专利名称：一种动态电压恢复器实验室测试装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种测试装置及方法，特别是关于一种动态电压恢复器(DVR)实 验室测试装置及方法。
技术背景随着科学技术的发展，电脑、变频器和各种精密自动化设备获得了广泛应用。 在提高生产效率的同时，它们对供电电源的电能质量也提出了更高的要求。相关 调研表明，由于电压暂降导致的对电能质量的投诉问题在配电系统占有很大的比 例，高科技园区、大型医院、军工单位和重要政府部门表现得尤为突出。DVR是一 种静态串联型电能质量调节装置，主要用来在供电电压发生跌落、闪变、间断等 电能质量问题时保证用户侧电压稳定。通过检测供电电源侧电压，给出指令信号， DVR产生补偿电压，与电源电压叠加后供给负载，从而保证用户侧电压不变。目前，国外瑞士的ABB公司、美国的GE公司、德国的西门子公司等都已经推 出了DVR或类似产品，并发布了应用报告，但对研制过程和方法鲜有提及；国内 则更多集中在拓扑、控制策略和小容量原理样机研究方面，真正投入实际运行的 则少之又少。DVR产品馈电回路的电压等级多为380V或10kV，为了便于区分，分 别称之为低压DVR和高压DVR。高压DVR主电路拓扑主要有采用功率器件串联的两 电平、二极管中性点钳位多电平、采用串联变压器的注入模式和功率单元级联多 电平。其中功率级联多电平在高压变频器中已经获得了成熟应用，因此该拓扑虽 然功率单元较多，但是由于不需要釆用串联注入变压器，而且技术成熟，故在高 压DVR中获得广泛应用。高压大容量DVR的研制，对于试验条件要求非常高，以 容量较小的2MVA为例，进行现场工况模拟，需要有高压三相大容量交流电源，大 容量三相交流负载，以及配套的高低压开关和各种保护设备，试验成本非常高。 寻求一种简单、可靠、低成本的试验方法，已经成为研究DVR或类似装置的当务 之急。 发明内容针对上述问题，本发明的目的是提供一种简单、可靠、低成本的动态电压恢 复器实验室测试装置及方法。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案 一种动态电压恢复器实验室测 试装置，其特征在于它包括一单线制主电路，所述电路的输入信号分为三路并联信号第一路通过一避雷器接地；第二路信号通过旁路开关连接到电路输出端; 第三路信号与一隔离刀闸串联后分为两路并联输出信号， 一路输出信号直接与一 起保护作用的晶闸管的输入端连接，另一路输出信号通过串联一 DVR投切开关后 与一起保护作用的熔断器串联，所述熔断器通过串联一隔离用变压器与另一起保 护作用的熔断器串联，该所述熔断器的输出端与功率�？榇龉β誓？槭� 出端串联一个由电容组成的滤波电路，所述滤波电路与晶闸管并联，第三路中的 两路输出信号并联后与另一隔离刀闸串联后输出，第三路信号的输出端与第二路 信号中旁路开关的输出端并联连接在电路输出端。所述的滤波电路中还包括一与所述电容并联的电感。所述功率�？槭怯啥喔龉β实ピ钩桑扛龉β实ピ怯梢唤涣� 直流转换 电路通过并联一极性电容连接到另 一直流 交流转换电路构成。所述每个功率单元包括以三相绕组通过连接六个二极管组成的三相整流电 路，所述三相整流电路的共阴端串联一由一软启动晶闸管与软启动电阻并联组成 的软启动电路，所述软启动电路与整流电路的共阳端并联一直流电容，所述直流 电容的输出端并联一由一制动电阻串联一制动IGBT�？樽槌芍贫缏罚鲋贫� 电路的输出端并联一由一半桥IGBT�？楹鸵话肭臝GBT�？樽槌傻牡ハ嗳拍姹� 拓扑电路，制动IGBT�？榘ㄒ� IGBT绝缘栅极功率管和一回流二极管并联构成 IGBT模块，IBGT�？