一種新結構的單相電能質量控制器和三相電能質量控制器的製作方法
2023-04-24 04:16:11
專利名稱：一種新結構的單相電能質量控制器和三相電能質量控制器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電能質量控制器，尤其涉及一種新結構的單相電能質量控制器和 三相電能質量控制器。
背景技術：
在電力系統中，系統故障、雷擊、非線性負荷、衝擊性負荷等多種因素會造成電網 電壓、電流、頻率出現非理想正弦的現象，導致一些敏感用電設備工作異常，產生電能質量 問題。目前，隨著非線性大功率電力負荷種類和容量的增多，比如大功率整流裝置、磁飽和 裝置等，電力系統的電能質量更容易惡化。而諸如機器人、計算機、微處理器控制的自動化 設備的抗電磁幹擾的能力卻在下降，並且數量也在大量增加，導致電網與用電設備間的電 能質量問題更加突出。一些電能質量問題可用適當的電力電子裝置來解決，如動態電壓補償器(DVR)、有 源電力濾波器(APFC)、串並聯統一電能質量調節器(Unified Power Quality Controller ，電能質量調節器，簡稱「UPQC」)等。然而，動態電壓補償器僅改善供電電壓質量問題，無法 補償負載電流諧波。有源電力濾波器僅改善負載電流質量問題，無法改善供電電壓質量；傳 統的串並聯統一電能質量調節器雖可對電壓質量問題、電流質量問題同時改善，但其需要 在電源線上串入一個工頻變壓器，導致體積大、重量大。
發明內容
本發明解決的技術問題是構建一種新結構的單相電能質量控制器和三相電能質 量控制器，克服現有技術不能低成本地同時改善電壓質量、電流質量的技術問題。本發明的技術方案是構建一種新結構的單相電能質量控制器，包括雙向功率半 導體開關、負載側逆變器、電網側逆變器、連接負載的第一低通濾波器、連接電網的第二低 通濾波器，所述負載側逆變器包括逆變橋開關管，所述負載側逆變器由兩個所述逆變橋開 關管順序串接，所述電網側逆變器包括逆變橋開關管，所述電網側逆變器由兩個所述逆變 橋開關管順序串接，在電網和負載之間串接所述雙向功率半導體開關和所述第一低通濾波 器，所述負載側逆變器兩個逆變橋開關管的連接點連接所述雙向功率半導體開關與所述第 一低通濾波器之間的連接點，所述電網側逆變器的兩個逆變橋開關管連接點串接所述第二 低通濾波器後連接至電網。本發明的進一步技術方案是所述雙向功率半導體開關為絕緣柵雙極性電晶體 (IGBT)、門極可關斷晶閘管(GTO)、集成門極換向晶閘管(IGCT)、MOSFET等中的任何一種。本發明的進一步技術方案是所述負載側逆變器和所述電網側逆變器中的逆變 橋開關管為絕緣柵雙極性電晶體(IGBT)、門極可關斷晶閘管(GT0)、集成門極換向晶閘管 (IGCT)、MOSFET等中的任何一種。本發明的進一步技術方案是所述雙向功率半導體開關和負載側逆變器基於
4伏·秒等效原則確定各自在一個周期內的導通時間，雙向功率半導體開關的導通時間由公 式(1)確定
η _ U0 sm(飯 + 勻 土 Ud τ 「Ux sm(M+e)±Ud⑴
式中，D—雙向功率半導體開關的導通時間，S ； Utl+電網額定電壓值，V ； Um_電網實際電壓幅值，V ； Ud—直流母線電壓，V; ω—電網頻率，Hz ； T一逆變橋開關管的周期，S ；
式中電網電壓暫降負半周和電壓暫升正半周時，士號取正；電壓暫降負半周和電壓暫 升正半周時，士號取負。本發明的進一步技術方案是所述雙向功率半導體開關和所述負載側逆變器基於 伏·秒等效原則確定序列即所述雙向功率半導體與所述負載側逆變橋互補導通，所述雙 向功率半導體開關導通D時間內所述逆變橋開關管關斷，隨後，所述逆變橋開關管導通T-D 時間內所述雙向功率半導體開關關斷，其中，T為所述逆變橋開關管的周期。本發明的進一步技術方案是所述電網側逆變器利用瞬時無功理論實時檢測出所 述雙向功率半導體開關中的諧波電流，該電流作為指令與第二低通濾波器電感中的實際電 流進行滯環比較，確定出所述電網側逆變器中各開關管的通斷時間和順序，所述電網側逆 變器輸出的電壓使電感電流快速跟隨指令電流而變化；該電感電流注入到電網中，與所述 雙向功率半導體開關中的諧波電流相互抵消，使整個電能質量控制器從電網中抽取的電流 為低諧波成分電流。