专利名称：采用三单相结构的动态电压补偿器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种动态电压补偿器，尤其涉及一种采用三单相结构的动 态电压补偿器。
背景技术：
动态电压补偿器(Dynamic Voltage Restorer , DVR )是一种电压源 型电力电子补偿装置，串接于电源和重要负荷之间。它具有很好的动态性 能，当发生电压暂降或凸起时，能在很短的时间(几个毫秒)内将故障处 电压恢复到正常值。DVR通常由储能装置、逆变装置、滤波装置、串联变 压器构成，其控制电路多由单片机组成。
由图1可见整流模块由三相整流电路实现，其直流侧电压不可控， 难以保证在电压跌落时直流侧电压的稳定；直流储能模块由电容电路实现; 逆变模块采用三相全桥逆变电路实现，在补偿三相不平衡跌落时存在补偿 电压不够精确，无法输出零序电压分量，控制复杂等缺点；装置通过滤波 并网模块接入电网，由于变压器自身产生相移以及衰减，给电压补偿带来 了设计困难，降低了系统的响应速度和补偿效果。检测模块硬件上由电压、 电流传感器组成，用于获得算法中需要的模拟信号量。由于我国电网多采 用三相四线制结构，三相不平衡情况较多，所以传统的DVR结构难以满足 补偿要求。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供了一种采用三单相结构的动态电压 补偿器，旨在解决上述的缺陷。为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的 本发明包括电网的三相交流电压输入到整流模块；所述的整流模块 是采用整流控制环节输出的PWM控制三单相全桥电路;整流模块的直流电 压输出到由直流电容构成的直流储能模块；直流储能模块直流输出到逆变 模块;所述的逆变模块是采用逆变控制环节输出的PWM控制三单相全桥电 路；逆变模块输出到滤波并网模块；所述的滤波并网模块由LC电路构成， 通过电容直接串入电网；检测模块中检测算法对输入的电压电流模拟量信 号，进行处理，得到所需的参考波分量的输出送入逆变器控制环节；
与现有技术相比，本发明的有益效果是彻底解决了三相电压不平衡 的补偿问题；同时也可以进行各单相独立工作，在某一相失效时不影响另 外两相的正常工作。
图1是现有技术中三相全桥DVR模块图； 图2是本发明的模块图； 图3是图2中某一相的模块图； 图4是本发明的整流控制原理图； 图5是本发明的逆变控制原理图； 图6是检测模块中检测算法原理框图； 图7是本发明程序流程图
具体实施例方式
下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步详细描述 由图2、图3可见本发明包括电网的三相交流电压输入到整流模块； 所述的整流模块是采用整流控制环节输出的PWM (脉宽调制技术)控制三 单相全桥电路；整流模块的直流电压输出到由直流电容构成的直流储能模 块；直流储能模块直流输出到逆变模块；所述的逆变模块是采用逆变控制环节输出的PWM控制三单相全桥电路；逆变模块输出到滤波并网模块；所 述的滤波并网模块由LC电路构成，通过电容直接串入电网；检测模块输入 为系统的电压电流模拟量信号，作为参考波分量的输出送入逆变器控制环 节；