榇欢埽话肭臝GBT�？榘礁鯥GBT�？�。所述功率�？槲褂玫娜觯扛鏊龉β誓？榉直鸢ㄈ龃墓� 率单元，每个所述功率单元均以隔离变压器供电为输入信号，将三个功率�？榈� 输出端串联后形成三相电。所述功率模块中包括两个功率单元，其中一所述功率单元作为逆变电源，用 来模拟实际供电电压的跌落，其中另一所述功率单元作为单相DVR使用。一种动态电压恢复器实验室测试方法，其包括以下三种工作模式1)零电 压模式旁路开关断开，两个隔离刀闸和一 DVR投切开关闭合，若供电电压没有 发生跌落，功率�？橹兄绷� 交流部分的交流侧处于短路状态，DVR功率�？槭涑� 电压为零；2)补偿模式旁路开关断开，两个隔离刀闸和DVR投切开关闭合时， 若供电电压发生跌落， 一功率单元输出跌落电压经其中一所述隔离刀闸、 一电感， 叠加另一功率单元的单相DVR输出的电压后，经另一所述隔离刀闸给单相负载供 电；3)旁路模式当旁路开关闭合，两隔离刀闸断开时，由模拟供电的功率单元 直接给负载供电。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本发明利用DVR本身的功率单元，外配单相变压器和单相负载，实现了在实验室对DVR的全工况试验考 核，降低了研发成本，保证了DVR在各种工况下长时间运行的可靠性。2、本发明 将三相DVR转换为单相DVR进行研究，可以简化试验线路和负载，降低研制、测 试成本。3、本发明通过交直交转换，可以实现DVR装置与实际电网的隔离，防止 试验过程中由于误操作对电网和并联其余回路负荷所造成的损坏。4、本发明充分 利用软件编程的灵活性，将两个功率单元， 一个作为单相幅值相位频率可调的电 压跌落模拟电源，另一�？樽魑ハ郉VR来进行电压跌落补偿控制，可以精确模 拟系统电压跌落和DVR补偿工况。5、本发明通过用单相DVR进行测试，使负载数 量和容量降低为DVR三相功率单元的1/3，节省了电能耗费，采用电感或电容作为 负载，可以进一步降低试验成本。本发明可以广泛用于各种自动化设备中。
图1是本发明DVR的单线制主电路示意图 图2是本发明功率�？榈墓β实ピ疽馔� 图3是本发明高压DVR的功率�？槭疽馔� 图4是本发明全工况模拟测试系统示意5是本发明单相DVR工作在零电压模式时的用户供电回路示意图 图6是本发明单相DVR工作在补偿模式时的负载供电回路示意图 图7是本发明补偿模式时的电路仿真波形示意图 图8是本发明单相DVR工作在旁路模式时的供电回路示意图具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。DVR装置功率单元的拓扑主要有三相半桥和三相全桥。三相半桥拓扑适用于三 相电网平衡系统；当三相电网不平衡时，其控制性能变差，甚至会发生故障，考 虑高压DVR装置的容量较大且供电电源大部分时间三相不平衡，实际装置多采用 三相全桥结构。本发明也是采用三相全桥结构。如图1所示，本发明包括适用于高压、低压DVR的单线制主电路，单线制主 电路的输入信号分为三路并联信号第一路通过一保护作用的避雷器F接地；第 二路信号通过旁路开关QF1连接到电路输出端；第三路信号与一隔离刀闸QS1串 联后分为两路并联输出信号， 一路输出信号直接与一保护作用的晶闸管Pscr的输 入端连接，另一路输出信号通过串联一 DVR投切开关QF2后与一保护作用的熔断 器Fs串联，熔断器Fs通过串联一隔离用变压器T与另一起保护作用的熔断器Fr 串联，熔断器Fr的输出端与功率�？榇β誓？榈氖涑龆舜桓鲇梢坏绺蠰和一电容C并联组成的滤波电路LC，滤波电路LC与晶闸管Pscr并联，两路输 出信号并联后与另一隔离刀闸QS2串联组成完整的第三路信号的输出，第三路信 号的输出端与第二路信号的旁路开关QF1的输出端并联连接在主电路输出端。