)等對電源特性變化敏感性負荷呈逐年上升趨勢，對電能質(zhì)量的要求不斷提高。對敏感用戶(如半導(dǎo)體制造企業(yè))而言，幾十毫秒的電壓暫降就可能導(dǎo)致設(shè)備損壞、生產(chǎn)線停產(chǎn)，造成巨大經(jīng)濟損失。與此同時，分布式能源、沖擊性和干擾性負荷的大量接入等因素都使得電網(wǎng)電能質(zhì)量存在日趨惡化的趨勢，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全運行和用電設(shè)備的正常工作。 針對敏感負荷電能質(zhì)量控制問題，國內(nèi)外開展了電能質(zhì)量控制產(chǎn)品的研究制造。但是，電能質(zhì)量控制裝置還沒有形成標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品，并且主要停留在低壓小容量范圍，中國實用新型專利“低諧波電源質(zhì)量控制系統(tǒng)”(實用新型專利號ZL201020133972公開號CN201656479)公開了一種低諧波電源質(zhì)量控制系統(tǒng)。該低諧波電源質(zhì)量控制系統(tǒng)包含檢測裝置、電力調(diào)整裝置、阻性負載裝置。檢測裝置接收來自于阻性負載裝置的反饋信號。檢測裝置輸出的控制信號可以用電壓或電流為信號。電力調(diào)整裝置接收到所述控制信號后，以比例方式輸出驅(qū)動電壓。所述比例方式為在連續(xù)輸出時間間隔輸出全功率驅(qū)動電壓，并在連續(xù)不輸出時間間隔停止輸出全功率驅(qū)動電壓。阻性負載裝置接收驅(qū)動電壓后，輸出反饋信號到檢測裝置。以比例方式在連續(xù)輸出時間間隔輸出全功率驅(qū)動電壓，并在連續(xù)不輸出時間間隔停止輸出全功率驅(qū)動電壓，將能夠有效的減少產(chǎn)生電力的諧波。但是該裝置僅適用于小功率的阻性負載裝置，不適用于高壓大功率的電網(wǎng)電能質(zhì)量控制；其目的是減少阻性負載裝置產(chǎn)生的諧波對電源質(zhì)量的影響，而不是通過改善供電電網(wǎng)的電能質(zhì)量，為敏感負載提供更高質(zhì)量的電源。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是要提供一種互備保護型電能質(zhì)量控制裝置，解決提高敏感用戶供電電能質(zhì)量，減少電網(wǎng)和敏感負載用電設(shè)備的故障、降低電網(wǎng)損耗、提高電能利用率的技術(shù)問題。本實用新型解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種互備保護型電能質(zhì)量控制裝置，連接在三相系統(tǒng)電源和敏感負載之間，包括電壓電流調(diào)節(jié)模塊和檢測控制模塊，所述的檢測控制模塊的檢測輸入端連接到三相系統(tǒng)電源，所述的檢測控制模塊的控制輸出端，連接到電壓電流調(diào)節(jié)模塊，其特征在于所述的電壓電流調(diào)節(jié)模塊為多重化級聯(lián)IGBT功率模塊，每相由η個串聯(lián)連接的電壓補償單元組成，其中I < η < 20 ;所述的電壓補償單元的主電路是IGBT連接組成的H橋功率單元電路，所述的H橋功率單元電路設(shè)有互備檢測控制元件；互備檢測控制元件并聯(lián)連接到H橋功率單元電路的直流側(cè)；所述的互備檢測控制元件的輸入控制端，連接到所述的檢測控制模塊。本實用新型的互備保護型電能質(zhì)量控制裝置的一種優(yōu)選的技術(shù)方案，其特征在于所述的電壓補償單元通過一個多繞組隔離變壓器連接到三相系統(tǒng)電源，每一路H橋功率單元電路的輸入端，連接到隔離變壓器的一個二次繞組。