专利名称：一种串联有源交流电压质量调节器及控制方法
技术领域：
本发明属于电工技术领域，特别涉及一种可自适应调整直流侧电压的串联有源交流电压质量调节器及控制方法。
背景技术：
随着现代科学技术的发展，一方面，各种复杂的、精密的、对电能质量敏感的用电设备不断普及，人们对电能质量及可靠性的要求越来越高；另一方面，造成电能质量问题的因素不断增长，上述问题的矛盾愈来愈突出。
电能质量问题大多可以归结为电压质量问题，特别是公共结点的电压质量问题。电网电压存在的各种干扰，如电压升高、跌落、瞬变、谐波等，将导致一些重要负载或对电压质量敏感设备的正常使用、性能降低、寿命缩短，还会造成一些生产设备无法正常运行、甚至损坏，严重的电压质量问题还有可能造成重大事故。
目前，解决电压质量问题的一个传统技术方法是采用交流稳压电源装置。交流稳压电源在工矿企业、国防科研、医疗设备、家用电器等许多方面得到了广泛应用。经过多年发展，交流稳压电源已成为电源技术的一个重要分支。
但是现有的各种交流稳压电源还存在着明显的不足。参数稳压器，它是根据稳压变压器原理构成的。优点稳压范围宽，具有一定的滤波能力；电路简单，可靠性高。缺点负载适应性差、对频率变化敏感、体积大。大功率补偿型稳压器，它主要由补偿变压器及检测控制电路等组成，没有滤波能力。净化型交流稳压器是利用可控硅移相形成可变电感，与主回路其它电感电容一起对正弦能量的储存与释放进行再分配，实现稳压、校正波形和抗干扰的功能。优点效率高、动态响应快、抗干扰能力强，有一定滤波能力。缺点对频率变化很敏感，负载适应能力差。
总结上述各种交流稳压电源的特点，它们的稳压性能都是非常好的，其性能基本上都是由无源参数的调整实现的，因而它们的滤波能力是非常有限的。而且无源参数对频率非常敏感，这就导致上述各种交流稳压电源在电网频率波动的情况下，稳压性能变差且很容易与电网发生谐振，不能正常工作。
电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置、设备等非线性负荷得到广泛的应用，电网中的电压谐波含量越来越高，对电压质量影响日益严重，上述各种交流稳压电源已不能满足目前各种对电压质量敏感负荷的需求。为此，人们提出了许多利用电力电子技术实现的电压质量控制装置。
对于敏感负荷端，解决电压质量问题的一种直接有效措施是在电网和敏感负荷之间加装串联有源电压质量调节器，通过向电网注入补偿电压来保证敏感用户端的电压质量。由于串联装置只需要补偿系统电压的畸变和与额定值相差部分，而大部分能量还是直接由电网提供给负载，所以，通常它们具有更高的效率。目前与此相类似的装置有串联有源电力滤波器、动态电压恢复器及统一电能质量调节器等。串联有源电压质量调节器可以针对负荷侧电压与额定值偏差较大(过压或欠压)、电压波形严重畸变、供电频率出现偏差时用来保证敏感用户侧的供电电压质量，并且能够抑制电网振荡，是一种非常理想的电压质量控制装置。
但是，现有串联有源交流电压质量调节器对直流储能电容器电压有的不控制、有的将其控制为恒定值，不能自动跟随电网电压与额定输出电压之差变化，并通常按最恶劣运行工况——最大缺损电压设计直流侧电压值。而电网处于最恶劣工况的时间概率相对比较小。当系统缺损电压较小时，逆变装置所需输出的补偿电压也较小，逆变器的占空比较小，逆变器的损耗高，其工作效率也就很低。甚至当系统缺损电压为零时，逆变装置也在较高的直流电压下工作，这是非常不合理的。另一方面，直流侧电压较高、逆变器占空比较小时，逆变器工作的死区影响更加严重，进而将影响串联有源交流电压质量调节器的补偿性能。
对于低压配电系统的缓变或稳态电压质量问题，直流侧电压不控制或保持恒定，不能自动跟随电网电压与额定输出电压之差变化是目前串联有源电压质量调节器长期运行工作效率还不够高的主要原因之一。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术不足，提出一种串联有源交流电压质量调节器及控制方法，能够提高其工作效率和补偿性能。
