一種電能質量調節器的製作方法

2023-12-07 06:00:36

專利名稱：一種電能質量調節器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及電力系統中電能質量調節技術，具體涉及一種電能質量調節器。
背景技術：
電能質量是眾多單一類型的電力系統幹擾問題的總稱，實質是電壓質量，主要描述供電電壓偏離其理想狀態的程度，其內容涉及頻率偏移、電壓偏移、電磁暫態、波形失真、三相不平衡以及電壓波動和閃變等。
電能質量是電力系統運行的重要指標，對電網和用戶均具有十分重要的意義。目前，電力系統中存在各種非線性和不對稱負荷，使電能質量受到了嚴重影響。然而，在現代化工商業中，由於機器人、自動化生產線、精密數控工具機、可編程控制器、計算機信息管理系統等的應用日益廣泛，對供電可靠性和電能質量提出了更加嚴格的要求。
一般來講，電能質量調節裝置與系統的連接方式取決於其使用目的。並聯電能質量調節器用於調節由負荷流入網絡的電流，以降低非正弦分量；串聯電能質量調節器則用於調節網絡提供給負荷的電壓質量，串並聯電能質量調節器還可以抑制電壓振蕩。在工程實踐中，常用的電能質量調節裝置包括LC或者LCR無源濾波器；有源濾波器以及近年來出現的統一電能質量調節器和電子電力變壓器，它們各有不同的特點。無源濾波器主要作用是消除系統諧波，但有可能導致濾波器與網絡阻抗間的並聯諧振，同時，無源濾波器將向電網注入無功電流，在以二極體整流器作為主要用電設備的網絡中，不必要地產生超前功率因數。而有源濾波器調節靈活，其動態特性較之於無源濾波器有較大改善，電力有源濾波器的主要部分是基於開關器件脈寬調製技術的變流器。而統一電能質量調節器(Unified PowerQuality Conditioner-UPQC)是在有源濾波器(Active Power Filter-APF)基礎上發展起來的。UPQC的主要特點是過濾諧波、無功補償、降低閃變水平等(電能質量控制中心與統一電能質量調節器的研究[J]，電力自動化設備，2003，23(9)10～14)，其不足之處在於使用了兩個工頻變壓器，體積和重量都較大。

發明內容
本實用新型的目的在於提供一種體積較小的新型電能質量調節器，該調節器同時具備串聯型和並聯型電能質量調節器的特點，既可實現對供電線路電壓的調節，又可抑制負載的諧波。
本實用新型提供的一種電能質量調節器，該調節器包括原邊電壓變換器、高頻變壓器和副邊電壓變換器；所述原邊電壓變換器為原邊AC/AC變換器，或者為依次相連的原邊AC/DC變換器和原邊DC/AC變換器。副邊電壓變換器為副邊AC/AC變換器，或者為依次相連的副邊AC/DC變換器和副邊DC/AC變換器。輸入的工頻交流電壓經過原邊變換器被調製成高頻信號，該高頻信號經過高頻變壓器耦合到變壓器副方，副方的高頻信號再經過副邊變換器還原成工頻電壓信號，該電壓信號與電能質量調節器輸入端的電壓疊加後得到調節器的輸出電壓。
本實用新型提出的電能質量調節器既可以用於中高壓輸電線路，又可以用於低壓配電線路，其應用範圍廣，應用場合靈活；且調節器中大功率電力電子器件可以瞬時(微秒級)關斷故障大電流，當線路發生故障時，調節器可以斷開故障線路，實現對系統的保護。具體來說，本實用新型提出的電能質量調節器除了具備UPQC的特點外，還有如下的優點(1)UPQC使用了兩個工頻變壓器，體積和重量都較大，而本實用新型提出的電能質量調節器採用了高頻調製技術，只使用了一個高頻變壓器。電力變壓器的體積與其工作頻率成反比，因此該調節器體積小，重量輕。既適合大容量的工業用戶使用，也適合普通家庭使用。
(2)將本實用新型提出的電能質量調節器與普通電力變壓器按一定方式連接，能實現普通電力變壓器的有載平滑調壓，而UPQC無此功能。所以本調節器在電力系統中的應用前景很好。


圖1為單相電能質量調節器拓撲結構示意圖；圖2為電能質量調節器主體結構之一的結構示意圖；圖3為電能質量調節器主體結構之二的結構示意圖；圖4為三相電能質量調節器拓撲結構示意圖。
具體實施方式