本發明的進一步技術方案是所述低通濾波器由串聯濾波電感和並聯直流電容連 接而成。本發明的技術方案是構建一種三相電能質量控制器，所述三相電能質量控制器 由三個所述新結構的單相電能質量控制器按三相分別接在電網三相火線和三相負載之間。本發明的技術方案是構建一種三相電能質量控制器，包括雙向功率半導體開 關、負載側逆變器、電網側逆變器、連接負載的第一低通濾波器、連接電網的第二低通濾波 器，所述負載側逆變器包括逆變橋開關管，所述負載側逆變器由兩個所述逆變橋開關管順 序串接，所述電網側逆變器包括逆變橋開關管，所述電網側逆變器由兩個所述逆變橋開關 管順序串接，在電網和負載之間三相中的一相之間串接所述雙向功率半導體開關和所述第 一低通濾波器，所述負載側逆變器的兩個逆變橋開關管的連接點連接電網和負載之間三相 中的一相中所述雙向功率半導體開關和所述第一低通濾波器之間的連接點，所述電網側逆 變器的兩個逆變橋開關管的連接點連接電網和負載之間三相中的一相中的所述第二低通 濾器後連接電網，所述負載側逆變器及第一低通濾波器的數目與電網和負載的相數一致。本發明的技術效果是本發明的新結構的單相電能質量控制器和三相電能質量控 制器，所述負載側逆變器包括逆變橋開關管，所述負載側逆變器由兩個所述逆變橋開關管 順序串接，所述電網側逆變器包括逆變橋開關管，所述電網側逆變器由兩個所述逆變橋開 關管順序串接，在電網和負載之間串接所述雙向功率半導體開關和所述第一低通濾波器，
5所述負載側逆變器的兩個逆變橋開關管的連接點連接所述雙向功率半導體開關和所述第 一低通濾波器之間的連接點，所述電網側逆變器的兩個逆變橋開關管連接點串接所述第二 低通濾器後連接電網。本發明提出的電能質量控制器利用雙向半導體功率開關替代了串聯 變壓器，不僅具有同時改善電壓質量、電流質量的功能，而且結構簡單、重量輕。
圖1為本發明新結構的單相電能質量控制器的電路圖。圖2為本發明三相統一電能質量控制器的一種電路圖。圖3為本發明三相統一電能質量控制器的另一種電路圖。圖4為本發明的不等幅PWM控制的調製輸出波形。
具體實施例方式下面結合具體實施例，對本發明技術方案進一步說明。如圖1所示，本發明的具體實施方式
是本發明一種新結構的單相電能質量控制 器，包括雙向功率半導體開關Si、負載側逆變器(S2、S3)、電網側逆變器(S4、S5)、連接負載 的第一低通濾波器(Li、Cl)、連接電網的第二低通濾波器(L2、C2)，所述負載側逆變器(S2、 S3)包括逆變橋開關管S2和逆變橋開關管S3，所述負載側逆變器(S2、S3)由逆變橋開關管 S2和逆變橋開關管S3順序串接，所述電網側逆變器(S4、S5)包括逆變橋開關管S4和S5， 所述電網側逆變器(S4、S5)由逆變橋開關管S4和逆變橋開關管S5順序串接，在電網和負 載之間串接所述雙向功率半導體開關Sl和所述第一低通濾波器(Li、Cl)，所述負載側逆變 器(S2、S3)的逆變橋開關管S2和逆變橋開關管S3之間的連接點連接所述雙向功率半導體 開關Sl與所述第一低通濾波器(L1、C1)之間的連接點後輸出給負載Z1，所述電網側逆變器 (S4、S5)的逆變橋開關管S4和逆變橋開關管S5之間的連接點串接所述第二低通濾器(L2、 C2)後連接至電網Uc0本發明的優選實施方式是所述雙向功率半導體開關為絕緣柵雙極性電晶體 (IGBT)、門極可關斷晶閘管(GT0)、集成門極換向晶閘管(IGCT)、M0SFET等中的任何一種； 所述負載側逆變器和所述電網側逆變器中的逆變橋開關管為絕緣柵雙極性電晶體(IGBT)、 門極可關斷晶閘管(GT0)、集成門極換向晶閘管(IGCT)、M0SFET等中的任何一種；所述低通 濾波器由濾波電感和直流電容構成。本發明的優選實施方式是所述雙向功率半導體開關和負載側逆變器基於伏·秒 等效原則確定各自在一個周期內的導通時間(式中正半周為正，負半周為負)，雙向功率半 導體開關的導通時間由公式(1)確定
權利要求
1.一種新結構的單相電能質量控制器，其特徵在於，包括雙向功率半導體開關、負載 側逆變器、電網側逆變器、連接負載的第一低通濾波器、連接電網的第二低通濾波器，所述 負載側逆變器包括逆變橋開關管，所述負載側逆變器由兩個所述逆變橋開關管順序串接， 所述電網側逆變器包括逆變橋開關管，所述電網側逆變器由兩個所述逆變橋開關管順序串 接，在電網和負載之間串接所述雙向功率半導體開關和所述第一低通濾波器，所述負載側 逆變器兩個逆變橋開關管的連接點連接所述雙向功率半導體開關與所述第一低通濾波器 之間的連接點，所述電網側逆變器的兩個逆變橋開關管連接點串接所述第二低通濾波器後 連接至電網。
