一種逐周限流保護電壓質量調節裝置的製作方法
2023-05-13 08:50:46
專利名稱：一種逐周限流保護電壓質量調節裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及ー種用於交流幹線或交流配電網絡的電路裝置，尤其是涉及到一種適用於高壓交流電網穩定電壓和減少諧波或波紋的裝置。
背景技術：
城市電網中現代エ業、商業和居民用電設備，如高性能辦公設備、精密實驗儀器、變頻調速設備、可編程邏輯控制器、各種自動生產線以及計算機系統等對電源特性變化敏感性負荷呈逐年上升趨勢，對電能質量的要求不斷提高。對敏感用戶(如半導體製造企業)而言，幾十毫秒的電壓暫降就可能導致設備損壞、生產線停產，造成巨大經濟損失。與此同時，分布式能源、衝擊性和幹擾性負荷的大量接入等因素都使得電網電能質量存在日趨惡化的趨勢，嚴重威脅電カ系統的安全運行和用電設備的正常工作。
針對敏感負荷電能質量控制問題，國內外開展了電能質量控制產品的研究製造。但是，電能質量控制裝置還沒有形成標準化的產品，並且主要停留在低壓小容量範圍，中國實用新型專利「低諧波電源質量控制系統」(實用新型專利號ZL201020133972公開號CN201656479)公開了ー種低諧波電源質量控制系統。該低諧波電源質量控制系統包含檢測裝置、電カ調整裝置、阻性負載裝置。檢測裝置接收來自於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。電カ調整裝置接收到所述控制信號後，以比例方式輸出驅動電壓。所述比例方式為在連續輸出時間間隔輸出全功率驅動電壓，並在連續不輸出時間間隔停止輸出全功率驅動電壓。阻性負載裝置接收驅動電壓後，輸出反饋信號到檢測裝置。以比例方式在連續輸出時間間隔輸出全功率驅動電壓，並在連續不輸出時間間隔停止輸出全功率驅動電壓，將能夠有效的減少產生電カ的諧波。但是該裝置僅適用於小功率的阻性負載裝置，不適用於高壓大功率的電網電能質量控制；其目的是減少阻性負載裝置產生的諧波對電源質量的影響，而不是通過改善供電電網的電能質量，為敏感負載提供更高質量的電源。
實用新型內容本實用新型的目的是要提供一種逐周限流保護電壓質量調節裝置，解決提高敏感用戶供電電能質量，減少電網和敏感負載用電設備的故障、降低電網損耗、提高電能利用率的技術問題。本實用新型解決上述技術問題所採用的技術方案是一種逐周限流保護電壓質量調節裝置，包括電壓調節模塊、可控整流模塊和檢測控制模塊，所述的逐周限流保護電壓質量調節裝置連接在三相系統電源和敏感負載之間，所述的檢測控制模塊的檢測輸入端連接到三相系統電源，所述的檢測控制模塊通過IGBT驅動電路，連接到電壓調節模塊和可控整流模塊，其特徵在於所述的電壓調節模塊為多重化級聯IGBT功率模塊，每相由n個串聯連接的基波電壓補償單元組成，其中I < n < 20 ;[0008]所述的IGBT驅動電路設置逐周限流保護單元，逐周限流保護單元包括正限定值設定元件，負限定值設定元件，補償電流檢測元件，第一比較器，第二比較器，第一與門，第ニ與門，上管觸發脈衝輸入端，下管觸發脈衝輸入端，上管驅動元件和下管驅動元件；所述的正限定值設定元件連接到第一比較器的同相輸入端，所述的負限定值設定元件連接到第二比較器的反相輸入端，第一比較器的反相輸入端和第二比較器的同相輸入端並聯連接到所述的補償電流檢測元件；所述的第一與門的三個輸入端分別連接到上管觸發脈衝輸入端、第一比較器的輸出端和第二比較器的輸出端，第一與門的輸出端連接到上管驅動元件；所述的第二與門的三個輸入端分別連接到下管觸發脈衝輸入端、第一比較器的輸出端和第二比較器的輸出端，第二與門的輸出端連接到下管驅動元件。本實用新型的逐周限流保護電壓質量調節裝置的一種優選的技術方案，其特徵在 於所述的可控整流模塊包含n個PWM可控整流単元，每個PWM可控整流單元連接一個基波電壓補償單元；所述PWM可控整流単元的交流側，通過一臺多繞組隔離變壓器連接到三相系統電源；所述隔離變壓器包含3n個二次繞組，每個二次繞組對應連接ー個PWM可控整流單元；所述的基波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，每一路H橋功率單元電路的輸入端，分別連接到對應的PWM可控整流単元的直流側。