所述的整流控制环节输出的PWM (脉宽调制技术)控制三单相全桥电 路，包括A相，控制脉冲分别控制第十一开关管ll、第十二开关管12、 第十三开关管13、第十四开关管14;第十一开关管11、第十二开关管12 为同一桥臂，第十三开关管13、第十四开关管14为同一桥臂；B相，控制 脉冲分别控制第二十一开关管21、第二十二开关管22、第二十三开关管23、 第二十四开关管24;第二十一开关管21、第二十二开关管22为同一桥臂， 第二十三开关管23、第二十四开关管24为同一桥臂；C相，控制脉冲分 别控制第三十一开关管31、第三十二开关管32、第三十三开关管33、第三 十四开关管34;第三十一开关管31、第三十二开关管32为同一桥臂；第 三十三开关管33、第三十四开关管34为同一桥臂；直流侧第一电容C1、 第二电容C2和第三电容C3分别连接与各相桥臂两端，交流进线分别连接 至各桥臂中点；第一开关Kl、第二开关K2和第三开关K3为主电路切换开 关，串联于电网与设备之间；
所述的逆变控制环节输出的PWM控制三单相全桥电路包括A相，控 制脉冲分别控制第四十一开关管41、第四十二开关管42、第四十三开关管 43、第四十四开关管44;第四十一开关管41、第四十二开关管42为同一 桥臂，第四十三开关管43、第四十四开关管44为同一桥臂；B相，控制脉 冲分别控制第五十一开关管51、第五十二开关管52、第五十三开关管53、 第五十四开关管54;第五十一开关管51、第五十二开关管52为同一桥臂， 第五十三开关管53、第五十四开关管54为同一桥臂；C相，控制脉冲分 别控制第六十一开关管61、第六十二开关管62、第六十三开关管63、第六十四开关管64;第六十一开关管61、第六十二开关管62为同一桥臂，第 六十三开关管63、第六十四开关管64为同一桥臂；直流侧第一电容C1、 第二电容C2和第三电容C3分别连接与各相桥臂两端，A相从桥臂中点处引 线至第A电感La，第A电容Ca， B相从桥臂中点处引线至第B电感Lb，第 B电容Cb， C相从桥臂中点处引线至第C电感Lc，第C电容Cc，第A电容 Ca 、第B电容Cb和第C电容Cc串联接入主电路；
检测模块的硬件结构与现有技术相同。
所述的所有开关是IPM作为其开关器件；
本发明中整流模块使用PWM全桥整流，直流侧电压稳定，可以减少 谐波，且保证功率因数接近为l，能量可以双向流动。
由图4可见在整流模块中控制系统由双闭环构成，外环为电压环，
内环为电流环。外环的PI调节器(现有技术PI调节器实际是一个放大系 数可自动调节的放大器，动态时，放大系数较低，是为了防止系统出现超
调与振荡；静态时，放大系数较高，可以蒱捉到小误差信号，提高控制精 度。)输出的信号^乘以与相电压同相的参考正弦波信号，得到与相电压同 相位的正弦指令信号/:，以该信号作为电抗器电流的标准信号，和实际交流 电流信号相比较后产生相电流的误差信号，乘以一个比例系数，再用交流 侧电网电压减去该量，并以此为参考波信号与三角波比较产生各开关器件 的PWM控制信号，最后通过驱动电路对功率器件进行控制，从而使实际交 流输入电流和电压达到同相位，输入功率因数接近l。
逆变模块使用PWM全桥逆变，三相输出相互独立，且可以输出零序 电压分量，对三相不平衡具有良好补偿特性；
由图5可见在逆变模块中控制系统采用电压电流双闭环控制
为了获得更好的负载调节特性和稳定的电压输出，可以对装置的输出 电压进行直接控制，输出电压的瞬时值控制可以通过PI环节调节参考电压和输出电压的瞬时值之差，可以提高响应速度和动态性能，但是仅仅采用 电压瞬时值控制方式对于非线性负载的适应性并不是很好，同时系统的稳 定裕度不高，参数设计相对困难。故考虑再引入电流瞬时值反馈控制方法。 拟采用电压瞬时值外环控制，确保负载电压能快速跟踪参考电压，保证装 置的良好响应速度，将电流局部反馈控制作为内环控制，以提高对参数及 负载的独立性，确保各种负载工况下装置的稳定运行。 已知单相串联逆变器的状态方程为
1