下面介紹本實用新型提出的電能質量調節器的具體結構如圖1所示，單相電能質量調節器E1有輸入和輸出兩個埠，每個埠均有兩個接線端子兩個輸入接線端子a1和b1，兩個輸出接線端子b1和c1。圖1中的d1和c1表示單相電能質量調節器主體部分輸出側變換器的兩個輸出端子，a1和d1直接相連。
本實用新型包括三個部分原邊電壓變換器、高頻變壓器和副邊電壓變換器。
圖2中，原邊AC/AC變換器1作為原邊電壓變換器，其兩個輸入端子作為輸入端子a1和b1，副邊AC/AC變換器3作為副邊電壓變換器，其兩個輸出端子作為端子c1和d1，端子d1和端子a1直接相連。兩個AC/AC變換器經過高頻變壓器2相連接。
圖3中，原邊AC/DC變換器4和原邊DC/AC變換器5作為原邊電壓變換器，副邊AC/DC變換器6和副邊DC/AC變換器7作為副邊電壓變換器。原邊AC/DC變換器4的兩個輸入端子作為端子a1和b1，副邊DC/AC變換器7的兩個輸出端子作為端子c1和d1。原邊AC/DC變換器4經過原邊DC/AC變換器5後與高頻變壓器2相連，高頻變壓器2經副邊AC/DC變換器6與副邊DC/AC變換器7相連。
以上所說的輸入端和輸出端是相對線路而言的，實際上本實用新型提出的電能質量調節器可以根據需要實現功率的雙向流動。
本實用新型提出的電能質量調節器基本工作原理為以圖2所示結構為基礎的單相電能質量調節器的工作原理如下電能質量調節器的輸入工頻交流電壓經過原邊AC/AC變換器1被調製成高頻交流電壓信號，該高頻交流電壓信號經過高頻變壓器2耦合到變壓器副方，副方的高頻信號再經過副邊AC/AC變換器3後被還原為工頻電壓信號，該電壓信號與電能質量調節器輸入端的電壓疊加後得到調節器的輸出電壓。當調節器輸出端電壓變化時，可以相應改變調節器中副邊AC/AC變換器3輸出電壓，達到穩定調節器輸出電壓的目的。此外，還可以補償系統的無功功率。
當調節器輸出端電流即負載電流發生畸變時，由於調節器輸入端與原邊AC/AC變換器1並聯，這樣通過對原邊AC/AC變換器1的控制，可以使調節器起到電力有源濾波器的作用，抑制負載諧波電流對電網的影響。
以圖3所示結構為基礎的單相電能質量調節器的工作原理為電能質量調節器輸入工頻電壓首先由原邊AC/DC變換器4整流為直流電壓，直流電壓經過原邊DC/AC變換器5後被調製為高頻方波，高頻方波經高頻變壓器2耦合到變壓器副方，副方的高頻信號經副邊AC/DC變換器6整流為直流，直流電壓再經過副邊DC/AC變換器7被還原為工頻電壓信號，該電壓信號與調節器輸入端電壓疊加後得到調節器的輸出電壓。這種結構的單相電能質量調節器調節電能質量的原理與前述電能質量調節器類似，所不同的是前述電能質量調節器中起調節作用的是圖2中的原邊AC/AC變換器1和3，而此結構的電能質量調節器依靠圖3中的原邊AC/DC變換器4和副邊DC/AC變換器7調節電能質量。其中原邊AC/DC變換器4抑制負載側畸變電流對網側的影響，副邊DC/AC變換器7主要起維持電能質量調節器輸出電壓恆定的作用。
三相電能質量調節器也有輸入和輸出兩個埠，其拓撲結構如圖4所示，每個埠均有三個接線端子三相輸入接線端子a2、b2、c2，三個單相輸出接線端子d2、f、h。d2和e，f和g，h和i分別為輸出側三個單相變換器的兩個輸出端子。端子e、g、i直接與端子a2、b2、c2對應連接。
三相電能質量調節器主體部分結構類似於圖3，其與圖3所示單相電能質量調節器主體部分不同點如下三相電能質量調節器主體部分輸入側為三相整流，而單相調節器主體部分為單相整流。兩者採用的高頻變壓器的副方繞組數及其所決定的輸出相數目也不同。單相電能質量調節器高頻變壓器副方為一個繞組，而三相為三個繞組，每個繞組均連接一組相應的變換系統，得到一個輸出相。對於N相電能質量調節器，輸入端有N個端子，輸出端有N個端子，高頻變壓器副方有N個繞組，分別經一組變換系統後得到一相輸出，共可輸出N相。
下面舉三個例子對本實用新型作進一步的說明。
例一以結構一(如圖2所示)為基礎的單相電能質量調節器。