上述电路适用于低压DVR装置，如果用于高压DVR装置中，通�？梢允∪サ� 感L。上述实施例中，功率�？槭怯啥喔龉β实ピ钩桑扛龉β实ピ怯梢唤涣� 直流转换电路通过并联一极性电容连接到另一直流 交流转换电路构成。如图2所示，功率单元包括以三相绕组al、 bl、 cl通过连接六个二极管D1 D6组成三相整流电路，三相整流电路的共阴端串联一由一软启动晶闸管Sl与软启 动电阻R1并联组成的软启动电路，软启动电路与整流电路的共阳端并联一直流电 容，直流电容的输出端并联一由一制动电阻R2串联一制动IGBT�？镾3组成的制 动电路，制动电路的输出端并联一由一半桥IGBT模块S2和一半桥IGBT模块S4 组成的单相全桥逆变拓扑电路。在本实施例中，制动IGBT�？镾3包括一 IGBT绝 缘栅极功率管S3和一回流二极管D8并联构成IGBT�？椋琁BGT�？榇欢� D7;半桥IGBT�？镾2包括两个IGBT�？镾21、 S22，半桥IGBT�？镾4包括两个 IGBT�？镾41、 S42。上述实施例中，当用作高压DVR时，本发明利用低压DVR的功率单元构造高 压DVR，高压DVR的功率�？橹忻肯啻墓β实ピ咳【鲇谟没У缪沟燃叮� 图3所示，以三个功率�？榇扛龉β誓？楦靼ㄈ龉β实ピ扛� 功率�？榈娜龉β实ピ笫涑觯鞴β誓？榫ㄒ愿衾氡溲蛊鞴┑缥� 入信号，输入信号al、 bl、 cl， a2、 b2、 c2和a3、 b3、 c3均与各功率单元的三 个功率单元输入端连接，将三个功率�？榈氖涑龆舜笮纬蒛、 V、 W三相电，U、 V、 W三相电与供电电压串联后给用户供电。在本实施例中，所有的功率单元均相 同。上述实施例中，无论是高压DVR还是低压DVR，核心部分均为功率单元部分， 因此对DVR装置的研制和测试也就主要演变为功率单元进行研制和测试。如图2所示，分析功率单元示意图可知，这是一个广泛采用的单相逆变电源 电路。其工作流程为变压器隔离后的三相绕组al、 bl、 cl通过二极管D1 D6 构成的三相整流桥完成交 直流转换，三相整流桥和由软启动晶闸管S1、软启动 电阻Rl构成的软启动电路后对直流电容Cl进行充电，以提供进入补偿模式时需 要的能量。制动IGBT�？镾3和制动电阻R2构成了制动电路，以防止DVR补偿启 动时，发生能量倒灌现象，损坏功率单元。半桥IGBT�？镾2和半桥IGBT�？镾4构成了单相全桥逆变拓扑电路，完成直 交流转换后输出。本发明的DVR的测试方法包括的工作模式主要有零电压模式、补偿模式、旁路模式。功率单元工作在零电压模式和补偿模式的区别主要表现在两半桥IGBT �？镾2、 S4上，零电压模式时，两半桥IGBT�？镾2、 S4的两支上管或下管同时 导通，两半桥IGBT�？镾2、 S4逆变输出电压为零；补偿模式时，两半桥IGBT模 块S2、 S4逆变输出电压为补偿电压，与跌落后的供电电压相加后保证用户侧电压 不变。当DVR工作在补偿模式时，供电电压必须要能够产生电压跌落现象，因此， 本发明利用功率单元(如图2所示)，通过软件调整，将功率单元分别设计为单相 幅值相位频率可调的电压跌落模拟电源和单相DVR来进行电压跌落补偿控制。如图4所示，本实施例的功率�？橹猩柚昧肆礁龉β实ピ�1、 2，功率单元l 和功率单元2完全相同，利用功率单元l，通过软件调整，将其设计为电压幅值和 跌落时间可调的逆变电源，用来模拟实际供电电压的跌落，由三相供电电压经整 流逆变后产生；利用功率单元2，通过软件编程设计为单相DVR使用，通过实现 DVR的三种工作模式，对单相用户负载Z供电，完成对功率单元2的测试。从而构 成了既可以模拟供电电压跌落，又能够对作为单相DVR的功率单元进行全工况模 拟测试的系统。