f = 7 ["甲+附sm(w^ )wdc — w0 ] 为开关管两桥臂输出电压。
本发明中检测模块检测到电压波动时，将其储存的电压输入到逆变模
块，得到需要补偿的三相交流电压，通过滤波电路，通过电容与主电路耦 合。
检测模块采用基于瞬时无功功率理论的三相电压检测方法，检测电 压跌落同时检测负载功率因数，具有补偿功率因数和电压跌落的双重特点。 瞬时无功理论突破以平均值为基础的功率定义，系统地定义了瞬时无
功功率、瞬时有功功率等瞬时功率量；通过对三相电路的电流、电压量进
行矩阵变换，从而求得瞬时的有功功率和无功功率。
由图7、图8可见首先电网三相电压"。、^和^进行锁相，将锁相得 到的相位信息，再将该相位的正余弦值送入dqO变换模块，与"。、"6和^进 行矩阵变换后之后求得",、",和"。。其次对负载的电压",。^、",』和",一进 行锁相，再将锁相得到的相位的正余弦值送入dqO变换模块，与/,。。&、 i,。。^和 /,。^进行矩阵变换得到P和Q分量，求出功角伊，再将一^的正余弦值与电 网电压的基准幅值相乘，得到的值分别与 、 进行加减计算，得到的值送入dq0反变换模块，即可得到逆变器所需的参考电压值。
本发明中所有整流，逆变装置都采用IPM作为其开关器件 动态电压恢复器的主要特点是能实现对谐波电压、电压瞬时跌落的动 态补偿。为此要求主电路能够快速、准确的产生补偿电压。目前主电路所 采用的PWM变流器，理论上是理想的补偿电压的发生电路。但在实际应用 中，由于受功率器件工作频率的限制，补偿电压不可能完全跟随指令信号 的变化。为了使补偿电压快速跟随指令信号的变化，必须采用快速的功率 器件。而另一方面，器件的选择还要考虑补偿装置容量的大小。因此使用 的器件需根据其电压和电流等级、开关频率等因素综合考虑。本发明中开 关器件采用智能功率模块(Intelligent Power Module,简称IPM)。智能功 率模块是先进的混合集成功率器件，由高速、低耗的IPM芯片和优化的门极 驱动及保护电路构成，可靠性很高，开关频率高，非常适合应用于动态电 压恢复器。选用IPM时，主要根据实际电路中的电压和电流来选择IPM的额 定电压和电流。考虑到开关时的浪涌电压和裕量，所选用的IPM的额定电压 应大于直流侧电压(可取1.5-2倍)。选用的IPM的额定电流也应考虑1.5-2 倍的裕量。
本发明的三单相结构的特点，可以对三相电压不平衡进行补偿，并具 有各相独立补偿的特点。逆变器输出不受主电路结构的限制，三相主电路 之间相互独立，控制灵活方便。
本发明彻底解决了三相电压不平衡的补偿问题；同时也可以进行各单 相独立工作，在某一相失效时不影响另外两相的正常工作；
采用PWM整流器获得直流电压，具有功率因数高，对电网谐波污染少， 和保证直流侧电压稳定的特点；
LC滤波器使用电容直接并入电网，减少了使用滤波器带来的控制复杂 性，更好提高了输出波形质量；检测算法中，不仅检测了电压跌落，还对负载功率因数进行了检测， 使得装置具有补偿无功，提高功率因数的特点。
权利要求
1.一种采用三单相结构的动态电压补偿器，其特征在于包括电网的三相交流电压输入到整流模块；所述的整流模块是采用整流控制环节输出的PWM控制三单相全桥电路；整流模块的直流电压输出到由直流电容构成的直流储能模块；直流储能模块直流输出到逆变模块；所述的逆变模块是采用逆变控制环节输出的PWM控制三单相全桥电路；逆变模块输出到滤波并网模块；所述的滤波并网模块由LC电路构成，通过电容直接串入电网；检测模块输入为系统的电压电流模拟量信号，作为参考波分量的输出送入逆变器控制环节。
