带旁路快切功能的逆变模块、动态电压补偿装置及方法与流程

本发明涉及电网电压补偿领域，尤其涉及一种带旁路快切功能的逆变模块、动态电压补偿装置及方法。

背景技术：

动态电压补偿装置与电网串联对负载供电，进行电压暂降、暂升补偿时，需要保证任何情况下负载不能断电，当动态电压补偿装置在进行电压补偿时发生系统故障时，补偿装置必须由补偿状态快速切换至旁路状态以短路主回路串联变压器，避免逆变器开路等故障导致负载掉电。

动态电压补偿装置旁路通常由电子旁路(半控型或全控型器件，如晶闸管)与机械旁路(接触器或断路器等开关器件)并联构成，电子旁路用于实现逆变器与旁路之间快速切换，机械旁路用于保证任何情况下系统不断电以及补偿装置处于故障状态时降低线路损耗。通常，采用独立旁路方案时，在装置容量较大或扩容的情况下，电子旁路与机械旁路的容量需要同步进行扩容而重新开发设计，导致开发的工作量与成本增加；采用分散旁路方案时，能够灵活配置单元旁路模块以满足不同的机型容量，但存在如下问题：

首先，由旁路晶闸管工作模式切换至逆变模式时，通常逆变器需要控制晶闸管关断后再进行正常逆变，存在晶闸管关断时间长的问题，通常需要达到2ms～3ms，甚至更长，导致旁路与逆变切换总时间增大，基本上无法满足切换时间小于1ms需求。

其次，旁路模块的并联存在不均流问题，通常需要在旁路回路串联独立均流电感或者采用旁路调制方式进行均流控制，成本高，控制复杂；

再次，随着工作电流的增大，市场上难以找到大电流常闭型接触器，同时，大电流常闭型接触器通常需要根据需求进行定制，成本高，体积大。采用大电流常开型接触器易导致动态电压补偿装置在上电启动、旁路故障及补偿装置掉电时出现旁路断开以致敏感负载掉电，可靠性低。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种带旁路快切功能的逆变模块、动态电压补偿装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种带旁路快切功能的逆变模块，适用于动态电压补偿装置，所述逆变模块包括三电平逆变电路以及与所述三电平逆变电路的三相输出分别一一对应连接的三相旁路，每一相旁路包括相互并联的机械旁路和电子旁路；

当电网电压正常且负载正常时，所述逆变模块切换到如下的零电平旁路模式：三电平逆变电路保持在零电平状态，机械旁路和电子旁路均断开。

优选地，所述逆变模块还包括相互串接的多个直流电容，所述三电平逆变电路包括三相逆变桥，每一相逆变桥的两个桥臂的连接点先后经由电感和电容连接所述多个直流电容的中点，所述旁路连接于所述中点和所述电感的中间触头之间。

优选地，所述机械旁路采用的是大电流常闭型磁保持继电器。

优选地，当出现逆变故障或者电网出现长时间负载过载时，所述逆变模块切换到如下的电子旁路模式：三电平逆变电路保持断开状态，电子旁路导通，机械旁路断开；

当电网出现逆变需求时，所述逆变模块切换到如下的逆变模式：三电平逆变电路工作于逆变状态，机械旁路和电子旁路均断开；

当所述补偿装置出现系统故障时，所述逆变模块切换到如下的机械旁路模式：三电平逆变电路保持断开状态，电子旁路断开，机械旁路导通。

优选地，当逆变模块工作于逆变模式时，若出现系统故障，所述逆变模块首先过渡到电子旁路模式，再由电子旁路模式转换到机械旁路模式。

优选地，当逆变模块工作于机械旁路模式时，若系统故障消除，所述逆变模块首先过渡到电子旁路模式。

本发明另一方面还构造了一种动态电压补偿装置，包括整流模块和逆变模块，所述整流模块的输入连接电网与变压器的原边之间，所述逆变模块的输出与所述变压器的副边连接，所述逆变模块采用如前任一项所述的逆变模块。

