专利名称：一种新结构的单相电能质量控制器和三相电能质量控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电能质量控制器，尤其涉及一种新结构的单相电能质量控制器和 三相电能质量控制器。
背景技术：
在电力系统中，系统故障、雷击、非线性负荷、冲击性负荷等多种因素会造成电网 电压、电流、频率出现非理想正弦的现象，导致一些敏感用电设备工作异常，产生电能质量 问题。目前，随着非线性大功率电力负荷种类和容量的增多，比如大功率整流装置、磁饱和 装置等，电力系统的电能质量更容易恶化。而诸如机器人、计算机、微处理器控制的自动化 设备的抗电磁干扰的能力却在下降，并且数量也在大量增加，导致电网与用电设备间的电 能质量问题更加突出。一些电能质量问题可用适当的电力电子装置来解决，如动态电压补偿器(DVR)、有 源电力滤波器(APFC)、串并联统一电能质量调节器(Unified Power Quality Controller ，电能质量调节器，简称“UPQC”)等。然而，动态电压补偿器仅改善供电电压质量问题，无法 补偿负载电流谐波。有源电力滤波器仅改善负载电流质量问题，无法改善供电电压质量；传 统的串并联统一电能质量调节器虽可对电压质量问题、电流质量问题同时改善，但其需要 在电源线上串入一个工频变压器，导致体积大、重量大。
发明内容
本发明解决的技术问题是构建一种新结构的单相电能质量控制器和三相电能质 量控制器，克服现有技术不能低成本地同时改善电压质量、电流质量的技术问题。本发明的技术方案是构建一种新结构的单相电能质量控制器，包括双向功率半 导体开关、负载侧逆变器、电网侧逆变器、连接负载的第一低通滤波器、连接电网的第二低 通滤波器，所述负载侧逆变器包括逆变桥开关管，所述负载侧逆变器由两个所述逆变桥开 关管顺序串接，所述电网侧逆变器包括逆变桥开关管，所述电网侧逆变器由两个所述逆变 桥开关管顺序串接，在电网和负载之间串接所述双向功率半导体开关和所述第一低通滤波 器，所述负载侧逆变器两个逆变桥开关管的连接点连接所述双向功率半导体开关与所述第 一低通滤波器之间的连接点，所述电网侧逆变器的两个逆变桥开关管连接点串接所述第二 低通滤波器后连接至电网。本发明的进一步技术方案是所述双向功率半导体开关为绝缘栅双极性晶体管 (IGBT)、门极可关断晶闸管(GTO)、集成门极换向晶闸管(IGCT)、MOSFET等中的任何一种。本发明的进一步技术方案是所述负载侧逆变器和所述电网侧逆变器中的逆变 桥开关管为绝缘栅双极性晶体管(IGBT)、门极可关断晶闸管(GT0)、集成门极换向晶闸管 (IGCT)、MOSFET等中的任何一种。本发明的进一步技术方案是所述双向功率半导体开关和负载侧逆变器基于
4伏·秒等效原则确定各自在一个周期内的导通时间，双向功率半导体开关的导通时间由公 式(1)确定
η _ U0 sm(饭 + 勻 土 Ud τ “Ux sm(M+e)±Ud⑴
式中，D—双向功率半导体开关的导通时间，S ； Utl+电网额定电压值，V ； Um_电网实际电压幅值，V ； Ud—直流母线电压，V; ω—电网频率，Hz ； T一逆变桥开关管的周期，S ；
式中电网电压暂降负半周和电压暂升正半周时，士号取正；电压暂降负半周和电压暂 升正半周时，士号取负。本发明的进一步技术方案是所述双向功率半导体开关和所述负载侧逆变器基于 伏·秒等效原则确定序列即所述双向功率半导体与所述负载侧逆变桥互补导通，所述双 向功率半导体开关导通D时间内所述逆变桥开关管关断，随后，所述逆变桥开关管导通T-D 时间内所述双向功率半导体开关关断，其中，T为所述逆变桥开关管的周期。本发明的进一步技术方案是所述电网侧逆变器利用瞬时无功理论实时检测出所 述双向功率半导体开关中的谐波电流，该电流作为指令与第二低通滤波器电感中的实际电 流进行滞环比较，确定出所述电网侧逆变器中各开关管的通断时间和顺序，所述电网侧逆 变器输出的电压使电感电流快速跟随指令电流而变化；该电感电流注入到电网中，与所述 双向功率半导体开关中的谐波电流相互抵消，使整个电能质量控制器从电网中抽取的电流 为低谐波成分电流。本发明的进一步技术方案是所述低通滤波器由串联滤波电感和并联直流电容连 接而成。