在全工况模拟测试系统中，由于功率单元2的供电是由功率单元1 逆变产生的单相电源，为提高其补偿能力，增设单相变压器T1， 一方面实现了功 率单元2与功率单元1的电气隔离，另一方面提升了功率单元2的供电电压，保 证了功率单元2的直流电压与三相整流时具有相同的幅值。零电压模式如图5所示，当旁路开关QF1断开，两个隔离刀闸QS1、 QS2和 一 DVR投切开关QF2闭合时，若供电电压没有发生跌落，此时DVR投切开关QF2 闭合为保证功率�？橹兄绷鞑嗟缛萘蕉宋治榷ǖ闹绷鞯缪梗峁┎钩ナ北匦璧� 能量，功率模块中直流 交流部分的交流侧处于短路状态，DVR功率�？槭涑龅缪� 为零，DVR工作在零电压模式。功率单元1输出的电压一方面经一隔离刀闸QS1、 一电感L、短路后的功率单元2和另一隔离刀闸QS2给单相负载Z供电；另一方面， DVR投切开关QF2闭合，通过单相变压器Tl给功率单元2的直流电容提供直流电 压，保证该直流电容两端维持稳定的直流电压，提供进入补偿模式时需要的能量。补偿模式如图6所示，当旁路开关QF1断开，两个隔离刀闸QS1、 QS2和DVR 投切开关QF2闭合时，若供电电压发生跌落，DVR进入补偿模式。功率单元l输出 跌落电压经一隔离刀闸QS1、 一电感L，叠加功率单元2的单相DVR输出的电压后， 经另一隔离刀闸QS2给单相负载Z供电，保证用户侧电压不发生变化。对补偿模式进行电路仿真，如图7所示，电路仿真的波形为，Usys是对应功率单元1输出的带有短时供电电压发生跌落时的电压波形；U—dvr是对应功率单元2的输出电压波形，当供电电压没有发生跌落时，功率单元2的输出电压为零，当 供电电压发生跌落时，功率单元2的输出电压为补偿电压，供电电压恢复后，功 率单元2的输出电压又变成零，即U一dvr输出电压波形表现为零电压、补偿电压、 零电压；Uload是负载两端的电压波形，即用户侧电压波形，为功率单元l输出的 带有短时跌落的电压与功率单元2提供的跌落电压之和，保证了用户侧电压波形 不发生变化。旁路模式如图8所示，当旁路开关QF1闭合，两隔离刀闸QS1和QS2断开 时，DVR工作在旁路模式，由模拟供电电源即功率单元1直接给负载Z供电。此时 可以对DVR进行定期维护和检修，而不会影响到用户侧供电。从上述介绍可以看出，利用DVR的一个功率单元作为模拟电压跌落的供电电 源， 一个功率单元作为单相DVR装置，可以实现三相全桥DVR装置的全工况模拟， 并且可以对DVR功率单元进行相关的电气性能试验、老化试验和散热试验，实现 了功率�？樵诔龀暗娜た隹己�。
权利要求
1、一种动态电压恢复器实验室测试装置，其特征在于它包括一单线制主电路，所述电路的输入信号分为三路并联信号第一路通过一避雷器接地；第二路信号通过旁路开关连接到电路输出端；第三路信号与一隔离刀闸串联后分为两路并联输出信号，一路输出信号直接与一起保护作用的晶闸管的输入端连接，另一路输出信号通过串联一DVR投切开关后与一起保护作用的熔断器串联，所述熔断器通过串联一隔离用变压器与另一起保护作用的熔断器串联，该所述熔断器的输出端与功率�？榇龉β誓？槭涑龆舜桓鲇傻缛葑槌傻穆瞬ǖ缏罚雎瞬ǖ缏酚刖д⒐懿⒘谌分械牧铰肥涑鲂藕挪⒘笥肓硪桓衾氲墩⒋笫涑觯谌沸藕诺氖涑龆擞氲诙沸藕胖信月房氐氖涑龆瞬⒘釉诘缏肥涑龆�。
2、 如权利要求1所述的一种动态电压恢复器实验室测试装置，其特征在于 所述的滤波电路中还包括一与所述电容并联的电感。
3、 如权利要求l所述的一种动态电压恢复器实验室测试装置，其特征在于 所述功率�？槭怯啥喔龉β实ピ钩桑扛龉β实ピ怯梢唤涣� 直流转换电路 通过并联一极性电容连接到另一直流 交流转换电路构成。