本发明的技术方案是这样实现的一个与电源连接的隔离变压器，隔离变压器的一端与充电及储能装置相连；充电及储能装置与逆变装置的一端相连，逆变装置的另一端与输出滤波装置相连；输出滤波装置一端与逆变装置相连，另一端与电源和负载相连；旁路开关一端与电源相连，另一端与负载相连；控制系统分别与电源、充电及储能装置、逆变装置、输出滤波装置、旁路开关、负载各个部分相连。充电及储能装置由可控硅V1、可控硅V2、可控硅V3、可控硅V4和储能器C组成，充电及储能装置的可控硅V1的阳极与可控硅V2的阴极相连后再与隔离变压器的一个输出端h相连；可控硅V3的阳极与可控硅V4的阴极相连后再与隔离变压器的另一个输出端g相连；可控硅V1的阴极与可控硅V3的阴极相并联后再与电容器C的正极相连；可控硅V2的阳极与可控硅V4的阳极相并联后再与电容器C的负极相连。
所述的充电及储能装置可控硅V1的阳极与二极管VD1的阴极相连后再与单相变压器的输出端相连；可控硅V2的阳极与二极管VD2的阴极相连后再与单相变压器的另一个输出端相连；可控硅V1的阴极与可控硅V2的阴极相并联后再与电容器C的正极相连；二极管VD1的阳极与二极管VD2的阳极相并联后再与电容器C的负极相连。
所述的充电及储能装置可控硅V1的阳极与可控硅V2的阴极相连后再与单相变压器的一个输出端相连；二极管VD1的阳极与二极管VD2的阴极相连后再与单相变压器的另一个输出端相连；可控硅V1的阴极与二极管VD1的阴极相并联后再与电容器C的正极相连；可控硅V2的阳极与二极管VD2的阳极相并联后再与电容器C的负极相连。
所述的充电及储能装置可控硅V0的阳极与可控硅V9的阴极相连后再与三相变压器的一个输出端相连；可控硅V1的阳极与可控硅V2的阴极相连后再与三相变压器的一个输出端相连；可控硅V3的阳极与可控硅V4的阴极相连后再三相变压器的另一个输出端相连；可控硅V0的阴极与可控硅V1的阴极和可控硅V3的阴极相并联后再与电容器C的正极相连；可控硅V9的阳极与可控硅V2的阳极和可控硅V4的阳极相并联后再与电容器C的负极相连。
一种串联有源交流电压质量调节器的控制方法，当电源的电压高于负载所需额定电压时，关闭可控硅V1、可控硅V2、可控硅V3和可控硅V4，此时，储能电容C上的电压由逆变装置根据移相控制器和电源的电压VS形成的电压指令Vref对全控型电力电子器件绝缘栅双极晶体管V5、V6、V7、V8的导通和关断进行脉冲宽度调制控制；当电源的电压低于负载所需额定电压时，通过充电回路控制器对充电及储能装置的可控硅V1、V2、V3和V4触发导通角的控制当电容C上的电压高于设定直流电压时，减少触发导通角；当电容C上的电压低于设定直流电压时，增加触发导通角；当电源的电压低于负载所需额定电压，而负载的功率因数小于时，若电源所能提供的最大有功功率大于负载所需的有功功率和装置本身的各种损耗时，关闭可控硅V1、可控硅V2、可控硅V3和可控硅V4，这时由逆变装置根据移相控制器和电源的电压VS形成的电压指令Vref进行脉冲宽度调制控制，提高电源侧的功率因数，对储能电容C充电，对储能电容C补充有功功率维持逆变装置所需直流电压。
本发明提出可控充电回路的串联有源交流电压质量调节器拓扑结构及其控制方法，可自适应调整逆变器直流侧电压。该拓扑结构配合所发明的控制方法可以对配电系统中的交流电源进行稳压和滤波，提高交流电源的供电电压质量。即使在供电电压频率波动的情况下，该有源交流电压质量控制器也具有较高的稳压能力和滤波性能。
本发明有如下特点(1)对交流电压质量进行调节和控制的充电及储能装置和逆变装置是串联在电源和负载之间，因而仅对引起电压质量问题的偏差进行控制，也就是部分逆变控制，所需要处理的能量小，因而构成交流电压质量控制器的体积小、变换效率高。