本實用新型的逐周限流保護電壓質量調節裝置的一種較佳的技術方案，其特徵在於所述的電壓調節模塊設有諧波電壓補償單元和與其對應的PWM可控整流単元，所述的諧波電壓補償單元的主電路是IGBT連接組成的H橋功率単元電路；所述隔離變壓器設有為諧波電壓補償單元供電的二次繞組；所述為諧波電壓補償單元供電的二次繞組，通過所述對應的PWM可控整流単元，連接到所述的諧波電壓補償單元的H橋功率單元電路的輸入端；連接在三相系統電源同一相上的諧波電壓補償単元與基波電壓調節模塊串聯連接。本實用新型的逐周限流保護電壓質量調節裝置的一種更好的技術方案，其特徵在於所述的逐周限流保護電壓質量調節裝置還設有可控旁路開關元件，所述可控旁路開關元件與所述的電壓調節模塊的輸出端並聯，連接在三相系統電源和敏感負載之間；所述可控旁路開關元件的控制極，通過光耦或光線隔離連接到所述的檢測控制模塊。本實用新型的逐周限流保護電壓質量調節裝置的一種改進的技術方案，其特徵在於所述的檢測控制模塊包含數位訊號處理器、信號調理元件、電流/電壓轉換元件和網絡接ロ單元；所述的數位訊號處理器設有AD轉換器和PWM輸出端ロ，所述AD轉換器的模擬信號輸入端，通過信號調理元件和電流/電壓轉換元件連接到三相系統電源的電壓互感器和電流互感器；所述PWM輸出端ロ通過IGBT驅動電路，分別連接到各路基波電壓補償單元和諧波電壓補償単元的IGBT的柵極；所述的數位訊號處理器通過網絡接ロ單元連接到三相系統電源的電網監控系統。本實用新型的有益效果是I.本實用新型的逐周限流保護電壓質量調節裝置，可以顯著提高敏感用戶供電電能質量，減少電網和敏感負載用電設備的故障、降低電網損耗、提高電能利用率。利用Uce檢測單元和電流傳感器檢測，對被保護的IGBT功率模塊實現綜合保護，大大提高了短路保護電路的可靠性。2.採用多重化級聯IGBT功率模塊，通過功率単元的串聯，降低了功率器件的耐壓要求，可採用技術成熟、價格低廉的低壓IGBT組成逆變單元，通過串聯単元的個數適應不同的輸出電壓要求。3.由於逆變器採用多重化PWM技術，經疊加可得到理想的相電壓波形，堪稱完美無諧波。輸入功率因數可達0.95以上，不必設置輸入濾波器和功率因數補償裝置，進ー步降低了系統成本。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.由於電壓調節模塊和可控整流模塊的各功率単元具有相同的結構及參數，便於將功率単元做成模塊化，實現冗餘設計，即使在個別單元故障時也可通過單元旁路功能將該單元短路，或者通過可控旁路開關元件繼續供電，進ー步提高了敏感負荷系統供電的可靠性行。
圖I是本實用新型的逐周限流保護電壓質量調節裝置的主電路圖； 圖2是本實用新型的逐周限流保護電壓質量調節裝置的H橋單元電路圖；圖3是多重化級聯IGBT功率模塊的工作原理框圖；圖4是本實用新型的逐周限流保護電壓質量調節裝置的控制單元電路圖；圖5是是逐周限流保護單元的原理框圖。以上圖中的各部件的標號100-三相電源，200-多重化級聯IGBT功率模塊，101 IOn-PWM可控整流単元，201 20n-H橋功率模塊，210-可控整流模塊，300-數位訊號處理器，310-AD轉換器，320-PWM輸出端ロ，321-上管觸發脈衝輸入端，322-下管觸發脈衝輸入端，400-信號調理元件，410-電流/電壓轉換元件，420-補償電流檢測元件，500-網絡接ロ單元，700-IGBT驅動電路，710-第一比較器，711-正限定值設定元件，720-第二比較器，721-負限定值設定元件，730-第一與門，740-第二與門，750-上管驅動元件，760-下管驅動元件，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方案，