4、 如权利要求2所述的一种动态电压恢复器实验室测试装置，其特征在于所述功率�？槭怯啥喔龉β实ピ钩桑扛龉β实ピ怯梢唤涣� 直流转换电路 通过并联一极性电容连接到另 一直流 交流转换电路构成。
5、 如权利要求1或2或3或4所述的一种动态电压恢复器实验室测试装置， 其特征在于所述每个功率单元包括以三相绕组通过连接六个二极管组成的三相 整流电路，所述三相整流电路的共阴端串联一由一软启动晶闸管与软启动电阻并 联组成的软启动电路，所述软启动电路与整流电路的共阳端并联一直流电容，所 述直流电容的输出端并联一由一制动电阻串联一制动IGBT�？樽槌芍贫缏罚� 述制动电路的输出端并联一由一半桥IGBT�？楹鸵话肭臝GBT�？樽槌傻牡ハ嗳� 桥逆变拓扑电路，制动IGBT�？榘ㄒ� IGBT绝缘栅极功率管和一回流二极管并 联构成IGBT�？椋琁BGT�？榇欢�;'半桥IGBT�？榘礁鯥GBT�？�。
6、 如权利要求1或2或3或4所述的一种动态电压恢复器实验室测试装置， 其特征在于所述功率�？槲褂玫娜觯扛鏊龉β誓？榉直鸢ㄈ� 串联的功率单元，每个所述功率单元均以隔离变压器供电为输入信号，将三个功 率�？榈氖涑龆舜笮纬扇嗟�。
7、 如权利要求5所述的一种动态电压恢复器实验室测试装置，其特征在于 所述功率�？槲褂玫娜觯扛鏊龉β誓？榉直鸢ㄈ龃墓β实� 元，每个所述功率单元均以隔离变压器供电为输入信号，将三个功率�？榈氖涑� 端串联后形成三相电。
8、 如权利要求1或2或3或4所述的一种动态电压恢复器实验室测试装置， 其特征在于所述功率�？橹邪礁龉β实ピ渲幸凰龉β实ピ魑姹� 电源，用来模拟实际供电电压的跌落，其中另一所述功率单元作为单相DVR使用。
9、 如权利要求5所述的一种动态电压恢复器实验室测试装置，其特征在于所述功率�？橹邪礁龉β实ピ渲幸凰龉β实ピ魑姹涞缭矗美茨Ｄ馐导使┑绲缪沟牡洌渲辛硪凰龉β实ピ魑ハ郉VR使用。
10、 一种如权利要求1 9所述的装置的动态电压恢复器实验室测试方法，其包括以下三种工作模式-1) 零电压模式旁路开关断开，两个隔离刀闸和一DVR投切开关闭合，若供电电压没有发生跌落，功率�？橹兄绷� 交流部分的交流侧处于短路状态，DVR 功率�？槭涑龅缪刮悖�2) 补偿模式旁路开关断开，两个隔离刀闸和DVR投切开关闭合时，若供电 电压发生跌落， 一功率单元输出跌落电压经其中一所述隔离刀闸、 一电感，叠加 另一功率单元的单相DVR输出的电压后，经另一所述隔离刀闸给单相负载供电；3) 旁路模式当旁路开关闭合，两隔离刀闸断开时，由模拟供电的功率单元直接给负载供电。
全文摘要
本发明涉及一种动态电压恢复器实验室测试装置及方法，本发明装置包括一单线制主电路，电路的输入信号分为三路并联信号第一路通过一避雷器接地；第二路信号通过旁路开关连接到电路输出端；第三路信号与一隔离刀闸串联后分为两路并联输出信号，一路输出信号直接与一晶闸管的输入端连接，另一路输出信号通过串联一DVR投切开关后与一熔断器串联，熔断器通过串联一变压器与另一熔断器串联，该熔断器的输出端与功率�？榇β誓？槭涑龆舜宦瞬ǖ缏罚瞬ǖ缏酚刖д⒐懿⒘谌分械牧铰肥涑鲂藕挪⒘笥肓硪桓衾氲墩⒋笫涑觯谌沸藕诺氖涑龆擞氲诙沸藕胖信月房氐氖涑龆瞬⒘釉诘缏肥涑龆恕１痉⒚骺梢怨惴河糜诟髦肿远璞钢�。
文档编号G01R31/00GK101403780SQ20081022650
公开日2009年4月8日 申请日期2008年11月13日 优先权日2008年11月13日
发明者乔尔敏, 柯 张, 蒋晓春, 波 赵, 赵小英, 邓占锋, 韩天绪 申请人:中国电力科学研究院;中电普瑞科技有限公司
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