一种串联型电压暂变补偿电路拓扑及其控制方法

摘要

本发明公开了一种串联型电压暂变补偿电路，包括相连接的滤波电容、逆变环节及旁路开关，旁路开关串联于电网和负载之间；滤波电容包括相串联的电容a和电容b，电容a和电容b的中点和电网电压相连接；逆变环节包括相串联的开关管a和开关管b，开关管a上反并联有二极管a，开关管b上反并联有二极管b，开关管a和开关管b的中点和负载相连接。通过上述电路，可以分别在电网电压正常时对直流母线电压进行补偿以使其保持恒定；也可以在电网电压暂变时通过补偿使得负载电压保持额定，同时保持直流母线电压恒定。本发明串联型电压暂变补偿电路及控制方法，不需工频注入变压器，不需储能元件，不需整流装置，体积小，造价低，母线电压控制简单。

说明书

技术领域

本发明属于电能质量控制技术领域，涉及一种电压暂变补偿电路拓扑，具体涉及一种简化的串联型电压暂变补偿电路拓扑，本发明还涉及该电路的控制方法。

背景技术

随着电力电子技术的发展，电能质量问题越来越严重，用户对电能质量的要求也越来越高。串联型电压暂变补偿电路即是接在电网侧与负载侧之间的一种补偿电路，当电压暂变时，由补偿电压与剩余电网电压相加给负载供电使负载电压保持额定。目前，常用的解决电压暂变的补偿主电路拓扑有：(1)动态电压恢复器DVR(DynamicVoltage Restorer)。其补偿电压通过注入变压器串联接入电网，可补偿电网电压暂变和谐波等，但储能装置和工频变压器使其体积较大、成本较高且效率较低。(2)通用电能质量控制器UPQC。它由一个通过工频变压器串联在电网侧的电压型逆变器和一个并联在负载侧的电流型逆变器组成，两者共用一个直流单元。其中，串联部分用来提高电网电压质量，并联部分用来提高负载电流质量及保持直流侧电压恒定。虽然该装置功能完善，但体积大、成本高、结构复杂且控制复杂。(3)无注入变压器无储能电容的串联型电压暂变补偿装置。相比DVR和UPQC体积变小，且当一相或两相跌落至零而其他相保持额定、或三相对称跌落至37％时，电路都可持续补偿使负载正常工作，但该装置母线电压较高且不能控制。(4)其它拓扑。

发明内容

本发明的目的是提供一种串联型电压暂变补偿电路拓扑，解决了现有的电压暂变补偿电路结构复杂、体积大、造价高的问题。

本发明的另一目的是提供一种在上述电路中控制直流侧母线电压的方法。

本发明所采用的技术方案是，一种串联型电压暂变补偿电路，包括相连接的滤波电容、逆变环节及旁路开关，旁路开关串联于电网和负载之间，滤波电容包括相串联的电容a和电容b，电容a和电容b的中点和电网电压相连接；逆变环节包括相串联的开关管a和开关管b，开关管a上反并联有二极管a，开关管b上反并联有二极管b，开关管a和开关管b的中点和负载相连接。

本发明所采用的另一技术方案是，一种串联型电压暂变补偿电路的控制方法，采用一种串联型电压暂变补偿电路，该电路的结构为：包括相连接的滤波电容、逆变环节及旁路开关，旁路开关串联于电网和负载之间；滤波电容包括相串联的电容a和电容b，电容a和电容b的中点和电网电压相连接；所述的逆变环节包括相串联的开关管a和开关管b，开关管a上反并联有二极管a，开关管b上反并联有二极管b，开关管a和开关管b的中点和负载相连接，

具体按照以下步骤实施：

当从电网输入的电压正常时，开始上电的时，旁路开关关断，逆变环节不工作，通过二极管a和二极管b给电容a和电容b充电，电容a两端的电压和电容b两端的电压即为直流母线电压；当母线电压低于额定电压时，旁路开关关断，逆变环节工作，滤波电容和逆变环节协同作用输出一个补偿电压U_inj，使其与负载电流I_L的夹角为钝角，并且补偿之后的负载电压在允许的范围内，滤波电容吸收功率，母线电压升高，当母线电压达到额定值后，再控制旁路开关导通，逆变环节不工作，在电网电压正常时，重复此过程以控制母线电压恒定；

当电网输入的电网电压发生暂变时，旁路开关关断，逆变环节工作，逆变环节输出补偿电压U_nj，逆变环节逆变输出的补偿电压与剩余的电网电压共同使负载电压保持额定。

本发明的特点还在于，

其中的当从电网输入的电压正常时，通过二极管a和二极管b给电容a和电容b充电，具体按照以下步骤实施：当电流自左向右流时，通过二极管b给电容b充电，当电流自右向左流时，通过二极管a给电容a充电，当充电至设定的维持逆变器工作的电压值时，旁路开关导通，输入的电网电压通过旁路开关直接给负载供电，并且此时母线电压由电容a和电容b保持。

