一种三相四线制通用电能质量控制器及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种三相四线制通用电能质量控制器及其控制方法，电能质量控制器的电路拓扑结构包括电源侧电路，A、B、C三相电网电源端Vsa、Vsb和Vsc连接电源侧电路；电源侧电路经公共桥臂与负载侧电路连接，负载侧电路与串联耦合变压器Ta、Tb、Tc连接构成串联补偿装置，公共桥臂输出经滤波电感Lf7后同时与电源中性线N和串联耦合变压器Ta、Tb、Tc变流器侧的中性线连接；通过输出三相补偿电压对三相电网电压进行补偿，使负载电压为三相恒定、平衡、对称的正弦电压。本发明专利技术采用单储能电容器结构，电容器容量小，电容电压波动低，损耗小；采用电力电子器件少，构成的通用电能质量控制器电路结构简单、造价低、效率高；控制方法简单、容易实现。

A three-phase four wire universal power quality controller and its control method

【技术实现步骤摘要】
一种三相四线制通用电能质量控制器及其控制方法
本专利技术属于电能质量控制
，具体涉及一种三相四线制通用电能质量控制器及其控制方法。
技术介绍
现代科学技术的发展，一方面，造成电能质量问题的因素不断增长；另一方面，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，上述问题的矛盾愈来愈突出。技术上，电能质量问题进一步分为电源(网)侧的电压质量问题(如电压升高、跌落、瞬变、谐波等)和负载侧电路的电流质量问题(电流谐波、无功、不平衡等)。电网(电源)和负载存在的各种干扰，将导致一些重要负载或对电能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，严重的电能质量问题还有可能造成重大事故。通用(统一)电能质量控制器(UPQC)采用双变流器结构，含补偿电流质量的并联变流器和补偿电压质量的串联变流器，二者共用一个直流储能环节。它综合了串联补偿装置和并联补偿装置的优点，既可解决电源端的供电质量问题(谐波、过压、欠压、跌落、突升等)，为重要用户提供优质电能；也可解决负载端的用电质量问题(电流谐波、无功、不平衡等)，提高电能的利用效率，是一种非常理想的电能质量控制装置。我国低压配电系统有三相三线制、三相四线制和三相五线制。三相四线制系统(TN-C)的电源中性线(N)与接地保护线(PE)是合一的，三相五线制系统(TN-S)的电源中性线(N)与接地保护线(PE)二者是分开的。三相四线制系统除提供三相电源外，还要提供电源中性线，一方面可以为负荷提供相电压供电，另一方面为系统接地、防雷等保护以及电磁兼容等需要提供基准和参考点。与三相三线制通用电能质量控制器相比，三相四线制通用电能质量控制器除能解决一般电网(电源)侧的电压质量问题和负载侧电路的电流质量问题外，还要求能具有补偿负载侧电路中性线电流和电网(电源)侧不平衡(相)电压(零序电压)的能力。目前，三相三线制系统变流器改变为三相四线制系统变流器主要有两种方法：分裂电容和增加第四桥臂。现有大多关注和研究的一种三相四线制通用电能质量控制器电路拓扑如图1所示，采用的是分裂电容法。图1中，电源侧电路接的是并联变流器，负载侧电路接的是串联变流器；也可以采用电源侧电路接串联变流器、负载侧电路接并联变流器的电路结构，这主要取决于电网(电源)与负载的具体状况。直流母线分裂电容C1与C2的中点和串联变流器输出的中点与电源中性线N相连接，使该电路拓扑具有补偿负载侧电路中性线电流和电网(电源)侧不平衡(相)电压(零序电压)的能力。该电路拓扑存在的主要问题是，系统补偿负载侧电路中性线电流和电网(电源)侧零序电压是通过直流母线分裂电容C1与C2的充、放电进行的，电容C1、C2电压的波动比较大；电容C1、C2本身的差异还造成它们的电压可能不均衡。为了解决这个问题，一方面需要选用储能容量比较大的电容，如电解电容器，另一方面需要在控制上增加对电容电压的均衡控制。电解电容器的寿命比较短，影响装置的整体寿命，现在普遍期望选用寿命比较长的膜电容器；而相同体积和造价下膜电容器的容量小，电容C1、C2的容量就不可能选择很大。电容C1与C2电压较大的波动会增大电容器的损耗和发热，也将带来可靠性的问题。构成三相四线制通用电能质量控制器电路拓扑的另一种方法是在三相三线制变流器电路拓扑基础上增加第四桥臂，其原理简图如图2所示。图2中，电网(电源)侧接并联变流器，通过增加第四桥臂输出与电网中性线相连，使其具有补偿负载侧电路中性线电流的能力；负载侧电路接串联变流器，也通过增加第四桥臂输出与串联耦合变压器的中性线(点)相连使其具有补偿电网(电源)侧不平衡(相)电压(零序电压)的能力；同样这两种变流器接入电网(电源)和负载的位置也可以交换。增加第四桥臂的电路拓扑采用的是单一储能电容器，不存在中性线电流直接对储能电容器充、放电的问题，电容电压的波动小，但该拓扑将增加电力电子开关器件的数量，造价高。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种三相四线制通用电能质量控制器及其控制方法，降低了三相四线制系统通用电能质量控制器的成本，提高了电能质量控制装置的效率。本专利技术采用以下技术方案：一种三相四线制通用电能质量控制器，电能质量控制器的电路拓扑结构包括电源侧电路，A、B、C三相电网电源端Vsa、Vsb和Vsc连接电源侧电路；电源侧电路经公共桥臂与负载侧电路连接，负载侧电路与串联耦合变压器Ta、Tb、Tc连接构成串联补偿装置，公共桥臂输出经滤波电感Lf7后同时与电源中性线N和串联耦合变压器Ta、Tb、Tc逆变器侧的中性线连接；通过输出三相补偿电压对三相电网电压进行补偿，使负载电压为三相恒定、平衡、对称的正弦电压。具体的，电源侧电路为三相并联变流器，三相并联变流器能够对负载谐波、无功、不平衡电流和中性线电流进行补偿，控制入网电流为三相平衡对称的正弦有功电流。进一步的，三相并联变流器包括电力电子开关器件V1、V2、V3、V4、V5和V6，V1和V2、V3和V4、V5和V6两两串联后桥臂中点分别连接对应的交流滤波电感Lf3、Lf2、Lf1，V1和V2、V3和V4、V5和V6的两端连接储能电容器CD和公共桥臂。具体的，负载侧电路为三相串联变流器，三相串联变流器能够对电网电压谐波、正序、负序和零序电压进行补偿，输出三相补偿电压对三相电网电压进行补偿。进一步的，三相串联变流器包括电力电子开关器件V7、V8、V9、V10、V11和V12，V7和V8、V9和V10、V11和V12两两串联后桥臂中点分别连接对应的滤波电感Lf6、Lf5和Lf4后分两路，一路分别经滤波电容Cf4、Cf5和Cf6连接串联耦合变压器Ta、Tb、Tc的一端连接，另一路分别与串联耦合变压器Ta、Tb、Tc的另一端连接；V7和V8、V9和V10、V11和V12的两端连接储能电容器CD和公共桥臂。具体的，公共桥臂包括串联连接的电力电子开关器件V13和V14，V13和V14的输出经滤波电感Lf7与串联耦合变压器Ta、Tb、Tc、电源侧电路和负载侧电路连接。本专利技术的另一个技术方案是，一种三相四线制通用电能质量控制方法，利用所述的三相四线制通用电能质量控制器，将电能质量控制器公共桥臂V13和V14按设定频率的50％占空比进行通断；通过三相并联变流器控制入网电流为三相平衡对称的正弦有功电流，负载的谐波电流、无功电流和不平衡电流得到补偿，中性线电流通过滤波电感Lf7、公共桥臂V13、V14和储能电容CD与并联变流器得到补偿；然后以公共桥臂V13和V14经过滤波电感Lf7后的输出电压作为电压参考，通过三相串联变流器输出三相补偿电压对三相电网电压进行补偿，使负载电压为三相恒定、平衡、对称的正弦电压。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术一种三相四线制通用电能质量控制器，采用单一母线储能电容和仅设置一个公共桥臂，实现了对负载谐波、无功、不平衡电流和中性线电流等的补偿和对电网谐波、正序、负序和零序电压等的补本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三相四线制通用电能质量控制器，其特征在于，电能质量控制器的电路拓扑结构包括电源侧电路，A、B、C三相电网电源端Vsa、Vsb和Vsc连接电源侧电路；电源侧电路经公共桥臂与负载侧电路连接，负载侧电路与串联耦合变压器Ta、Tb、Tc连接构成串联补偿装置，公共桥臂输出经滤波电感Lf7后同时与电源中性线N和串联耦合变压器Ta、Tb、Tc逆变器侧的中性线连接；通过输出三相补偿电压对三相电网电压进行补偿，使负载电压为三相恒定、平衡、对称的正弦电压。/n