本发明另一方面还构造了一种旁路快切方法，所述方法包括：

当电网电压正常且负载正常时，所述逆变模块切换到如下的零电平旁路模式：三电平逆变电路保持在零电平状态，机械旁路和电子旁路均断开。

当出现逆变故障或者电网出现长时间负载过载时，所述逆变模块切换到如下的电子旁路模式：三电平逆变电路保持断开状态，电子旁路导通，机械旁路断开；

当电网出现逆变需求时，所述逆变模块切换到如下的逆变模式：三电平逆变电路工作于逆变状态，机械旁路和电子旁路均断开；

当所述补偿装置出现系统故障时，所述逆变模块切换到如下的机械旁路模式：三电平逆变电路保持断开状态，电子旁路断开，机械旁路导通。

优选地，当逆变模块工作于逆变模式时，若出现系统故障，所述逆变模块首先过渡到电子旁路模式，再由电子旁路模式转换到机械旁路模式；当逆变模块工作于机械旁路模式时，若系统故障消除，所述逆变模块首先过渡到电子旁路模式。

本发明的带旁路快切功能的逆变模块、动态电压补偿装置及方法，具有以下有益效果：本发明逆变模块包括三电平逆变电路，当电网电压正常且负载正常时，所述逆变模块切换到如下的零电平旁路模式，在此种模式下三电平逆变电路保持在零电平状态，机械旁路和电子旁路均断开，如此实现在电网电压正常、额定负载情况下实现逆变与旁路的快速切换，实现切换时间达到μs级；

进一步地，为了改善现有方案的不足，本发明将电子旁路和机械旁路集成到逆变模块中，且连接于电感的中间触头和中点之间，相当于实现了旁路均流电感与逆变高频电感的集成，实现旁路并联均流；

更进一步地，采用大电流常闭型磁保持继电器替换大电流常闭型接触器以达到降低旁路开发成本、提高功率密度的作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图：

图1是本发明动态电压补偿装置的原理图；

图2是旁路开路故障失效原理示意图；

图3是6路常闭型大电流磁保持继电器并联示意图；

图4是逆变模式的电路原理图；

图5是电子旁路模式的电路原理图；

图6是零电平旁路模式的电路原理图；

图7是机械旁路模式的电路原理图；

图8是四种模式的切换原理图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的典型实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。所述“相连”或“连接”，不仅仅包括将两个实体直接相连，也包括通过具有有益改善效果的其他实体间接相连。

参考图1，动态电压补偿装置包括整流模块和逆变模块，所述整流模块的输入连接电网与变压器的原边之间，所述逆变模块的输出与所述变压器的副边连接。可以理解的是，电网是三相的，图中单相示意图，动态补偿装置为三相系统，因变压器采用iii-iii联结方式，每相皆与图1一致。

其中，所述逆变模块包括三电平逆变电路、相互串接的多个直流电容c1和c2、与所述三电平逆变电路的三相输出分别一一对应连接的三相旁路，每一相旁路包括相互并联的机械旁路和电子旁路。可以理解的是，并联的电子旁路、机械旁路的数量不限于一个，比如可以并联多个机械旁路。其中，电子旁路可以采用半控型或全控型器件，如晶闸管。机械旁路可以采用接触器或断路器等开关器件。

整流模块主要是实时保证母线电压的稳定，并在供电正常时，根据负载电流情况进行无功与谐波电流补偿。逆变模块的基本功能是用于电网暂降、暂升事件发生时，根据电网电压实时调节输出电压，实现稳压功能。变压器串联在电网与负载之间，用于实现逆变输出电压转换以进行电压补偿，能够有效降低逆变损耗，且电压变换灵活，变压器采用三个单相隔离变压器实现iii-iii联结方式，能够实现包含零序电压分量的单相、三相电压补偿，适用工况广泛。