以下結合附圖和實施例進行進一步詳細描述。圖I是本實用新型的逐周限流保護電壓質量調節裝置的主電路圖，包括電壓調節模塊200、可控整流模塊210和檢測控制模塊(圖中未表示)，所述的逐周限流保護電壓質量調節裝置連接在三相系統電源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電源100，所述的檢測控制模塊通過IGBT驅動電路，連接到電壓調節模塊200和可控整流模塊210。電壓調節模塊200為多重化級聯IGBT功率模塊，每相由n個串聯連接的基波電壓補償單元201 20n組成，其中I <n<20(參見圖2)。所述的IGBT驅動電路設置逐周限流保護單元，逐周限流保護單元如圖5所示，包括正限定值設定元件711，負限定值設定元件721，補償電流檢測元件420，第一比較器710，第二比較器720,第一與門730,第二與門740,上管觸發脈衝輸入端321,下管觸發脈衝輸入端322，上管驅動元件750和下管驅動元件760 ;正限定值設定元件711連接到第一比較器710的同相輸入端，負限定值設定元件721連接到第二比較器720的反相輸入端，第一比較器710的反相輸入端和第二比較器720的同相輸入端並聯連接到所述的補償電流檢測元件420 ;第一與門730的三個輸入端分別連接到上管觸發脈衝輸入端321、第一比較器710的輸出端和第二比較器720的輸出端，第一與門730的輸出端連接到上管驅動元件750 ;第二與門740的三個輸入端分別連接到下管觸發脈衝輸入端322、第一比較器710的輸出端和第二比較器720的輸出端，第二與門740的輸出端連接到下管驅動元件760。當系統發生短路故障時，將使補償電流迅速増加。這樣的電流流經IGBT功率模塊時，將會造成IGBT過流，嚴重時使IGBT損壞，因此必須採取相應的保護措施。逐周限流保護單元可以在每個控制周期對過電流進行限制。這種方法不同於傳統意義上的封鎖脈沖，因為它不是真的封鎖脈衝，而是在必要的情況下「切脈沖」。它不是單純讓IGBT功率模塊停止運行，而是在過流情況下能讓IGBT功率模塊在自己的能力範圍內繼續起補償調節作用。這種方法通過檢測補償電流，當補償電流超過限定值時，相應的比較器輸出低電平，通過與門「切除」所有相關IGBT功率模塊的觸發脈衝，使本實用新型的裝置的輸出電流限定在給定範圍內，補償裝置可在其自身安全的情況下，繼續起到補償作用。 圖2是本實用新型的逐周限流保護電壓質量調節裝置的H橋單元電路圖，圖2中 僅表示了三相多重化級聯IGBT功率模塊中的一相，另外兩相的電路結構完全相同。圖中，可控整流模塊210包含n個PWM可控整流單元101 10n，每ー個PWM可控整流單元連接ー個基波電壓補償單元，即可控整流単元101連接到基波電壓補償單元201，可控整流単元102連接到基波電壓補償單元203，依次類推；PWM可控整流單元101 IOn的交流側，通過一個多繞組隔離變壓器TlO連接到三相系統電源100 ;所述隔離變壓器包含3n個二次繞組，每個二次繞組對應連接ー個PWM可控整流単元。在本實施例中，PWM可控整流單元101 IOn的主電路與基波電壓補償單元201 20n的主電路相同，都是絕緣柵雙極型電晶體(IGBT)連接組成的H橋功率單元電路,姆個功率單元101 IOn或201 20n都是由IGBT (Tl至T4)構成，所有的PWM可控整流單元101 10n，組成單相電壓型PWM可控整流，完成從系統吸收有功能量或向系統倒灌能量的功能，保證直流側電容Cl Cn兩端的電壓穩定。所有基波電壓補償單元201 20n，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 20n的輸出電壓為1、0、_1三種狀態電平，每相n個單元疊加，就可產生2n+l種不同的電平等級。基波電壓補償單元201 20n的每一路H橋功率單元電路的輸入端，分別連接到對應的PWM可控整流単元的直流側。隔離變壓器TlO為三相電カ變壓器，共有3n個二次繞組，分成n組，每組之間通過隔離變壓器的不同聯接組別，實現180/3n的相位差(參見圖3)。圖3中以5単元級聯模式為例，以中間A接法為參考(相位差為0),上下方各有兩套分別超前(+180/3n、+360/3n)和滯後(-180/3n、-360/3n)的4組繞組。通過變壓器的不同聯接組別，可以實現所需相差角度。若每組由5個額定電壓為690V的功率單元串聯，相電壓為690VX5 = 3450V，所對應的線電壓為6000V，從而實現了用低壓功率元件實現高壓電壓補償的功能。採用功率単元串聯，而不是用傳統的器件串聯來實現高壓輸出，所以不存在器件均壓的問題。每個功率単元承受的輸出電流都等於負載相電流，即，Il = 12 ニ…=In ;每個功率単元承受的電壓Ui (i=l_n)為輸出相電壓U的1/n ;姆個功率單兀承受l/3n的輸出功率。