本发明的技术方案是构建一种三相电能质量控制器，所述三相电能质量控制器 由三个所述新结构的单相电能质量控制器按三相分别接在电网三相火线和三相负载之间。本发明的技术方案是构建一种三相电能质量控制器，包括双向功率半导体开 关、负载侧逆变器、电网侧逆变器、连接负载的第一低通滤波器、连接电网的第二低通滤波 器，所述负载侧逆变器包括逆变桥开关管，所述负载侧逆变器由两个所述逆变桥开关管顺 序串接，所述电网侧逆变器包括逆变桥开关管，所述电网侧逆变器由两个所述逆变桥开关 管顺序串接，在电网和负载之间三相中的一相之间串接所述双向功率半导体开关和所述第 一低通滤波器，所述负载侧逆变器的两个逆变桥开关管的连接点连接电网和负载之间三相 中的一相中所述双向功率半导体开关和所述第一低通滤波器之间的连接点，所述电网侧逆 变器的两个逆变桥开关管的连接点连接电网和负载之间三相中的一相中的所述第二低通 滤器后连接电网，所述负载侧逆变器及第一低通滤波器的数目与电网和负载的相数一致。本发明的技术效果是本发明的新结构的单相电能质量控制器和三相电能质量控 制器，所述负载侧逆变器包括逆变桥开关管，所述负载侧逆变器由两个所述逆变桥开关管 顺序串接，所述电网侧逆变器包括逆变桥开关管，所述电网侧逆变器由两个所述逆变桥开 关管顺序串接，在电网和负载之间串接所述双向功率半导体开关和所述第一低通滤波器，
5所述负载侧逆变器的两个逆变桥开关管的连接点连接所述双向功率半导体开关和所述第 一低通滤波器之间的连接点，所述电网侧逆变器的两个逆变桥开关管连接点串接所述第二 低通滤器后连接电网。本发明提出的电能质量控制器利用双向半导体功率开关替代了串联 变压器，不仅具有同时改善电压质量、电流质量的功能，而且结构简单、重量轻。
图1为本发明新结构的单相电能质量控制器的电路图。图2为本发明三相统一电能质量控制器的一种电路图。图3为本发明三相统一电能质量控制器的另一种电路图。图4为本发明的不等幅PWM控制的调制输出波形。
具体实施例方式下面结合具体实施例，对本发明技术方案进一步说明。如图1所示，本发明的具体实施方式
是本发明一种新结构的单相电能质量控制 器，包括双向功率半导体开关Si、负载侧逆变器(S2、S3)、电网侧逆变器(S4、S5)、连接负载 的第一低通滤波器(Li、Cl)、连接电网的第二低通滤波器(L2、C2)，所述负载侧逆变器(S2、 S3)包括逆变桥开关管S2和逆变桥开关管S3，所述负载侧逆变器(S2、S3)由逆变桥开关管 S2和逆变桥开关管S3顺序串接，所述电网侧逆变器(S4、S5)包括逆变桥开关管S4和S5， 所述电网侧逆变器(S4、S5)由逆变桥开关管S4和逆变桥开关管S5顺序串接，在电网和负 载之间串接所述双向功率半导体开关Sl和所述第一低通滤波器(Li、Cl)，所述负载侧逆变 器(S2、S3)的逆变桥开关管S2和逆变桥开关管S3之间的连接点连接所述双向功率半导体 开关Sl与所述第一低通滤波器(L1、C1)之间的连接点后输出给负载Z1，所述电网侧逆变器 (S4、S5)的逆变桥开关管S4和逆变桥开关管S5之间的连接点串接所述第二低通滤器(L2、 C2)后连接至电网Uc0本发明的优选实施方式是所述双向功率半导体开关为绝缘栅双极性晶体管 (IGBT)、门极可关断晶闸管(GT0)、集成门极换向晶闸管(IGCT)、M0SFET等中的任何一种； 所述负载侧逆变器和所述电网侧逆变器中的逆变桥开关管为绝缘栅双极性晶体管(IGBT)、 门极可关断晶闸管(GT0)、集成门极换向晶闸管(IGCT)、M0SFET等中的任何一种；所述低通 滤波器由滤波电感和直流电容构成。本发明的优选实施方式是所述双向功率半导体开关和负载侧逆变器基于伏·秒 等效原则确定各自在一个周期内的导通时间(式中正半周为正，负半周为负)，双向功率半 导体开关的导通时间由公式(1)确定
权利要求
1.一种新结构的单相电能质量控制器，其特征在于，包括双向功率半导体开关、负载 侧逆变器、电网侧逆变器、连接负载的第一低通滤波器、连接电网的第二低通滤波器，所述 负载侧逆变器包括逆变桥开关管，所述负载侧逆变器由两个所述逆变桥开关管顺序串接， 所述电网侧逆变器包括逆变桥开关管，所述电网侧逆变器由两个所述逆变桥开关管顺序串 接，在电网和负载之间串接所述双向功率半导体开关和所述第一低通滤波器，所述负载侧 逆变器两个逆变桥开关管的连接点连接所述双向功率半导体开关与所述第一低通滤波器 之间的连接点，所述电网侧逆变器的两个逆变桥开关管连接点串接所述第二低通滤波器后 连接至电网。