2. 根据权利要求l所述的采用三单相结构的动态电压补偿器，其特征 在于所述的整流控制环节输出的PWM控制三单相全桥电路，包括A相，控制脉冲分别控制第十一开关管(11)、第十二开关管(12)、第十三 开关管(13)、第十四开关管(14);第十一开关管(11)、第十二开关管(12) 为同一桥臂，第十三开关管(13)、第十四开关管(14)为同一桥臂；B相， 控制脉冲分别控制第二十一开关管(21)、第二十二开关管(22)、第二十 三开关管(23)、第二十四开关管(24);第二十一开关管(21)、第二十二 开关管(22)为同一桥臂，第二十三开关管(23)、第二十四开关管(24) 为同一桥臂；C相，控制脉冲分别控制第三十一开关管(31)、第三十二开 关管(32)、第三十三开关管(33)、第三十四开关管(34);第三十一开关 管(31)、第三十二开关管(32)为同一桥臂；第三十三开关管(33)、第 三十四开关管(34)为同一桥臂；直流侧第一电容(Cl)、第二电容(C2) 和第三电容(C3)分别连接与各相桥臂两端，交流进线分别连接至各桥臂 中点；第一开关(Kl)、第二开关(K2)和第三开关(K3)为主电路切换 开关，串联于电网与设备之间。
3. 根据权利要求1所述的采用三单相结构的动态电压补偿器，其特征在于所述的逆变控制环节输出的PWM控制三单相全桥电路包括A相，控制脉冲分别控制第四十一开关管(41)、第四十二开关管(42)、第四十 三开关管(43)、第四十四开关管(44);第四十一开关管(41)、第四十二 开关管(42)为同一桥臂，第四十三开关管(43)、第四十四开关管(44) 为同一桥臂；B相，控制脉冲分别控制第五十一开关管(51)、第五十二开 关管(52)、第五十三开关管(53)、第五十四开关管(54);第五十一开关 管(51)、第五十二开关管(52)为同一桥臂，第五十三开关管(53)、第 五十四开关管(54)为同一桥臂；C相，控制脉冲分别控制第六十一开关 管(61)、第六十二开关管(62)、第六十三开关管(63)、第六十四开关管 (64);第六十一开关管(61)、第六十二开关管(62)为同一桥臂，第六 十三开关管(63)、第六十四开关管(64)为同一桥臂；直流侧第一电容(C1)、 第二电容(C2)和第三电容(C3)分别连接与各相桥臂两端，A相从桥臂中 点处引线至第A电感(La)，第A电容(Ca)， B相从桥臂中点处引线至第B 电感(Lb),第B电容(Cb), C相从桥臂中点处引线至第C电感(Lc)，第 C电容(Cc)，第A电容(Ca)、第B电容(Cb)和第C电容(Cc)串联 接入主电路。
4.根据权利要求2或3所述的采用三单相结构的动态电压补偿器，其 特征在于所述的所有开关是IPM作为其开关器件。
全文摘要
本发明涉及一种采用三单相结构的动态电压补偿器，包括电网的三相交流电压输入到整流模块；所述的整流模块是采用整流控制环节输出的PWM控制三单相全桥电路；整流模块的直流电压输出到由直流电容构成的直流储能模块；直流储能模块直流输出到逆变模块；所述的逆变模块是采用逆变控制环节输出的PWM控制三单相全桥电路；逆变模块输出到滤波并网模块；所述的滤波并网模块由LC电路构成，通过电容直接串入电网；检测模块输入为系统的电压电流模拟量信号，作为参考波分量的输出送入逆变器控制环节；本发明的有益效果是彻底解决了三相电压不平衡的补偿问题；同时也可以进行各单相独立工作，在某一相失效时不影响另外两相的正常工作。
文档编号H02M7/527GK101291057SQ20071003976
公开日2008年10月22日 申请日期2007年4月20日 优先权日2007年4月20日
发明者董祖毅, 陈国栋 申请人:上海输配电股份有限公司