根據本實用新型的逐周限流保護電壓質量調節裝置的另一個實施例，電壓調節模塊200設有諧波電壓補償單元和與其對應的PWM可控整流単元，所述的諧波電壓補償單元的主電路與基波電壓補償單元的主電路完全相同，都是IGBT連接組成的H橋功率單元電路；隔離變壓器TlO設有為諧波電壓補償単元供電的二次繞組；所述為諧波電壓補償單元供電的二次繞組，通過所述對應的PWM可控整流単元，連接到所述的諧波電壓補償單元的H橋功率單元電路的輸入端；連接在三相系統電源同一相上的諧波電壓補償単元和基波電壓補償單元串聯連接後，通過電感L與電容器Cx組成的LC濾波電路，串聯接入三相系統電源100和敏感負載900之間。逆變輸出側的濾波電感L在負載側發生短路時提供限流保護功倉^:。在圖I所示的本實用新型的逐周限流保護電壓質量調節裝置的實施例中，逐周限流保護電壓質量調節裝置還設有可控旁路開關元件BT，可控旁路開關元件BT可以採用雙向晶閘管或其他反向並聯的可控電カ開關器件組成，可控旁路開關元件BT與電壓調節模塊200的輸出端並聯，也就是與LC濾波電路中的濾波電容Cx並聯，連接在三相系統電源100和敏感負載900之間；所述可控旁路開關元件BT的控制極，通過光耦或光線隔離連接到所述的檢測控制模塊。當電壓調節模塊200發生故障時，所述的檢測控制模塊在關閉電壓調節模塊的同時，接通可控旁路開關元件BT，三相系統電源100可以通過可控旁路開關 元件BT繼續向敏感負載900供電。本實用新型的逐周限流保護電壓質量調節裝置的檢測控制模塊如圖4所示，包含數位訊號處理器300、信號調理元件400、電流/電壓轉換元件410和網絡接ロ單元500，數位訊號處理器300設有AD轉換器310和PWM輸出端ロ 320，AD轉換器310的模擬信號輸入端，通過信號調理元件400和電流/電壓轉換元件410連接到三相系統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輸出端ロ 320通過IGBT驅動電路700，分別連接到各路基波電壓補償單元和諧波電壓補償単元的IGBT(T1至T4)的柵極，把數位訊號處理器300產生的PWM控制信號傳送給多重化級聯的各個功率単元；數位訊號處理器300通過網絡接ロ単元500連接到三相系統電源的電網監控系統，實現遠程監控和聯網控制。在本實用新型的一個實施例中，數位訊號處理器300為TI公司的TMS320F28335型數位訊號處理器，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驅動電路700可以使用任何現有的IGBT驅動集成電路，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，網絡接ロ單元500採用EtherCAT從站控制器ETl 100，EtherCAT是開放的實時乙太網絡通訊協議，能夠滿足電カ系統規模的不斷擴大，系統運行方式越來越複雜，對自動化水平的要求越來越高的要求.28335產生8路PWM波，經過IGBT驅動電路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)，確保一旦發生故障28335可直接從硬體上封鎖所有PWM。模擬量採集通道連接的信號調理元件400和電流/電壓轉換元件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路熱敏電阻採樣輸入，AD轉換器採用28335內部12bitAD。[0040]DIDO連接的4路DI輸入端子連接的數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，驅動板電源欠壓故障；D0輸出端的數字輸出信號包括8路PWM信號，封鎖旁路信號和驅動板復位信號。本技術領域中的普通技術人員應當認識到，以上的實施例僅是用來說明本實用新型的技術方案，而並非用作為對本實用新型的限定，任何基於本實用新型的實質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利要求的保護範圍內。·