2.根据权利要求1所述新结构的单相电能质量控制器，其特征在于，所述双向功率半 导体开关为绝缘栅双极性晶体管(IGBT)、门极可关断晶闸管(GT0)、集成门极换向晶闸管 (IGCT)、MOSFET等中的任何一种。
3.根据权利要求1所述新结构的单相电能质量控制器，其特征在于，所述负载侧逆变 器和所述电网侧逆变器中的逆变桥开关管为绝缘栅双极性晶体管(IGBT)、门极可关断晶闸 管(GTO)、集成门极换向晶闸管(IGCT)、MOSFET中的任何一种。
4.根据权利要求1所述新结构的单相电能质量控制器，其特征在于，所述双向功率半 导体开关和负载侧逆变器基于伏·秒等效原则确定各自在一个周期内的导通时间，双向功 率半导体开关的导通时间由以下公式确定
5.根据权利要求1所述新结构的单相电能质量控制器，其特征在于，所述双向功率 半导体开关和所述负载侧逆变器基于伏·秒等效原则确定序列即所述双向功率半导体与 所述负载侧逆变桥互补导通，所述双向功率半导体开关导通D时间内所述逆变桥开关管关 断，随后，所述逆变桥开关管导通T-D时间内所述双向功率半导体开关关断，其中，T为所述 逆变桥开关管的周期。
6.根据权利要求1所述新结构的单相电能质量控制器，其特征在于，所述电网侧逆变 器利用瞬时无功理论实时检测出所述双向功率半导体开关中的谐波电流，该电流作为指令 与第二低通滤波器电感中的实际电流进行滞环比较，确定出所述电网侧逆变器中各开关管 的通断时间和顺序，所述电网侧逆变器输出的电压使电感电流快速跟随指令电流而变化； 该电感电流注入到电网中，与所述双向功率半导体开关中的谐波电流相互抵消，使整个电 能质量控制器从电网中抽取的电流为低谐波成分电流。
7.根据权利要求1所述新结构的单相电能质量控制器，其特征在于，所述低通滤波器 由串联滤波电感和并联直流电容连接而成。
8.一种应用上述任一权利要求所述新结构的单相电能质量控制器的三相电能质量控 制器，其特征在于，三个所述新结构的单相电能质量控制器按三相分别接在电网三相火线 和三相负载之间。
9.一种应该权利要求1至7中任一权利要求所述新结构的单相电能质量控制器的三相 电能质量控制器，其特征在于，包括双向功率半导体开关、负载侧逆变器、电网侧逆变器、 连接负载的第一低通滤波器、连接电网的第二低通滤波器，所述负载侧逆变器包括逆变桥 开关管，所述负载侧逆变器由两个所述逆变桥开关管正向串接，所述电网侧逆变器包括逆 变桥开关管，所述电网侧逆变器由两个所述逆变桥开关管正向串接，在电网和负载之间三 相中的一相之间串接所述双向功率半导体开关和所述第一低通滤波器，所述负载侧逆变器 的两个逆变桥开关管的连接点连接电网和负载之间三相中的一相中所述双向功率半导体 开关和所述第一低通滤波器之间的连接点，所述电网侧逆变器的两个逆变桥开关管的连接 点连接电网和负载之间三相中的一相中的所述第二低通滤器后连接电网，所述负载侧逆变 器和所述电网侧逆变器的数目与电网和负载的相数一致。
全文摘要
本发明涉及一种新结构的单相电能质量控制器和三相电能质量控制器，所述新结构的单相电能质量控制器中，所述负载侧逆变器包括逆变桥开关管，所述负载侧逆变器由两个所述逆变桥开关管顺序串接，所述电网侧逆变器包括逆变桥开关管，所述电网侧逆变器由两个所述逆变桥开关管顺序串接，在电网和负载之间串接所述双向功率半导体开关和所述第一低通滤波器，所述负载侧逆变器两个逆变桥开关管的连接点连接所述双向功率半导体开关与所述第一低通滤波器之间的连接点，所述电网侧逆变器的两个逆变桥开关管的连接点串接所述第二低通滤器后连接至电网。本发明提出的电能质量控制器利用双向半导体功率开关替代了串联变压器，不仅具有同时改善电压质量、电流质量的功能，而且结构简单、重量轻。
文档编号H02J3/01GK102064552SQ201010573519
公开日2011年5月18日 申请日期2010年12月3日 优先权日2010年12月3日
发明者和军平, 延汇文 申请人:哈尔滨工业大学深圳研究生院