专利名称：一种基于igbt桥式串、并补电能调节器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电力控制技术，特别涉及一种基于IGBT桥式串、并补电能调节器。
背景技术：
由于电网电压用电容量随时变化，其电压波动很大，表现为经常过欠压、瞬时跌落、浪涌及尖峰干扰较多(在一些偏远地区尤其严重)；另一个方面，电力系统中非线性负荷大量增加，向电网注入了大量的谐波和次谐波分量，导致了电流波形的严重失真，给电网带来了严重污染，从而影响用户的用电质量。而随着科技和经济的发展，信息技术和微电子技术的应用，大量用电设备对供电质量的要求越来越高。研究表明，电压跌落和谐波干扰问题已成为影响许多用电设备正常、安全运行的电能质量问题之一。因此，如何抑制电压跌落、谐波对电力用户的干扰、提高配电系统的动态电能质量，已成为摆在电力研究人员面前十分迫切的问题。
目前，市场上用于稳定电压的交流稳压器及谐波滤除装置有如下几种(1)变压器变比调整型稳压器所述的变压器初级设有多个抽头，每个抽头串接一只继电器或双向可控硅，通过改变抽头来调节电压，这种稳压器可控硅或继电器直接串接在主电路中，负载电流全部从可控硅中或继电器流过，负载电流中的瞬变、波动极易损坏可控硅，而长期通过大电流产生很大热量，也使可控硅工作在恶劣的工况下，性能劣化，可靠性变差。(2)碳刷型交流稳压器通过机电式机构调节自耦变压器的触头来调节补偿电压。由于使用碳刷和机械传动，造成其工作寿命短、响应速度慢、碳刷接触面小而影响输出电流、碳刷磨损快需要经常更换、机械失灵引起冲顶而烧坏稳压器、电力局更换线路造成电机反转而烧坏设备等许多缺点和问题；(3)无触点补偿式交流稳压器这种拓扑结构无机械触点、体积小，效率高，解决了上述机型的缺陷，如专利号ZL00204096.4和专利号ZL01253876.0所公开的无触点交流稳压器；但这两种专利所公开的交流稳压器其共同缺点是电压有级调节，不能实现电压连续调节，调压精度不高。另外，不同绕组抽头之间切换时，易造成晶闸管共态导通的短路事故。(4)有源滤波器专利号CN200420076979.2公开了一种大容量并联型有源滤波器，但其只是滤除电网谐波，而对于电网电压的瞬变不作处理；专利号CN200710034455.5只是公开了有源滤波器的算法，而对其主电路拓扑及相应的电路结构未进行描述。
发明内容
本发明针对目前电能补偿中调节精度不高，瞬变时控制可靠性差的问题，提出了一种基于IGBT桥式串、并补电能调节器。当电网电压发生变化时，调节器可在几个毫秒内产生一个与电网电压同步的交流电压来补偿电网电压跌落或上升，从而把负载电压稳定在正常值，以抑制配电系统的电压波动对用户负荷的影响；当电网波形畸变严重，产生大量电流谐波危害到用户安全时，调节器可以利用其并联的桥式IGBT变换器，生成一个与其电流波形相位相差180度的电流波形，叠加于电网，从而保证负载电流波形为正弦波，使其安全、稳定运行，免受谐波干扰。
本发明的技术方案为一种基于IGBT桥式串、并补电能调节器，包括并联型IGBT桥式变换器、并联型L、C电路、串联补偿变压器、串联型IGBT桥式变换器和控制电路，并联型L、C电路，它由连接电网的变压器(Tr2)并联附加电感(L5)，然后串联无极性补偿电容(C5)接地构成，并联型IGBT桥式变换器输出通过变压器(Tr2)与电网连接，串联在电网上的串联补偿变压器(Tr1)降压隔离后接串联型IGBT桥式变换器输出，控制电路包括并联型IGBT桥式变换器控制电路和串联型IGBT桥式变换器控制电路，并联型IGBT桥式变换器控制电路包括电流检测、DSP控制器、PWM脉冲发生器和外围电路，电流检测的信号进入DSP控制器处理后通过控制PWM脉冲发生器产生的脉冲控制并联型IGBT桥式变换器中的IGBT的导通与关断，通过并联型L、C电路补偿电网电流的波动；串联型IGBT桥式变换器控制电路包括电压检测、保护通信电路、DSP控制器、PWM脉冲发生器，电压检测的信号进入DSP控制器处理后通过控制PWM脉冲发生器产生的脉冲控制串联型IGBT桥式变换器中的IGBT的导通与关断，通过串联补偿变压器补偿电网电压的变动，两个控制电路通过双口RAM进行数据交换。