本實用新型的互備保護型電能質(zhì)量控制裝置的一種較佳的技術(shù)方案，其特征在于所述的電壓電流調(diào)節(jié)模塊包含諧波電流補償單元，所述的諧波電流補償單元的主電路是IGBT連接組成的H橋功率單元電路；所述的隔離變壓器的每一相還包含為諧波電流補償單元供電的二次繞組；每一相的諧波電流補償單元分別通過隔離變壓器的二次繞組連接到三相系統(tǒng)電源，諧波電流補償單元的H橋功率單元電路的輸入端，通過整流電路連接到隔離變壓器的一個二次繞組；連接在三相系統(tǒng)電源同一相上的諧波電流補償單元與電壓補償單元串聯(lián)連接。本實用新型的互備保護型電能質(zhì)量控制裝置的一種更好的技術(shù)方案，其特征在于所述的檢測控制模塊包含數(shù)字信號處理器、信號調(diào)理元件和電流/電壓轉(zhuǎn)換元件；所述的數(shù)字信號處理器設(shè)有AD轉(zhuǎn)換器和PWM輸出端口，所述AD轉(zhuǎn)換器的模擬信號輸入端，通過信號調(diào)理元件和電流/電壓轉(zhuǎn)換元件連接到三相系統(tǒng)電源的電壓互感器和電流互感器；所述PWM輸出端口通過IGBT驅(qū)動電路，分別連接到各路電壓補償單元和諧波電流補償單元的IGBT的柵極。本實用新型的互備保護型電能質(zhì)量控制裝置的一種改進的技術(shù)方案，其特征在于所述的檢測控制模塊還包含網(wǎng)絡(luò)接口單元，所述的數(shù)字信號處理器通過網(wǎng)絡(luò)接口單元連接到三相系統(tǒng)電源的電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。本實用新型的有益效果是I.本實用新型的互備保護型電能質(zhì)量控制裝置，可以顯著提高敏感用戶供電電能質(zhì)量，減少電網(wǎng)和敏感負載用電設(shè)備的故障、降低電網(wǎng)損耗、提高電能利用率。2.采用多重化級聯(lián)IGBT功率模塊，通過功率單元的串聯(lián)，降低了功率器件的耐壓要求，可采用技術(shù)成熟、價格低廉的低壓IGBT組成逆變單元，通過串聯(lián)單元的個數(shù)適應(yīng)不同的輸出電壓要求。3.由于逆變器采用多重化PWM技術(shù)，經(jīng)疊加可得到理想的相電壓波形，堪稱完美無諧波。輸入功率因數(shù)可達O. 95以上，不必設(shè)置輸入濾波器和功率因數(shù)補償裝置，進一步降低了系統(tǒng)成本。波形的改善除減小輸出諧波外，還可以降低噪聲和dv/dt值。4.由于電壓電流調(diào)節(jié)模塊的各功率單元具有相同的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，便于將功率單元做成模塊化，通過模塊之間互為備用的保護策略，可保證裝置部分模塊出現(xiàn)故障時仍能夠運行。

圖I是本實用新型的互備保護型電能質(zhì)量控制裝置的主電路圖；圖2是多重化級聯(lián)IGBT功率模塊的工作原理框圖；圖3是本實用新型的互備保護型電能質(zhì)量控制裝置的H橋單元電路圖；圖4是本實用新型的互備保護型電能質(zhì)量控制裝置的控制單元電路圖。[0022]以上圖中的各部件的標(biāo)號100-三相電源，200-多重化級聯(lián)IGBT功率模塊，201 20nH橋功率模塊，210-諧波電流補償單元，300-數(shù)字信號處理器，310-AD轉(zhuǎn)換器，320-PWM輸出端口，400-信號調(diào)理元件，410-電流/電壓轉(zhuǎn)換元件，500-網(wǎng)絡(luò)接口單元，700-IGBT驅(qū)動電路，900-敏感負載。
具體實施方式
為了能更好地理解本實用新型的上述技術(shù)方案，