动态电压补偿装置检测到电网正常时，是通过电子旁路导通，将变压器短路直接对负载提供电能，整流模块根据负载电流进行无功与谐波电流补偿；当动态电压补偿装置检测到电网异常时，电子旁路断开，由整流模块整流，逆变模块根据补偿电压量进行逆变输出，经过变压器为负载稳定供电，这也是逆变模块的基本功能；当动态电压补偿装置系统故障(整流故障、旁路故障等)时，则整流、逆变模块暂停运行，动态电压补偿装置通过电子旁路快速切换至旁路状态并自动闭合机械旁路开关以短路变压器，保证负载不因动态电压补偿装置故障而断电。

既有的动态电压补偿装置的电子旁路和机械旁路是直接与变压器副边并联的，存在不均流问题，为了改善此不足，本发明将电子旁路和机械旁路集成到逆变模块中，利用逆变模块中的电感实现旁路均流。具体来说，所述三电平逆变电路包括三相逆变桥，本实施例的三电平逆变电路的三相逆变桥都是采用绝缘栅门极晶体管(igbt)或金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)，图1中仅示意了其中一相逆变桥，每一相逆变桥的两个桥臂的连接点先后经由电感l和电容cr连接电容c1、c2的中点，晶闸管q0与继电器s0构成的旁路连接于电容c1、c2的中点n和电感l的中间触头之间，如此电感l相当于分为l1和l2，其中的l2作为旁路的均流电感。可见，本实施例相当于实现了旁路均流电感与逆变高频电感的集成，电感l2作为旁路均流电感以解决多模块并联的旁路均流问题，该方案可以使每相旁路减少一颗均流电感的使用，有效降低了旁路的成本与体积。

优选地，所述机械旁路采用的是大电流常闭型磁保持继电器，此部分改进的主要思路是：参考图2是旁路开路故障失效原理示意图，图中以电网电压正半波为例。当系统上电启动或者旁路开路故障时，逆变模块通过变压器等效与负载串联，当负载量较大(呈现等效阻抗低)时，导致“变压器原边侧p”两端分压大，一方面将导致敏感负载两端电压大大降低从而掉电，另一方面，变压器原边侧p两端电压经过变压器匝比n：1升压后再经过逆变桥臂开关q1、q2的内部二极管整流，导致逆变器因母线过压或整流二极管瞬间过流而损坏。因此，保证动态电压补偿装置旁路默认闭合状态是至关重要的。

但是，由于系统电流较大时，选用的大电流常闭型接触器需要进行定制，且电子旁路可消除机械旁路的无弧切换，故本发明中的机械开关采用常闭型大电流磁保持继电器并联方案，以使旁路默认状态为常闭。磁保持继电器接触电阻存在一定的分散性，当每一相的机械旁路采用多个继电器直接并联时，导致接触电阻小的继电器可能存在过流，故对所使用的继电器按照接触电阻进行刷选，且采用均流电感进行被动均流，当采用更多的常闭型磁保持继电器并联时，可以将采用多颗独立电感或者单颗电感分多股绕线引出进行均流控制。如图3是6路常闭型大电流磁保持继电器并联示意图，其中，relay1至relay6为大电流常闭型磁保持继电器，均流电感l2将六颗继电器分两组进行均流控制。

下面对本发明中逆变模块的工作过程进行详细说明。

动态电压补偿装置中逆变模块的逆变模式3与旁路模式为互补工作，本发明中将旁路模式细分为三种：电子旁路模式1、零电平旁路模式2、机械旁路模式4。也就是所逆变模块具体可以工作于四种模式，下面结合图4-7对这四种模式进行详细说明。

参考图4，图中以逆变电压为正半波为例，当电网出现逆变需求时，比如电网电压暂升或暂降，所述逆变模块切换到逆变模式3以进行电压补偿，以保证负载输出电压的平稳。逆变模式时，三电平逆变电路工作于逆变状态，机械旁路和电子旁路均断开，