所述变压器(Tr2)的漏感(L7)及电容(C5)容量之间的关系满足关系式n表示谐波次数，ωs是电网角频率，滤除电网里固定的7次谐波，附加电感(L5)和补偿电容(C5)构成5次谐波滤波器。
所述DSP控制器采用美国TI公司的DSP2812控制芯片。
本发明的有益效果在于本发明基于IGBT桥式串、并补电能调节器没有机械开关的切换，也不会产生电弧，因此其工作寿命长，维修量少；由于是采用全控器件IGBT构成的变换器，其响应速度快，可以进行动态电压调节；由于该装置只需补偿系统电压跌落或升高的部分，所以其容量只需系统容量的1/5-1/3，性价比高；由于它采用电流桥式变换器对电网波形进行并联补偿，效率高、补偿效果好，可以替代传统的无源及有源滤波器，并可直接应用于高压电网系统。
图1本发明基于IGBT桥式串、并补电能调节器系统框图； 图2本发明基于IGBT桥式串、并补电能调节器中电网电压下跌补偿特性示意图； 图3本发明基于IGBT桥式串、并补电能调节器中电网电压上升补偿特性示意图； 图4本发明基于IGBT桥式串、并补电能调节器中电网电流畸变补偿示意图。
具体实施例方式 采用EPWM控制策略的基于IGBT桥式串、并补电能调节器的系统框图如图1所示，它主要由主电路和控制电路两部分组成的。主电路由并联型IGBT桥式变换器1、并联型L、C电路2、串联补偿变压器3和串联型IGBT桥式变换器4组成，并联型IGBT桥式变换器1，它由T5、T6、T7、T8四个IGBT，均压电阻R3、R4，储能电解电容C3、C4构成，其主要功能是对电网进行动态谐波补偿，由于并联型IGBT桥式变换器1是通过并联型L、C电路2中的变压器Tr2(其比例系数为k2)与电网连接，因此其不承受谐波电压，可用于高压电网谐波滤除；并联型L、C电路，它由连接电网的变压器Tr2(其比例系数为k2)并联附加电感L5，然后串联无极性补偿电容C5接地构成，其中变压器Tr2的漏感L7及电容C5容量之间的关系应该满足以下关系式n表示谐波次数，ωs是电网角频率，主要功能是滤除电网里固定的7次谐波，附加电感L5、补偿电容C5构成5次谐波滤波器，这样变压器Tr2漏感、附加电感L5、补偿电容C5构成两个无源滤波器。由此可知，基波无功电流被强迫流过附加电感，并联型IGBT桥式变换器只流过谐波电流。由于变压器Tr2漏感、附加电感L5、补偿电容C5构成的无源滤波器被配置为纯调谐，并联型IGBT桥式变换器不承受谐波电压，又由于附加电感与无源滤波器相比基波阻抗小，因此并联型IGBT桥式变换器承受电压很低，所以其容量可以做的很小，而整个系统电压可以做的很高。当并联型IGBT桥式变换器过电流或故障时，借助于快速熔断器，并联型IGBT桥式变换器可以迅速脱离整个系统，而零偏无源滤波器和附加电感组成的无源滤波系统还可以正常工作，不至于对电网造成大的冲击。此外，并联型IGBT桥式变换器可以改善无源滤波器的滤波性能，提高系统整体的抗谐振和治理谐波的能力；第3部分是串联补偿变压器Tr1(其比例系数为k2，即电压u3＝k1u4)，串联在电网上，其功能是降压和隔离，把电网的高压变成串联型IGBT桥式变换器所能承受的电压；第4部分是串联型IGBT桥式变换器，它由T1、T2、T3、T4四个IGBT，均压电阻R1、R2，储能电解电容C1、C2构成，其主要功能是对电网电压波动进行补偿和控制，及时维持负载电压稳定，由于采用最新的IGBT模块及驱动电路，具有体积小，效率高、可靠性高的特点，先进的多重化技术实现整机容量的扩展。