以下結(jié)合附圖和實施例進行進一步詳細描述。 圖I是本實用新型的互備保護型電能質(zhì)量控制裝置的主電路圖，包括電壓電流調(diào)節(jié)模塊200和檢測控制模塊(圖中未表示)，所述的互備保護型電能質(zhì)量控制裝置連接在三相系統(tǒng)電源100和敏感負載900之間，所述的檢測控制模塊的檢測輸入端連接到三相系統(tǒng)電源100，所述的檢測控制模塊的控制輸出端，連接到電壓電流調(diào)節(jié)模塊200。電壓電流調(diào)節(jié)模塊200為多重化級聯(lián)IGBT功率模塊，每相由η個串聯(lián)連接的電壓補償單元201_20η組成，其中I < η < 20(參見圖3)。所謂多重化級聯(lián)，就是每相由幾個低壓PWM功率單元串聯(lián)組成，各功率單元由一個多繞組的隔離變壓器供電，用高速數(shù)字信號處理器控制各功率單元的開啟和關(guān)閉，以光耦或光導(dǎo)纖維隔離驅(qū)動。圖3是本實用新型的互備保護型電能質(zhì)量控制裝置的H橋單元電路圖，圖3中僅表示了三相多重化級聯(lián)IGBT功率模塊中的一相，另外兩相的電路結(jié)構(gòu)完全相同。圖中，電壓補償單元201 20η的主電路是絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)連接組成的H橋功率單元電路，每個功率單元201 20η由IGBT (Tl至Τ4)構(gòu)成，組成三相輸入、單相輸出的PWM電壓型逆變器。每個功率單元201 20η的輸出電壓為1、0、-1三種狀態(tài)電平，每相η個單元疊加，就可產(chǎn)生2η+1種不同的電平等級。H橋功率單元電路201 20η設(shè)有互備檢測控制元件Tf ;互備檢測控制元件Tf并聯(lián)連接到H橋功率單元電路201 20η的直流側(cè)；所述的互備檢測控制元件Tf的輸入控制端，連接到所述的檢測控制模塊。當(dāng)任何一個電壓或電流補償單元發(fā)生故障時，所述的檢測控制模塊可以控制互備檢測控制元件Tf提供旁路導(dǎo)通；當(dāng)基頻模塊的個別H橋發(fā)生故障時，可將高頻模塊作為基頻模塊，與基頻模塊統(tǒng)一控制，從而滿足暫態(tài)電壓擾動的補償；同樣，當(dāng)裝置高頻模塊發(fā)生故障時，基頻模塊也可代替高頻模塊，通過控制策略對高頻量的衰減特性實現(xiàn)高頻量的補
\-ΖΧ O各個電壓補償單元通過一個多繞組隔離變壓器TlO連接到三相系統(tǒng)電源，每一路H橋功率單元電路的輸入端，通過整流電路連接到隔離變壓器TlO的一個二次繞組；隔離變壓器TlO為三相電力變壓器，共有3η個二次繞組，分成η組，每組之間通過隔離變壓器的不同聯(lián)接組別，實現(xiàn)180/3η的相位差(參見圖2)。圖2中以5單元級聯(lián)模式為例，以中間Δ接法為參考(相位差為O),上下方各有兩套分別超前(+180/3η、+360/3η)和滯后(-180/3η、-360/3η)的4組繞組。通過變壓器的不同聯(lián)接組別，可以實現(xiàn)所需相差角度。若每組由5個額定電壓為690V的功率單元串聯(lián)，相電壓為690VX5 = 3450V，所對應(yīng)的線電壓為6000V，從而實現(xiàn)了用低壓功率元件實現(xiàn)高壓電壓補償?shù)墓δ?。采用功率單元串?lián)，而不是用傳統(tǒng)的器件串聯(lián)來實現(xiàn)高壓輸出，所以不存在器件均壓的問題。每個功率單元承受的輸出電流都等于負載相電流，即，Il = 12 =…=In ;每個功率單元承受的電壓Ui (i =I_n)為輸出相電壓U的I/η ;每個功率單兀承受1/3η的輸出功率。本實用新型的互備保護型電能質(zhì)量控制裝置的電壓電流調(diào)節(jié)模塊包含諧波電流補償單元210，圖I中僅表示了 A相的諧波電流補償單元210的主電路。該主電路與電壓補償單元相同，也是IGBT連接組成的H橋功率單元電路。隔離變壓器TlO的每一相還包含為諧波電流補償單元供電的二次繞組；3個諧波電流補償單元分別通過隔離變壓器TlO的二次繞組連接到三相系統(tǒng)電源，每一路H橋功率單元電路的輸入端，連接到隔離變壓器的一個二次繞組；連接在三相系統(tǒng)電源同一相上的諧波電流補償單元和電壓補償單元串聯(lián)連接后，通過電感L與電容器Cx組成的LC濾波電路，串聯(lián)接入三相系統(tǒng)電源100和敏感負載900之間。濾波電感L在負載側(cè)發(fā)生短路時具有限流作用。