(2)充电及储能装置采用了可控的方式，这里采用可控硅V1、V2、V3和V4，可以根据负载所需电压对储能电容C的充电状况和电压进行控制，提高装置效率。
(3)当隔离变压器、充电及储能装置、逆变装置及输出滤波装置中任何一个出现故障，串联有源交流电压质量控制器不能常工作时，控制旁路开关使其闭合，可将电源的能量未经调节直接输出到负载，保证负载的电能不中断。
图1是本发明的一种单相串联有源交流电压质量调节器的拓扑结构图；
图2是本发明的控制系统框图；图3是本发明的一种单相充电及储能装置拓扑结构图；图4是本发明的另一种单相充电及储能装置拓扑结构图；图5是本发明的三相充电及储能装置拓扑结构图；图6是采用单相可控充电回路构成的三相串联有源交流电压质量调节器的拓扑结构图；图7是采用三相可控充电回路构成的三相串联有源交流电压质量调节器的拓扑结构图。
具体实施例方式
参照图1所示，它是由电源1、隔离变压器2、充电及储能装置3、逆变装置4、输出滤波装置5、旁路开关6、负载7及控制系统8组成。隔离变压器2的一端与电源1相连，另一端与充电及储能装置3相连；逆变装置4的一端与充电及储能装置3相连，另一端与输出滤波装置5相连；输出滤波装置5一端与逆变装置4相连，另一端与电源1和负载7相连；旁路开关6一端与电源1相连，另一端与负载7相连；控制系统8与电源1、充电及储能装置3、逆变装置4、输出滤波装置5、旁路开关6、负载7各个部分相连，对上述各部分进行检测、保护和控制。其中，充电及储能装置3由可控硅V1、V2、V3、V4和储能器C组成，可以对充电状况进行控制。充电及储能装置3的可控硅V1的阳极与V2的阴极相连后再与隔离变压器2的一个输出端h相连；可控硅V3的阳极与可控硅V4的阴极相连后再与隔离变压器2的另一个输出端g相连；可控硅V1的阴极与可控硅V3的阴极相并联后再与电容器C的正极相连；可控硅V2的阳极与可控硅V4的阳极相并联后再与电容器C的负极相连。逆变装置4由全控型电力电子器件如绝缘栅双极晶体管(IGBT)V5、V6、V7、V8构成，其内含反并联二极管，其中电容器C的正极与绝缘栅双极晶体管V5和绝缘栅双极晶体管V7的集电极相连，电容器C的负极与绝缘栅双极晶体管V6和绝缘栅双极晶体管V8的发射极相连；绝缘栅双极晶体管V5的发射极与V6的集电极相连后与输出滤波装置5的电感Lf的一端相连；绝缘栅双极晶体管V7的发射极与V8的集电极相连后与输出滤波装置5的电容Cf的一端相连。输出滤波装置5由滤波电感Lf和滤波电容Cf构成，其中滤波电感Lf的一端与绝缘栅双极晶体管V6的集电极相连，另一端与滤波电容Cf的一端相连后再与电源1的一端相连；滤波电容Cf的一端与电源1的一端相连，另一端与绝缘栅双极晶体管V8的集电极和负载7的一端相连。旁路开关6可以是机械开关，如接触器，也可以是快速的电力电子开关，如双向可控硅等，一端与电源相连，另一端与负载7相连。负载7一端与电源1相连，另一端与旁路开关6相连。
图1中的a、b、c、d、e表示电路中的结点。
充电及储能装置3采用了可控的方式，这里采用可控硅V1、V2、V3和V4，可以根据负载所需补偿电压对储能电容C的充电状况进行控制，提高装置效率。当电源1的电压高于负载7所需额定电压时，关闭可控硅V1、V2、V3和V4，此时，储能电容C上的电压由逆变装置4控制。当电源1的电压低于负载7所需额定电压时，通过对充电及储能装置3的控制，对储能电容C补充有功功率，维持储能电容C上逆变装置4所需的直流电压。另外，当电源1的电压低于负载7所需额定电压，而负载7的功率因数小于1时，若电源1所能提供的最大有功功率大于负载7所需的有功功率和装置本身的各种损耗时，也可关闭可控硅V1、V2、V3和V4。这时通过对逆变装置4的控制，适当提高电源1侧的功率因数，可以对储能电容C充电，对储能电容C补充有功功率维持逆变装置4所需直流电压。