控制电路由并联型IGBT桥式变换器控制电路5和串联型IGBT桥式变换器控制电路6组成，，其中并联型IGBT桥式变换器控制电路5，包括电流检测、DSP控制芯片是美国TI公司的DSP2812、PWM脉冲发生器和外围电路，PWM脉冲发生器产生的脉冲用于控制T5、T6、T7、T8四个IGBT的导通与关断。采用基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测技术，实时检测谐波电流，通过瞬时电流跟踪控制，实现谐波电流动态补偿，自动跟踪负载谐波电流变化，具有高度可控性和快速响应性；串联型IGBT桥式变换器控制电路6，包括电压检测、保护通信电路、DSP控制芯片是美国TI公司的DSP2812，自带PWM脉冲发生器，产生的脉冲用于控制T1、T2、T3、T4四个IGBT的导通与关断。特点是DSP高速检测和运算，确保电压检测和补偿控制精确有效；兼具智能监控功能，装置操控灵活，运行参数、工作状态一目了然，故障自动诊断；具备远程通信接口，可通过PC机实时监控。两个控制电路通过双口RAM进行数据交换，相互协调完成控制任务，提高电网电能质量。
基于IGBT桥式串、并补电能调节器的工作原理如下当电网电压波动时，通过对电网输入电压u1进行检测，得到反映电网电压的有效信号uf，将uf与基准参考电压ur进行比较，得到误差电压Δu，然后把这个检测信号送入串联型IGBT桥式变换器的DSP控制器，经过动态电压补偿算法，产生PWM触发脉冲，控制相应IGBT的关断，从而得到对应的电压，再经过升压变压器Tr1进行升压，叠加到电网，抵消电网电压的波动，维持负载电压的稳定。比如当电网电压u1下跌Δu时，则DSP主控制器产生对应的PWM脉冲g1、g2、g3、g4控制T1、T2、T3、T4四个IGBT导通或关断，得到电压u4，通过升压变压器Tr1进行升压得到电压u3，并且此时电压u3的幅值等于电压跌落Δu，相位和电网电压u1同相位，由此可得下列公式成立 (u1-Δu)+u4＝u2 (u1-Δu)+Δu＝u2 u1-Δu+Δu＝u2(1) u1＝u2 由式(1)可知，当电网电压u1下跌Δu时，经过串联型IGBT桥式变换器补偿后，其负载电压依然维持稳定，使其免受电网电压波动的干扰，其具体波形如图2所示电网电压下跌补偿特性示意图。同理可知，当电网电压u1上升Δu时，则DSP主控制器产生对应的PWM脉冲g1、g2、g3、g4控制T1、T2、T3、T4四个IGBT导通或关断，得到电压u4，通过升压变压器Tr1进行升压得到电压u3，并且此时电压u3的幅值等于电压跌落Δu，但相位和电网电压u1相反，由此可得下列公式成立 (u1+Δu)+u4＝u2 (u1+Δu)-Δu＝u2 u1+Δu-Δu＝u2 (2) u1＝u2 由式(2)可知，当电网电压u1上升Δu时，经过串联型IGBT桥式变换器补偿后，其负载电压依然维持稳定，也使其免受电网电压波动的干扰，其具体波形如图3所示电网电压上升补偿特性示意图。而当电网电流波形发生畸变时，补偿功能就由并联型IGBT桥式变换器及L、C无源滤波器完成，其中L、C无源滤波器主要滤除低次谐波，比如5、7次，这里按5次进行设计，而并联型IGBT桥式变换器则滤除高次谐波，发挥其快速补偿特性。其基本工作原理为首先通过电流检测环节检测出系统中的谐波，按照瞬时无功率算法，给出需要补偿谐波的参考值，然后从控制器DSP2812根据该参考值产生相应的脉冲，经过PWM脉冲电路，得到对应的驱动脉冲g5、g6、g7、g8，控制主电路T5、T6、T7、T8四个IGBT导通或关断，产生补偿电流i4跟踪该参考值，起到补偿效果。