2.根據權利要求1所述新結構的單相電能質量控制器，其特徵在於，所述雙向功率半 導體開關為絕緣柵雙極性電晶體(IGBT)、門極可關斷晶閘管(GT0)、集成門極換向晶閘管 (IGCT)、MOSFET等中的任何一種。
3.根據權利要求1所述新結構的單相電能質量控制器，其特徵在於，所述負載側逆變 器和所述電網側逆變器中的逆變橋開關管為絕緣柵雙極性電晶體(IGBT)、門極可關斷晶閘 管(GTO)、集成門極換向晶閘管(IGCT)、MOSFET中的任何一種。
4.根據權利要求1所述新結構的單相電能質量控制器，其特徵在於，所述雙向功率半 導體開關和負載側逆變器基於伏·秒等效原則確定各自在一個周期內的導通時間，雙向功 率半導體開關的導通時間由以下公式確定
5.根據權利要求1所述新結構的單相電能質量控制器，其特徵在於，所述雙向功率 半導體開關和所述負載側逆變器基於伏·秒等效原則確定序列即所述雙向功率半導體與 所述負載側逆變橋互補導通，所述雙向功率半導體開關導通D時間內所述逆變橋開關管關 斷，隨後，所述逆變橋開關管導通T-D時間內所述雙向功率半導體開關關斷，其中，T為所述 逆變橋開關管的周期。
6.根據權利要求1所述新結構的單相電能質量控制器，其特徵在於，所述電網側逆變 器利用瞬時無功理論實時檢測出所述雙向功率半導體開關中的諧波電流，該電流作為指令 與第二低通濾波器電感中的實際電流進行滯環比較，確定出所述電網側逆變器中各開關管 的通斷時間和順序，所述電網側逆變器輸出的電壓使電感電流快速跟隨指令電流而變化； 該電感電流注入到電網中，與所述雙向功率半導體開關中的諧波電流相互抵消，使整個電 能質量控制器從電網中抽取的電流為低諧波成分電流。
7.根據權利要求1所述新結構的單相電能質量控制器，其特徵在於，所述低通濾波器 由串聯濾波電感和並聯直流電容連接而成。
8.一種應用上述任一權利要求所述新結構的單相電能質量控制器的三相電能質量控 制器，其特徵在於，三個所述新結構的單相電能質量控制器按三相分別接在電網三相火線 和三相負載之間。
9.一種應該權利要求1至7中任一權利要求所述新結構的單相電能質量控制器的三相 電能質量控制器，其特徵在於，包括雙向功率半導體開關、負載側逆變器、電網側逆變器、 連接負載的第一低通濾波器、連接電網的第二低通濾波器，所述負載側逆變器包括逆變橋 開關管，所述負載側逆變器由兩個所述逆變橋開關管正向串接，所述電網側逆變器包括逆 變橋開關管，所述電網側逆變器由兩個所述逆變橋開關管正向串接，在電網和負載之間三 相中的一相之間串接所述雙向功率半導體開關和所述第一低通濾波器，所述負載側逆變器 的兩個逆變橋開關管的連接點連接電網和負載之間三相中的一相中所述雙向功率半導體 開關和所述第一低通濾波器之間的連接點，所述電網側逆變器的兩個逆變橋開關管的連接 點連接電網和負載之間三相中的一相中的所述第二低通濾器後連接電網，所述負載側逆變 器和所述電網側逆變器的數目與電網和負載的相數一致。
全文摘要
本發明涉及一種新結構的單相電能質量控制器和三相電能質量控制器，所述新結構的單相電能質量控制器中，所述負載側逆變器包括逆變橋開關管，所述負載側逆變器由兩個所述逆變橋開關管順序串接，所述電網側逆變器包括逆變橋開關管，所述電網側逆變器由兩個所述逆變橋開關管順序串接，在電網和負載之間串接所述雙向功率半導體開關和所述第一低通濾波器，所述負載側逆變器兩個逆變橋開關管的連接點連接所述雙向功率半導體開關與所述第一低通濾波器之間的連接點，所述電網側逆變器的兩個逆變橋開關管的連接點串接所述第二低通濾器後連接至電網。本發明提出的電能質量控制器利用雙向半導體功率開關替代了串聯變壓器，不僅具有同時改善電壓質量、電流質量的功能，而且結構簡單、重量輕。
文檔編號H02J3/01GK102064552SQ201010573519
公開日2011年5月18日 申請日期2010年12月3日 優先權日2010年12月3日
發明者和軍平, 延匯文 申請人:哈爾濱工業大學深圳研究生院