【技术特征摘要】
1.一种三相四线制通用电能质量控制器，其特征在于，电能质量控制器的电路拓扑结构包括电源侧电路，A、B、C三相电网电源端Vsa、Vsb和Vsc连接电源侧电路；电源侧电路经公共桥臂与负载侧电路连接，负载侧电路与串联耦合变压器Ta、Tb、Tc连接构成串联补偿装置，公共桥臂输出经滤波电感Lf7后同时与电源中性线N和串联耦合变压器Ta、Tb、Tc逆变器侧的中性线连接；通过输出三相补偿电压对三相电网电压进行补偿，使负载电压为三相恒定、平衡、对称的正弦电压。


2.根据权利要求1所述的三相四线制通用电能质量控制器，其特征在于，电源侧电路为三相并联变流器，三相并联变流器能够对负载谐波、无功、不平衡电流和中性线电流进行补偿，控制入网电流为三相平衡对称的正弦有功电流。


3.根据权利要求2所述的三相四线制通用电能质量控制器，其特征在于，三相并联变流器包括电力电子开关器件V1、V2、V3、V4、V5和V6，V1和V2、V3和V4、V5和V6两两串联后桥臂中点分别连接对应的交流滤波电感Lf3、Lf2、Lf1，V1和V2、V3和V4、V5和V6的两端连接储能电容器CD和公共桥臂。


4.根据权利要求1所述的三相四线制通用电能质量控制器，其特征在于，负载侧电路为三相串联变流器，三相串联变流器能够对电网电压谐波、正序、负序和零序电压进行补偿，输出三相补偿电压对三相电网电压进行补偿。


5.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖国春，张厚楷，鲁兆林，芮月晨，曹祥豪，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61