權利要求1.一種逐周限流保護電壓質量調節裝置，包括電壓調節模塊、可控整流模塊和檢測控制模塊，所述的逐周限流保護電壓質量調節裝置連接在三相系統電源和敏感負載之間，所述的檢測控制模塊的檢測輸入端連接到三相系統電源，所述的檢測控制模塊通過IGBT驅動電路，連接到電壓調節模塊和可控整流模塊，其特徵在於 所述的電壓調節模塊為多重化級聯IGBT功率模塊，每相由n個串聯連接的基波電壓補償單元組成，其中I Sn <20; 所述的IGBT驅動電路設置逐周限流保護單元，逐周限流保護單元包括正限定值設定元件，負限定值設定元件，補償電流檢測元件，第一比較器，第二比較器，第一與門，第二與門，上管觸發脈衝輸入端，下管觸發脈衝輸入端，上管驅動元件和下管驅動元件； 所述的正限定值設定元件連接到第一比較器的同相輸入端，所述的負限定值設定元件連接到第二比較器的反相輸入端，第一比較器的反相輸入端和第二比較器的同相輸入端並聯連接到所述的補償電流檢測元件； 所述的第一與門的三個輸入端分別連接到上管觸發脈衝輸入端、第一比較器的輸出端和第二比較器的輸出端，第一與門的輸出端連接到上管驅動元件； 所述的第二與門的三個輸入端分別連接到下管觸發脈衝輸入端、第一比較器的輸出端和第二比較器的輸出端，第二與門的輸出端連接到下管驅動元件。
2.根據權利要求I所述的逐周限流保護電壓質量調節裝置，其特徵在於所述的可控整流模塊包含n個PWM可控整流單元，每個PWM可控整流單元連接一個基波電壓補償單元； 所述PWM可控整流單元的交流側，通過一臺多繞組隔離變壓器連接到三相系統電源；所述隔離變壓器包含3n個二次繞組，每個二次繞組對應連接一個PWM可控整流單元；所述的基波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，每一路H橋功率單元電路的輸入端，分別連接到對應的PWM可控整流單元的直流側。
3.根據權利要求I所述的逐周限流保護電壓質量調節裝置，其特徵在於所述的電壓調節模塊設有諧波電壓補償單元和與其對應的PWM可控整流單元，所述的諧波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；所述隔離變壓器設有為諧波電壓補償單元供電的二次繞組；所述為諧波電壓補償單元供電的二次繞組，通過所述對應的PWM可控整流單元，連接到所述的諧波電壓補償單元的H橋功率單元電路的輸入端；連接在三相系統電源同一相上的諧波電壓補償單元與基波電壓調節模塊串聯連接。
4.根據權利要求1、2或3所述的逐周限流保護電壓質量調節裝置，其特徵在於所述的逐周限流保護電壓質量調節裝置還設有可控旁路開關元件，所述可控旁路開關元件與所述的電壓調節模塊的輸出端並聯，連接在三相系統電源和敏感負載之間；所述可控旁路開關元件的控制極，通過光耦或光線隔離連接到所述的檢測控制模塊。
5.根據權利要求1、2或3所述的逐周限流保護電壓質量調節裝置，其特徵在於所述的檢測控制模塊包含數位訊號處理器、信號調理元件、電流/電壓轉換元件和網絡接口單元；所述的數位訊號處理器設有AD轉換器和PWM輸出埠，所述AD轉換器的模擬信號輸入端，通過信號調理元件和電流/電壓轉換元件連接到三相系統電源的電壓互感器和電流互感器；所述PWM輸出埠通過IGBT驅動電路，分別連接到各路基波電壓補償單元和諧波電壓補償單元的IGBT的柵極；所述的數位訊號處理器通過網絡接口單元連接到三相系統電源的電網監控系統。
專利摘要一種逐周限流保護電壓質量調節裝置，涉及一種用於交流幹線或交流配電網絡的電路裝置，尤其是涉及到一種適用於高壓交流電網穩定電壓和減少諧波或波紋的裝置，包括電壓調節模塊、可控整流模塊和檢測控制模塊，電壓調節模塊為多重化級聯IGBT功率模塊，每相由n個PWM可控整流單元和n個串聯連接的基波電壓補償單元組成；檢測控制模塊的IGBT驅動電路設置比較器和與門邏輯電路連接組成的逐周限流保護單元，在每個控制周期對過電流進行限制。該裝置可以顯著提高敏感用戶供電電能質量，減少電網和敏感負載用電設備的故障、降低電網損耗、提高電能利用率，提高了短路保護電路的可靠性。
文檔編號H02J3/01GK202550539SQ20122013873
公開日2012年11月21日 申請日期2012年4月1日 優先權日2012年4月1日
發明者何維國, 劉雋, 包海龍, 張宇, 沈勇 申請人:上海市電力公司