该拓扑结构可以根据电源1和负载额定电压之间的电压偏差，通过对逆变装置4和充电及储能装置3的控制，自动调整储能电容C上的直流电压大小，满足对负载7的电压质量补偿控制的目的。也就是根据负载7所需补偿量的大小，自动调整储能电容C上的直流电压大小，满足负载电压质量控制的需要，这样可以大大减小逆变装置4中电力电子器件的开关应力、干扰和噪声，减小装置损耗，提高装置效率。
参照图2所示，由检测的电源电压VS、给定的额定负载电压VN和移相控制器12输出的移相控制信号作为瞬时电压生成器13的输入，其输出是负载瞬时参考电压Vref。负载瞬时参考电压Vref与负载电压VL之差作为调节器14的输入，其输出与电感Lf的电流ILf之差作为调节器15的输入。电源电压VS与负载瞬时参考电压Vref之差形成的前馈信号与调节器15的输出共同构成脉冲宽度调制PWM控制器16的输入信号，控制逆变装置4。脉冲宽度调制PWM控制器16包含控制逆变装置4。脉冲宽度调制PWM控制器16的输出结果再经过滤波与负载回路17得到负载电压VL。
由检测的电源电压VS与负载瞬时参考电压Vref之差作为调节器9的输入，调节器9输出与储能电容C的直流电压VD之差作为调节器10的输入。调节器10的输出分两路，一路作为充电回路控制器11的输入，另一路作为移相控制器12的输入。充电回路控制器11的输出信号对充电及储能装置3的可控硅V1、V2、V3、V4进行控制，调节电容器C的直流电压VD。充电回路控制器11包含充电及储能装置3。移相控制器12的输出可以得到移相控制信号并作为瞬时电压生成器13的一个输入。
控制原理所发明的无耦合变压器的串联有源交流电压质量控制器的控制需要检测的量有电源电压VS(图1中的ab间电压)、负载电压VL(图1中的cb间电压)、电容器C电压VD(图1中的de间电压)、负载电流IL、电感Lf的电流ILf。
系统控制原理如下(1)基本控制方法是通过检测电源电压VS、负载电压VL、电容器C电压VD，由电源电压与负载所需额定参考电压相比较获得所需的补偿电压指令，根据补偿电压指令的大小、正负和电容器C上的电压大小及变化率对的串联有源交流电压质量控制器进行控制。控制系统结构图如图2所示，图中，VN为给定的额定负载电压有效值，如220V。
(2)由电源电压VS、给定额定负载电压VL和移相控制器12输出的移相控制信号在瞬时电压生成器13中形成负载瞬时参考电压Vref，调节器14、调节器15和电源电压VS与负载瞬时参考电压Vref之差形成的前馈信号共同构成对逆变装置4控制所需的PWM(脉冲宽度调制)控制器16的控制信号，再经过滤波与负载回路17得到负载电压VL。负载电压VL与电感Lf的电流ILf构成双闭环控制，负载电压VL为外环，电感Lf的电流ILf为内环。
(3)电源电压VS和负载瞬时参考电压Vref之差经过调节器9形成电容器C的直流参考电压，该直流参考电压将会随电源电压VS的变化而变化，为保证电压质量控制器装置的性能提供合适的直流电压值。根据直流电容器C的变化，调节器10既可以控制移相控制器12，也可以控制充电回路控制器11对充电及储能装置3的可控硅进行控制。
(4)控制系统还包括保护、驱动、隔离电路等电路。
对于图1所示的充电及储能装置3还可采用图3和图4所示的单相可控充电方式，图中VD1、VD2为二极管。
参照图3所示，可控硅V1的阳极与二极管VD1的阴极相连后再与单相变压器2的一个输出端h相连；可控硅V2的阳极与二极管VD2的阴极相连后再与单相变压器2的另一个输出端g相连；可控硅V1的阴极与可控硅V2的阴极相并联后再与电容器C的正极相连；二极管VD1的阳极与二极管VD2的阳极相并联后再与电容器C的负极相连。