由图1可知，根据基尔霍夫定理，可得 i1＝i3+i2 i4＝k2*i3 (3) 假设电网电流发生畸变，并把i1表示为ib，ih，其中ib表示基波分量，ih表示谐波分量。由此可知，要使负载电流i2不含有谐波分量，则i3补偿电流应该为-ih，这样就可以得到下列式子 i1＝i3+i2 ib+ih＝ih+i2 i2＝ib i4＝k2*(-ih) (4) 由式(4)可知，电网电流发生畸变时，只要并联型IGBT桥式变换器的控制器能够准确的检测其谐波含量ih，并控制并联型IGBT桥式变换器产生一个反向的谐波-ih与电网电流进行叠加，就可保证负载电流只含有基波分量ib。其波形示意图如图4所示。
由图4电网电流畸变补偿示意图可知，电网电流波形畸变后，经过并联型IGBT桥式变换器补偿后，负载电流波形近乎正弦，不受电网电流畸变影响。
而当电网电压发生波动、电流也有畸变时，则基于IGBT桥式串、并补电能优化调节器协同工作，各司其责，相互之间数据交换通过双口RAM进行交换，其具体原理及波形示意图可参考图2、3、4，这里就不再赘述。
权利要求
1、一种基于IGBT桥式串、并补电能调节器，其特征在于包括并联型IGBT桥式变换器、并联型L、C电路、串联补偿变压器、串联型IGBT桥式变换器和控制电路，其中并联型L、C电路由连接电网的变压器(Tr2)并联附加电感(L5)，然后串联无极性补偿电容(C5)接地构成，并联型IGBT桥式变换器输出通过变压器(Tr2)与电网连接，串联在电网上的串联补偿变压器(Tr1)降压隔离后接串联型IGBT桥式变换器输出，控制电路包括并联型IGBT桥式变换器控制电路和串联型IGBT桥式变换器控制电路，并联型IGBT桥式变换器控制电路包括电流检测、DSP从控制器、PWM脉冲发生器和外围电路，电流检测的信号进入DSP控制器处理后通过控制PWM脉冲发生器产生的脉冲控制并联型IGBT桥式变换器中的IGBT的导通与关断，通过并联型L、C电路补偿电网电流的波动；串联型IGBT桥式变换器控制电路包括电压检测、保护电路、DSP主控制器、PWM脉冲发生器，电压检测的信号进入DSP主控制器处理后通过控制PWM脉冲发生器产生的脉冲控制串联型IGBT桥式变换器中的IGBT的导通与关断，通过串联补偿变压器补偿电网电压的变动，主、从两个控制电路通过双口RAM进行数据交换，相互协调对电网电能质量进行优化调节。
2、根据权利要求1所述基于IGBT桥式串、并补电能调节器，其特征在于，所述变压器(Tr2)的漏感(L7)及电容(C5)容量之间的关系满足关系式n表示谐波次数，ωs是电网角频率，滤除电网里固定的7次谐波，附加电感(L5)和补偿电容(C5)构成5次谐波滤波器。
全文摘要
本发明涉及一种基于IGBT桥式串、并补电能调节器，是数字信号处理器DSP实时对输入电网电压进行检测，当检测到电压幅值发生变化时，DSP控制器控制电压桥式变换器产生一个相对应的电压对输入电压进行串联补偿，从而自动调节配电网电压，保持负载电压稳定。而当检测到电网电流波形畸变时，DSP控制器控制电流桥式变换器产生一个反向电流对其进行并联补偿，改善其电流波形。因此，基于IGBT桥式串、并补电能优化调节器可以抑制电网电压跌落、上升对电力用户的干扰，又可改善电流波形，真正全方面提高电力系统的电能质量。
文档编号G05F1/30GK101393465SQ20081020183
公开日2009年3月25日 申请日期2008年10月28日 优先权日2008年10月28日
发明者江友华, 曹以龙, 忠 唐 申请人:上海电力学院