本實用新型的互備保護型電能質(zhì)量控制裝置的檢測控制模塊如圖4所示，包含數(shù)字信號處理器300、信號調(diào)理元件400、電流/電壓轉(zhuǎn)換元件410和網(wǎng)絡(luò)接口單元500，數(shù)字 信號處理器300設(shè)有AD轉(zhuǎn)換器310和PWM輸出端口 320，AD轉(zhuǎn)換器310的模擬信號輸入端，通過信號調(diào)理元件400和電流/電壓轉(zhuǎn)換元件410連接到三相系統(tǒng)電源的電壓互感器和電流互感器，接收電源電壓和電流檢測信號；PWM輸出端口 320通過IGBT驅(qū)動電路700，分別連接到各路電壓補償單元和諧波電流補償單元的IGBT(T1至T4)的柵極，把數(shù)字信號處理器300產(chǎn)生的PWM控制信號傳送給多重化級聯(lián)的各個功率單元；數(shù)字信號處理器300通過網(wǎng)絡(luò)接口單元500連接到三相系統(tǒng)電源的電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控和聯(lián)網(wǎng)控制。在本實用新型的一個實施例中，數(shù)字信號處理器300為TI公司的TMS320F28335型數(shù)字信號處理器，該處理器具有150MHz的高速處理能力，具備32位浮點處理單元，6個DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，有多達18路的PWM輸出，其中有6路為TI特有的更高精度的PWM輸出(HRPWM)，12位16通道ADC。IGBT驅(qū)動電路700可以使用任何現(xiàn)有的IGBT驅(qū)動集成電路，典型的實施例是EXB8系列的EXB840，EXB841, EXB850, EXB851，M579系列的M57957, M57958, M57962, HL系列的HL402，GH系列的GH-039等。在該實施例中，網(wǎng)絡(luò)接口單元500采用EtherCAT從站控制器ETl 100，EtherCAT是開放的實時以太網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，能夠滿足電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大，系統(tǒng)運行方式越來越復(fù)雜，對自動化水平的要求越來越高的要求。28335產(chǎn)生8路PWM波，經(jīng)過IGBT驅(qū)動電路700送出。板卡上將所有輸入故障信號相“或”送給6路封鎖PWM輸入信號(TZ)，確保一旦發(fā)生故障28335可直接從硬件上封鎖所有PWM。模擬量采集通道連接的信號調(diào)理元件400和電流/電壓轉(zhuǎn)換元件410包括兩路電壓霍爾元件(CHV-50P/1200A)輸入，2路電流霍爾元件輸入，4路熱敏電阻采樣輸入，AD轉(zhuǎn)換器采用28335內(nèi)部12bitAD。DIDO連接的4路DI輸入端子連接的數(shù)字輸入信號包括整流橋左橋臂故障，右橋臂故障，逆變橋左橋臂故障，右橋臂故障，驅(qū)動板電源欠壓故障；D0輸出端的數(shù)字輸出信號包括8路PWM信號，封鎖旁路信號和驅(qū)動板復(fù)位信號。本技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，以上的實施例僅是用來說明本實用新型的技術(shù)方案，而并非用作為對本實用新型的限定，任何基于本實用新型的實質(zhì)精神對以上所述實施例所作的變化、變型，都將落在本實用新型的權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種互備保護型電能質(zhì)量控制裝置，連接在三相系統(tǒng)電源和敏感負載之間，包括電壓電流調(diào)節(jié)模塊和檢測控制模塊，所述的檢測控制模塊的檢測輸入端連接到三相系統(tǒng)電源，所述的檢測控制模塊的控制輸出端，連接到電壓電流調(diào)節(jié)模塊，其特征在于所述的電壓電流調(diào)節(jié)模塊為多重化級聯(lián)IGBT功率模塊，每相由n個串聯(lián)連接的電壓補償單元組成，其中I彡n彡20 ; 所述的電壓補償單元的主電路是IGBT連接組成的H橋功率單元電路，所述的H橋功率單元電路設(shè)有互備檢測控制元件，互備檢測控制元件并聯(lián)連接到H橋功率單元電路的直流偵h所述的互備檢測控制元件的輸入控制端，連接到所述的檢測控制模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的互備保護型電能質(zhì)量控制裝置，其特征在于所述的電壓補償單元通過一個多繞組隔離變壓器連接到三相系統(tǒng)電源，每一路H橋功率單元電路的輸入端，通過整流電路連接到隔離變壓器的一個二次繞組。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的互備保護型電能質(zhì)量控制裝置，其特征在于所述的電壓電流調(diào)節(jié)模塊包含諧波電流補償單元，所述的諧波電流補償單元的主電路是IGBT連接組成的H橋功率單元電路；所述的隔離變壓器的每一相還包含為諧波電流補償單元供電的二次繞組；每一相的諧波電流補償單元分別通過隔離變壓器的二次繞組連接到三相系統(tǒng)電源，諧波電流補償單元的H橋功率單元電路的輸入端，通過整流電路連接到隔離變壓器的一個二次繞組；連接在三相系統(tǒng)電源同一相上的諧波電流補償單元與電壓補償單元串聯(lián)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的互備保護型電能質(zhì)量控制裝置，其特征在于所述的檢測控制模塊包含數(shù)字信號處理器、信號調(diào)理元件和電流/電壓轉(zhuǎn)換元件；所述的數(shù)字信號處理器設(shè)有AD轉(zhuǎn)換器和PWM輸出端口，所述AD轉(zhuǎn)換器的模擬信號輸入端， 通過信號調(diào)理元件和電流/電壓轉(zhuǎn)換元件連接到三相系統(tǒng)電源的電壓互感器和電流互感器；所述PWM輸出端口通過IGBT驅(qū)動電路，分別連接到各路電壓補償單元和諧波電流補償單元的IGBT的柵極。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的互備保護型電能質(zhì)量控制裝置，其特征在于所述的檢測控制模塊還包含網(wǎng)絡(luò)接口單元，所述的數(shù)字信號處理器通過網(wǎng)絡(luò)接口單元連接到三相系統(tǒng)電源的電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。
專利摘要一種互備保護型電能質(zhì)量控制裝置，涉及一種用于交流干線或交流配電網(wǎng)絡(luò)的電路裝置，尤其是涉及到一種適用于高壓交流電網(wǎng)穩(wěn)定電壓和減少諧波或波紋的裝置，連接在三相系統(tǒng)電源和敏感負載之間，包括電壓電流調(diào)節(jié)模塊和檢測控制模塊，電壓電流調(diào)節(jié)模塊為多重化級聯(lián)IGBT功率模塊，每相由n個串聯(lián)連接的電壓補償單元組成；電壓補償單元的主電路是IGBT連接組成的H橋功率單元電路，各個電壓補償單元通過一個多繞組隔離變壓器連接到三相系統(tǒng)電源，每一路H橋功率單元電路的輸入端，通過整流電路連接到隔離變壓器的一個二次繞組。該裝置可以顯著提高敏感用戶供電電能質(zhì)量，通過模塊之間互為備用的保護策略，可保證裝置部分模塊出現(xiàn)故障時仍能夠運行。
文檔編號H02J3/01GK202564949SQ20122013524
公開日2012年11月28日 申請日期2012年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月1日
發(fā)明者張宇, 何維國, 劉雋, 趙國亮, 包海龍, 蔣曉春 申請人:上海市電力公司, 中國電力科學(xué)研究院