参照图4所示，可控硅V1的阳极与可控硅V2的阴极相连后再与单相变压器2的一个输出端h相连；二极管VD1的阳极与二极管VD2的阴极相连后再与单相变压器2的另一个输出端g相连；可控硅V1的阴极与二极管VD1的阴极相并联后再与电容器C的正极相连；可控硅V2的阳极与二极管VD2的阳极相并联后再与电容器C的负极相连。
在三相电源系统中，图1所示的充电及储能装置3也可采用图5所示的三相可控充电方式，图中V0、V9也为可控硅。
参照图5所示，可控硅V0的阳极与可控硅V9的阴极相连后再与三相变压器的一个输出端f相连；可控硅V1的阳极与可控硅V2的阴极相连后再与三相变压器的一个输出端g相连；可控硅V3的阳极与可控硅V4的阴极相连后再三相变压器的另一个输出端h相连；可控硅V0的阴极与可控硅V1的阴极和可控硅V3的阴极相并联后再与电容器C的正极相连；可控硅V9的阳极与可控硅V2的阳极和可控硅V4的阳极相并联后再与电容器C的负极相连。
参照图6所示，由三个图1所示的单相基本电路拓扑结构分别与三相电源相连就可以构成低压配电系统用的三相四线制系统，控制系统也是采用三套图2所示的控制系统，对三相系统分别独立控制。其中，VSA、VSB、VSC分别是三相电源；T1、T2、T3是单相变压器；V11、V21、V31、V41、V12、V22、V32、V42、V13、V23、V33、V43是可控硅；V51、V61、V71、V81、V52、V62、V72、V82、V53、V63、V73、V83是绝缘栅双极晶体管；C1、C2、C3是储能电容；Lf1、Lf2、Lf3是滤波电感；Cf1、Cf2、Cf3是滤波电容；K1、K2、K3是旁路开关；ZLA、ZLB、ZLC分别是三相负载。
参照图7所示，采用了三相变压器和三相可控充电方式，其他结构同图6。对于三相电源系统，当图1中所示的充电及储能装置3采用图5所示的三相可控充电方式时，所构成低压配电系统用的三相串联有源交流电压质量调节器如图7所示。控制系统也采用三套图2所示的控制系统，对三相系统分别独立控制。其中，VSA、VSB、VSC分别是三相电源；T11、T22、T33是三相变压器；V11、V21、V31、V41、V01、V91、V12、V22、V32、V42、V02、V92、V13、V23、V33、V43、V03、V93是可控硅；V51、V61、V71、V81、V52、V62、V72、V82、V53、V63、V73、V83是绝缘栅双极晶体管；C1、C2、C3是储能电容；Lf1、Lf2、Lf3是滤波电感；Cf1、Cf2、Cf3是滤波电容；K1、K2、K3是旁路开关；ZLA、ZLB、ZLC分别是三相负载。
权利要求
1.一种串联有源交流电压质量调节器，包括，一个与电源(1)连接的隔离变压器(2)，隔离变压器(2)的一绕组与充电及储能装置(3)相连；充电及储能装置(3)与逆变装置(4)的一端相连，逆变装置(4)的另一端与输出滤波装置(5)相连；输出滤波装置(5)一端与逆变装置(4)相连，另一端与电源(1)和负载(7)相连；旁路开关(6)一端与电源(1)相连，另一端与负载(7)相连；控制系统(8)分别与电源(1)、充电及储能装置(3)、逆变装置(4)、输出滤波装置(5)、旁路开关(6)、负载(7)各个部分相连，其特征在于，所述的充电及储能装置(3)由可控硅(V1)、可控硅(V2)、可控硅(V3)、可控硅(V4)和储能器(C)组成，充电及储能装置(3)的可控硅(V1)的阳极与可控硅(V2)的阴极相连后再与隔离变压器(2)的一个输出端相连；可控硅(V3)的阳极与可控硅(V4)的阴极相连后再与隔离变压器(2)的另一个输出端相连；可控硅(V1)的阴极与可控硅(V3)的阴极相并联后再与电容器(C)的正极相连；可控硅(V2)的阳极与可控硅(V4)的阳极相并联后再与电容器(C)的负极相连。