参考图5，当出现逆变故障或者电网出现长时间负载过载时，所述逆变模块切换电子旁路模式1。电子旁路模式1时，三电平逆变电路保持断开状态，电子旁路导通，机械旁路断开。即此模式下是通过晶闸管q0进行旁路，如此可以有效降低逆变开关管的电流选型容量与旁路损耗。

参考图6，当电网电压正常且负载正常时，所述逆变模块切换到零电平旁路模式2。零电平旁路模式2时，三电平逆变电路保持在零电平状态，机械旁路和电子旁路均断开。即此时是利用逆变桥的开关q2、q3进行旁路，因igbt/mosfet开关速度快，当电网电压暂升或暂降时可以实现旁路与逆变之间的切换时间达到μs级。

参考图7，当所述补偿装置出现系统故障时，所述逆变模块切换到机械旁路模式4。机械旁路模式4时，三电平逆变电路保持断开状态，电子旁路断开，机械旁路导通。

本实施例的方案，对于逆变桥的开关器件的选型只需按照额定机型容量设计即可，但在考虑并机情况下，旁路需要按照两倍容量设计以满足逆变模块维修时保证整机的正常工作。

下面结合图8，对以上四种模式的切换过程进行更为详细的说明。从图8可知，本发明在模式1时，如果出现符合模式2、3、4的条件，则直接切换到对应的模式。在模式2时，如果出现符合模式1、3、4的条件，则直接切换到对应的模式。在模式3时，如果出现模式1、2的条件，则直接切换到对应的模式，但是若出现符合模式4的条件(系统故障)，首先过渡到切换至模式1(晶闸管旁路)进行转换，以避免大冲击电流工况导致逆变开关器件过流损坏。另外，模式4时，若系统故障消除，则首先过渡到模式1。本实施例中系统故障的优先级最高，一旦出现系统故障，无论是否存在其他故障，都必须切换到模式4，所谓系统故障，是指的整个装置除了逆变故障以外的其他硬件或软件故障。另外，系统有可能出现同时符合模式1、3的条件，此时可能在模式1、3之间切换，但是这种切换可以根据实际情况进行限制，比如说模式1时出现符合模式3的条件，则可以先切换到模式3，等待5分钟后，如果继续过载在切换回模式1，当然，两者之间的切换次数也可以进行限制，来回切换大一定次数后不再切换。

可见，本实施例具有如下有益效果：无需另外使用独立的旁路均流电感，可以实现动态电压补偿装置的逆变模块与旁路模块集成化，具有成本低、功率密度高的特点；采用常闭型磁保持继电器方案能够保证负载在上电启动、旁路故障及补偿装置掉电等工况下负载不断电，大大提高了动态电压补偿装置的可靠性，且具有成本低，体积小的特点；无需采用大电流常闭型接触器，能够有效降低定制而产生的高额费用；旁路与逆变器之间能够实现快速切换，切换时间达到μs级。

基于同一发明构思，本发明还构造了一种旁路快切方法，方法包括：

当电网电压正常且负载正常时，所述逆变模块切换到如下的零电平旁路模式2：三电平逆变电路保持在零电平状态，机械旁路和电子旁路均断开；

当出现逆变故障或者电网出现长时间负载过载时，所述逆变模块切换到如下的电子旁路模式1：三电平逆变电路保持断开状态，电子旁路导通，机械旁路断开；

当电网出现逆变需求时，所述逆变模块切换到如下的逆变模式3：三电平逆变电路工作于逆变状态，机械旁路和电子旁路均断开；

当所述补偿装置出现系统故障时，所述逆变模块切换到如下的机械旁路模式4：三电平逆变电路保持断开状态，电子旁路断开，机械旁路导通。

优选地，当逆变模块工作于逆变模式3时，若出现系统故障，所述逆变模块首先过渡到电子旁路模式1，再由电子旁路模式1转换到机械旁路模式4。

优选地，当逆变模块工作于机械旁路模式4时，若系统故障消除，所述逆变模块首先过渡到电子旁路模式1。

其他更多内容可以参考装置项的实施例，此处不再赘述。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。