其中的当电网输入的电网电压发生暂变时，逆变环节逆变输出的补偿电压U_inj与剩余的电网电压共同使负载电压保持额定，具体按照以下步骤实施：当开关管a导通，开关管b关断时，开关管a、开关管b的中点和电容a、电容b的中点之间的电位差为+U_dc；当开关管a关断，开关管b导通时，开关管a、开关管b的中点和电容a、电容b的中点之间的电位差为-U_dc，通过对保持母线电压恒定以及控制上、下母线电压平衡得到指令信号，对开关管a和开关管b进行脉冲宽度调制，在开关管a、开关管b的中点和电容a、电容b的中点之间产生一个工频基波补偿电压U_inj，逆变环节逆变输出的补偿电压U_inj与剩余的电网电压共同使负载电压保持额定。

其中的母线电压的保持具体按照以下步骤实施：通过微调补偿电压U_inj和负载电流I_L的夹角来控制电容a和电容b的电压保持在恒定值，当补偿电压U_inj和负载电流I_L的夹角为锐角时，输出有功功率，电容a和电容b上的母线电压降低；当补偿电压U_inj和负载电流I_L的夹角为直角时，既不输出有功功率也不吸收有功功率，电容a和电容b上的母线电压保持不变；当补偿电压U_inj和负载电流I_L的夹角为钝角时，吸收有功功率，电容a和电容b上的母线电压升高。

其中的在电压暂变补偿的过程中，电容a的电压和电容b的电压之间的平衡具体按照以下步骤实施：当电容a的电压大于电容b的电压时，在补偿电压U_inj上附加一个正的直流偏置，使得电容a的电压上升、电容b的电压下降；反之当电容a的电压小于电容b的电压时，在补偿电压U_inj上附加一个负的直流偏置，使得电容a的电压下降、电容b的电压上升。

本发明的有益效果是，该电路结构更简单，不需要工频注入变压器，不需要储能元件，不需要整流装置。母线电压可以通过指令电压相角的旋转来控制，控制方法简单。

附图说明

图1是本发明简化的串联型电压暂变补偿电路的结构示意图；

图2是本发明补偿电路工作在正有功功率注入时的相量示意图；

图3是本发明补偿电路工作在零有功功率注入时的相量示意图；

图4是本发明补偿电路工作在负有功功率注入时的相量示意图；

图5是本发明补偿电路控制母线电压幅值的闭环系统结构框图；

图6是本发明补偿电路控制母线电压平衡的闭环系统结构框图；

图7是本发明补偿电路整个系统的闭环系统结构框图。

图中，1.滤波电容，2.逆变环节，3.旁路开关，4.电容a，5.电容b，6.开关管a，7.开关管b，8.二极管a，9.二极管b。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明简化的串联型电压暂变补偿电路的一种实施例的结构，如图1所示，其中A相电路具体画出，B相电路和C相电路与A相电路一样。在A相电路中包括相连接的滤波电容1、逆变环节2和旁路开关3，旁路开关3串联于电网和负载之间。滤波电容1包括电容a4和电容b5，电网电压接在电容a4和电容b5的中点。逆变环节2为两电平半桥逆变电路，包括两个串联的开关管a6、开关管b7，二极管a8反并联在开关管a6上，二极管b9反并联在开关管b7上，开关管a6和开关管b7的中点接到负载上。

本发明简化的串联型电压暂变补偿电路的控制方法，具体按照以下步骤实施：

从电网输入的电压正常时，开始上电的瞬间，使旁路开关3关断，逆变环节2不工作，通过二极管a8和二极管b9给电容a4和电容b5充电，电容a4两端的电压和电容b5两端的电压均为U_dc，即为直流母线电压。当电流自左向右流时，通过二极管b9给电容b5充电，当电流自右向左流时，通过二极管a8给电容a4充电，当充电至一定值时，旁路开关3导通，输入的电网电压通过旁路开关3直接给负载供电，此时母线电压由电容a4和电容b5保持。当母线电压由于漏电损耗而低于额定电压时，旁路开关3关断，逆变环节2工作，控制补偿装置输出一个极小的补偿电压U_inj，使其与负载电流I_L的夹角为钝角，并且补偿之后的负载电压在允许的范围内，补偿装置吸收功率，母线电压升高，当母线电压达到额定值后，再控制旁路开关3导通，逆变环节2不工作。在电网电压正常时，重复此过程以控制母线电压恒定。