2.根据权利要求1所述的一种串联有源交流电压质量调节器，其特征在于，所述的充电及储能装置(3)可控硅(V1)的阳极与二极管(VD1)的阴极相连后再与单相变压器(2)的输出端相连；可控硅(V2)的阳极与二极管(VD2)的阴极相连后再与单相变压器(2)的另一个输出端相连；可控硅(V1)的阴极与可控硅(V2)的阴极相并联后再与电容器(C)的正极相连；二极管(VD1)的阳极与二极管(VD2)的阳极相并联后再与电容器(C)的负极相连。
3.根据权利要求1所述的一种串联有源交流电压质量调节器，其特征在于，所述的充电及储能装置(3)可控硅(V1)的阳极与可控硅(V2)的阴极相连后再与单相变压器(2)的一个输出端相连；二极管(VD1)的阳极与二极管(VD2)的阴极相连后再与单相变压器(2)的另一个输出端相连；可控硅(V1)的阴极与二极管(VD1)的阴极相并联后再与电容器(C)的正极相连；可控硅(V2)的阳极与二极管(VD2)的阳极相并联后再与电容器(C)的负极相连。
4.根据权利要求1所述的一种串联有源交流电压质量调节器，其特征在于，所述的充电及储能装置(3)可控硅(V0)的阳极与可控硅(V9)的阴极相连后再与三相变压器的一个输出端相连；可控硅(V1)的阳极与可控硅(V2)的阴极相连后再与三相变压器的一个输出端相连；可控硅(V3)的阳极与可控硅(V4)的阴极相连后再三相变压器的另一个输出端相连；可控硅(V0)的阴极与可控硅(V1)的阴极和可控硅(V3)的阴极相并联后再与电容器(C)的正极相连；可控硅(V9)的阳极与可控硅(V2)的阳极和可控硅(V4)的阳极相并联后再与电容器(C)的负极相连。
5.一种实现权利要求1所述的串联有源交流电压质量调节器的控制方法，其特征在于，包括下列步骤当电源(1)的电压高于负载(7)所需额定电压时，关闭可控硅(V1)、可控硅(V2)、可控硅(V3)和可控硅(V4)，此时，储能电容(C)上的电压由逆变装置(4)根据移相控制器(12)和电源(1)的电压(VS)形成的电压指令(Vref)对全控型电力电子器件绝缘栅双极晶体管(V5)、(V6)、(V7)、(V8)的导通和关断进行脉冲宽度调制控制；当电源(1)的电压低于负载(7)所需额定电压时，通过充电回路控制器(11)对充电及储能装置(3)的可控硅(V1)、(V2)、(V3)和(V4)触发导通角的控制当电容(C)上的电压高于设定直流电压时，减少触发导通角；当电容(C)上的电压低于设定直流电压时，增加触发导通角；当电源(1)的电压低于负载(7)所需额定电压，而负载(7)的功率因数小于1时，若电源(1)所能提供的最大有功功率大于负载(7)所需的有功功率和装置本身的各种损耗时，关闭可控硅(V1)、可控硅(V2)、可控硅(V3)和可控硅(V4)，这时由逆变装置(4)根据移相控制器(12)和电源(1)的电压(VS)形成的电压指令(Vref)进行脉冲宽度调制控制，提高电源(1)侧的功率因数，对储能电容(C)充电，对储能电容(C)补充有功功率维持逆变装置(4)所需直流电压。
全文摘要
本发明公开了一种串联有源交流电压质量调节器及控制方法，其中充电及储能装置由可控硅V1的阳极与可控硅V2的阴极相连后再与隔离变压器2的一个输出端相连；可控硅V3的阳极与可控硅V4的阴极相连后再与隔离变压器2的另一个输出端相连；可控硅V1的阴极与可控硅V3的阴极相并联后再与电容器C的正极相连；可控硅V2的阳极与可控硅V4的阳极相并联后再与电容器C的负极相连组成。本发明可自适应调整逆变器直流侧电压。可以对配电系统中的交流电源进行稳压和滤波，提高交流电源的供电电压质量，即使在供电电压频率波动的情况下，该有源交流电压质量控制器也具有较高的稳压能力和滤波性能。
文档编号H02M5/451GK1862906SQ20061004291
公开日2006年11月15日 申请日期2006年6月1日 优先权日2006年6月1日
发明者肖国春, 王兆安, 卓放 申请人:西安交通大学