線路電壓等級為6300V，容量為1000kVA。圖2中原邊AC/AC變換器1由4個雙向開關組成，每個雙向開關由兩個3300V/100A的一單元IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)模塊反向串聯構成，通過原邊AC/AC變換器1，工頻交流電壓被調製成為6k赫茲的高頻交流電壓；圖2中高頻變壓器2按200kVA，開關頻率6k赫茲設計；副邊AC/AC變換器3由4個雙向開關組成，每個雙向開關由兩個1700V/400A的一單元IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)模塊反向串聯構成，高頻交流電壓經副邊AC/AC變換器3被還原為工頻電壓。
例二以結構二(如圖3所示)為基礎的單相電能質量調節器。
線路電壓等級為6300V，容量為1000kVA。圖3中原邊AC/DC變換器4是由兩個3300V/100A的兩單元IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)模塊組成單相全控橋，通過原邊AC/DC變換器4，工頻交流電壓被整流為直流電壓；圖3中原邊DC/AC變換器5為高頻調製部分，由兩個3300V/100A的兩單元IGBT模塊構成，通過原邊DC/AC變換器5，直流電壓被調製成為5k赫茲的高頻方波；圖3中高頻變壓器2按200kVA，開關頻率5k赫茲設計，圖3中副邊AC/DC變換器6為還原部分，由兩個1700V/400A的兩單元IGBT模塊構成，通過副邊AC/DC變換器6，高頻方波還原為直流電壓；圖3中副邊DC/AC變換器7由兩個1700V/400A的兩單元IGBT(Insulated GateBipolar Transistor)模塊組成單相全控橋，通過副邊DC/AC變換器7，直流電壓被逆變為工頻交流電壓。
例三以結構二為基礎的三相電能質量調節器。
三相線路的線電壓等級為380V，容量為10kVA。三相電能質量調節器輸入側AC/DC變換器是由三個1200V/50A的兩單元IGBT模塊組成三相全控橋，通過輸入側AC/DC變換器，工頻交流電壓被整流成直流電壓；高頻調製部分為DC/AC變換器，由兩個1200V/50A的兩單元IGBT模塊構成，通過該部分，直流電壓被調製成為5k赫茲的高頻方波；高頻變壓器按2kVA，開關頻率5k赫茲設計。高頻變壓器原方為一個繞組，副方為三個繞組。其副方每一個繞組對應三相系統中的一相。每一相的高頻方波均由對應的還原部分還原為直流電壓，還原部分為AC/DC變換器，是由兩個600V/100A兩單元的IGBT模塊構成的單相全控橋；直流電壓再由兩個600V/100A的兩單元IGBT模塊構成的單相全控橋DC/AC變換器逆變為工頻交流電壓。
權利要求1.一種電能質量調節器，其特徵在於該調節器包括原邊電壓變換器、高頻變壓器和副邊電壓變換器；所述原邊電壓變換器為原邊AC/AC變換器，或者為依次相連的原邊AC/DC變換器和原邊DC/AC變換器；所述副邊電壓變換器為副邊AC/AC變換器，或者為依次相連的副邊AC/DC變換器和副邊DC/AC變換器；輸入的工頻交流電壓信號經過原邊電壓變換器後被調製成高頻電壓信號，該高頻信號再經過高頻變壓器耦合到變壓器副方，副方的高頻信號經過副邊電壓變換器後被還原為工頻電壓信號，該工頻電壓信號與電能質量調節器輸入端的電壓疊加後得到調節器的輸出電壓。
專利摘要本實用新型公開了一種電能質量調節器，它包括原邊電壓變換器、高頻變壓器和副邊電壓變換器。原邊電壓變換器為原邊AC/AC變換器，或為依次相連的原邊AC/DC變換器和原邊DC/AC變換器。副邊電壓變換器為副邊AC/AC變換器，或依次相連的副邊AC/DC變換器和副邊DC/AC變換器。輸入的工頻交流電壓信號經過原邊電壓變換器後被調製成高頻電壓信號，該高頻信號再經過高頻變壓器耦合到變壓器副方，副方的高頻信號經過副邊電壓變換器後被還原為工頻電壓信號，該工頻電壓信號與電能質量調節器輸入端的電壓疊加後得到調節器的輸出電壓。本實用新型體積小、重量輕，其應用範圍廣，應用場合靈活。此外，本實用新型能用於普通電力變壓器的有載平滑調壓，其在電力系統中的應用前景很好。
文檔編號H02J3/00GK2739858SQ20042011124
公開日2005年11月9日 申請日期2004年11月5日 優先權日2004年11月5日
發明者範澍, 毛承雄, 陸繼明, 王丹, 成建鵬 申請人:華中科技大學