电网电压发生暂变时，旁路开关3关断，逆变环节2开始工作，逆变环节2逆变输出的补偿电压U_inj与剩余的电网电压共同使负载电压保持额定。具体按照以下步骤实施：当开关管a6导通，开关管b7关断时，开关管a6、开关管b7的中点和电容a4、电容b5的中点的电位差为+U_dc(U_dc为直流母线电压)；当开关管a6关断，开关管b7导通时，开关管a6、开关管b7的中点和电容a4、电容b5的中点的电位差为-U_dc。其中有两路控制信号分别控制开关管a6和开关管b7。通过对开关管a6和开关管b7的SPWM控制，可以在开关管a6、开关管b7的中点和电容a4、电容b5的中点之间产生一个工频基波补偿电压U_inj。逆变环节2逆变输出的补偿电压与剩余的电网电压共同使负载电压保持额定。

母线电压的保持问题，如图2、图3及图4所示的三种工作模式，通过控制补偿电压U_inj和负载电流I_L的夹角来控制电容a4和电容b5的电压保持在恒定值。当补偿电压U_inj和负载电流I_L的夹角为锐角时，补偿装置输出有功功率，电容a4和电容b5上的母线电压会降低；当补偿电压U_inj和负载电流I_L的夹角为直角时，补偿装置既不输出有功功率也不吸收有功功率，电容a4和电容b5上的母线电压保持不变；当补偿电压U_inj和负载电流I_L的夹角为钝角时，补偿装置吸收有功功率，电容a4和电容b5上的母线电压会升高。所以，当母线电压高于给定值时，让补偿装置工作在如图2所示模式，使补偿电压U_inj和负载电流I_L的夹角为锐角，输出有功功率，母线电压降低；当母线电压低于给定值时，让补偿装置工作在如图4所示模式，使补偿电压U_inj和负载电流I_L的夹角为钝角，吸收有功功率，母线电压升高；当母线电压等于给定值时，让补偿装置工作在如图3所示模式，母线电压不变。显然，通过实时地微调补偿电压U_inj和负载电流I_L之间的夹角，就可以控制母线电压为我们需要的值。可以组成一个以正母线电压u_dc+为反馈量(图5中记为u_dcf)的闭环控制系统，通过动态调节补偿电压指令信号的相角来控制母线电压的幅值保持不变，其动态结构框图如图5。

上母线和下母线的平衡问题，以电容a4和电容b5的中点为参考点，测得电容a4另一端的电压值即为上母线电压+U_dc，测得电容b5另一端的电压值即为下母线电压-U_dc。当上母线和下母线电压值不对称时，通过给指令电压加上一个小的直流电压使上母线和下母线的电压值保持平衡。当上母线电压高于下母线电压时，加一个正的直流电压；当上母线电压低于下母线电压时，加一个负的直流电压。可以组成一个以上、下母线电压之和(图6中记为du_dc)为反馈量的闭环控制系统，通过动态调节附加的直流电压来控制母线电压的平衡，其动态设计的结构框图如图6。

系统的整体工作原理分析：

当输入的电网电压正常时，上电瞬间，旁路开关3和逆变环节2都不工作，通过二极管a8和二极管b9给电容a4和电容b5充电至接近额定值后，母线上存储有电压，此时旁路开关3导通，电网直接给负载提供电压。当输入电网电压跌落时，补偿电压与电网电压共同给负载供电，同时让补偿装置工作在零有功功率注入模式下。当母线电压低于额定值时，让补偿装置工作在如图4所示模式，当母线电压高于额定值时，让补偿装置工作在如图2模式。当输入电压暂高时，与电压暂低时的控制方法类似。系统整体控制的动态结构框图如图7，是初始的指令电压，Δθ加在指令电压的相角上，Δu作为直流电压加在指令电压上，u^*是最终的指令电压。

以上图中，U_L为负载电压，U_S为电网电压，U_inj为补偿电压，I_L为负载电流，为负载功率因数角。

为母线电压额定值，u_dcf为上母线的反馈电压，Δθ为负载电压旋转的微小角度，G₃(s)为母线电压幅值控制的调节器，G_P3(s)为旋转角度到母线电压幅值的传递函数。

du_dc为上下母线电压之和，Δu为加在负载电压上的直流电压，G₂(s)为控制母线电压平衡的调节器，G_P2(s)为Δu到母线电压平衡的传递函数。

u_dcf+为上母线的反馈电压，u_dcf-为下母线的反馈电压，u^*为负载指令电压，u_f为负载的反馈电压，u_k为逆变器的控制电压，G₁(s)为整个闭环系统的调节器，G_P1(s)为逆变器(即控制电压u_k到负载电压)的传递函数。

本发明简化的串联型电压暂变补偿电路，不需工频注入变压器，不需储能元件，不需整流装置，并可通过改变补偿电压U_inj和负载电流I_L的夹角来控制电容a4和电容b5的电压保持在恒定值，可降低开关管a6和开关管b7的电压应力。