一种单相电力电子调压装置的制作方法

1.本实用新型属于单向电力电子的技术领域，尤其涉及一种单相电力电子调压装置。


背景技术：

2.单相电力电子调压装置与电网串联对负载供电，进行电压暂降、暂升补偿，以保证电网异常工况下负载不掉电。当单相电力电子调压装置内部整流、逆变功率模块损坏需要维修时，通常需要采用机械开关切换对单相电力电子调压装置进行旁路，并强行关机剩余的整流、逆变功率模块以进行拆机维护，这样处理存在两方面的问题：一方面导致维修期间对于电网电压出现的暂降暂升事件无法治理，可能导致负载掉电，另一方面，当补偿装置靠墙安装时，存在拆机维护困难等问题。
3.目前，通常采用功率模块冗余和热拔插方式，能够较好地解决功率模块损坏时的维护问题，但是存在若干问题：
4.第一，维修时需要维修旁路开关对电力电子调压装置进行旁路，能够便于维修，但并不能真正实现热拔插功能。
5.第二，整流、逆变功率模块与系统主控通常采用rs
‑
422与can 通讯，为保证通讯的高质量，rs
‑
422采用链式通讯结构，采用热拔插方式给rs
‑
422通讯带来了链式破坏的后果，导致维修模块的后级模块通讯中断。
6.第三，在维修模块拔插前，通常需要操作维修开关或按钮以启动进入维修模式，以免拔插时发生端子打火烧蚀现象；而模块采用维修开关或按钮时，一方面实际操作时存在误操作的现象，如拔插模块之前没有进行维修开关对应的切换便进行功率模块拔插，致使拔插模块时出现拉弧、功率端子烧蚀、结构损坏等问题，另一方面，通过维修开关或按钮进行模块结构解锁，不仅增加了结构设计的复杂性，也导致成本上升。
7.第四，功率模块外部连接线缆(包括功率端子、通讯端子及信号采样端子等)较多，导致热拔插端子数量较多，导致热拔插的可靠性与寿命降低。


技术实现要素：

8.本实用新型的目的在于提供一种结构简单、可靠性高的单相电力电子调压装置。
9.本实用新型提供一种单相电力电子调压装置，连接在电网和负载之间，其包括并列设置的多个功率模块和旁路模块，所述旁路模块一端与电网连接，所述旁路模块的另一端与负载连接；相邻功率模块之间通过通讯接口连接，并列连接的多个功率模块的一端也与电网连接，并列连接的多个功率模块的另一端也与负载连接，第一个功率模块或最后一个功率模块也通过通讯接口与旁路模块连接，还包括断路器，所述断路器位于并列连接的多个功率模块与电网之间。
10.进一步地，所述旁路模块包括收发转换电路和与该收发转换电路连接的多个接口收发转换器，接口收发转换器的数量与功率模块的数量相同，接口收发转换器连接至对应
的功率模块。
11.进一步地，所述功率模块具有功率模块主电路，功率模块主电路包括lc滤波电路、lcl滤波电路、四象限开关电路、正母线和负母线，其中四象限开关电路包括多个阻尼二极管，所述正母线和负母线串联连接在四象限开关电路之间，lc滤波电路包括高频电感和滤波电容，lcl滤波电路包括高频电感、滤波电容和工频电感。
12.进一步地，所述四象限开关电路包括第一阻尼三极管、第二阻尼三极管、第三阻尼三极管、第四阻尼三极管、第五阻尼三极管、第六阻尼三极管、第七阻尼三极管、第八阻尼三极管、第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管，第一阻尼三极管的发射极、第二阻尼三极管的集电极、第二阻尼三极管的发射极、第三阻尼三极管的集电极、第三阻尼三极管的发射极、第四阻尼三极管的集电极、第四阻尼三极管的发射极、第八阻尼三极管的发射极、第八阻尼三极管的集电极、第七阻尼三极管的发射极、第七阻尼三极管的集电极、第六阻尼三极管的发射极、第六阻尼三极管的集电极、第五阻尼三极管的发射极、第五阻尼三极管的集电极和第五阻尼三极管的集电极连接为一个闭环电路，第一二极管和第二二极管串联连接在第二阻尼三极管的集电极和第三阻尼三极管的发射极之间，第三二极管和第四二极管串联连接在第六阻尼三极管的集电极和第七阻尼三极管的发射极之间。
13.进一步地，第一阻尼三极管、第二阻尼三极管、第三阻尼三极管和第四阻尼三极管位于串联连接的正母线和负母线一端，第五阻尼三极管、第六阻尼三极管、第七阻尼三极管和第八阻尼三极管位于串联连接的正母线和负母线另一端。
14.进一步地，功率模块主电路连接在信号源和负载之间，其包括与信号源一端连接的零线、与信号源另一端连接的火线、整流部分电路和逆变部分电路，其中，负载的一端与零线连接，负载的另一端与逆变部分电路连接，整流部分电路均与信号源的两端连接，整流部分电路也与逆变部分电路连接，串联连接的正母线和负母线位于整流部分电路和逆变部分电路之间。
15.进一步地，并列连接的第一电阻和开关、高频电感、滤波电容、第一阻尼三极管、第二阻尼三极管、第三阻尼三极管、第四阻尼三极管、第一二极管和第二二极管组成整流部分电路，其中零线、第一电阻和高频电感串联连接，高频电感的一端与第一电阻连接，高频电感的另一端连接在第二阻尼三极管和第三阻尼三极管之间，滤波电容的一端连接在第一电阻和高频电感之间，滤波电容的另一端连接火线。
16.进一步地，第五阻尼三极管、第六阻尼三极管、第七阻尼三极管、第八阻尼三极管、第三二极管、第四二极管、高频电感、滤波电容和工频电感组成逆变部分电路，其中负载、工频电感和高频电感串联连接，高频电感的一端与工频电感，高频电感的另一端连接在第六阻尼三极管和第七阻尼三极管之间；滤波电容的一端连接在工频电感和高频电感之间，滤波电容的另一端连接火线。
17.进一步地，功率模块的背部热拔插端子包括辅源供电端子、信号与功率进出线端子及正负母线端子。
18.进一步地，功率模块的前面板端子包括：rs
‑
422通讯端口、备用can总线和拨码开关。本实用新型单相电力电子调压装置通过采用接口收发芯片在保证rs
‑
422链式结构模块通讯完整性的前提下，实现功率模块的热拔插功能，且不需要单独设计维修按钮与开关，热拔插端子数量少，操作便捷，可以实时进行电网电压补偿，能够实现真正的功率模块热拔插
功能，维修便捷；无需使用专用的维修按钮与开关，结构简单；热拔插端子数量少，可靠性高。
附图说明
19.下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对本实用新型予以进一步说明。
20.图1为本实用新型单相插拔式机柜装置的结构示意图；
21.图2为本实用新型单相电力电子调压装置的运行原理图；
22.图3为本实用新型单相电力电子调压装置主从通讯原理图；
23.图4为图2所示的单相电力电子调压装置的功率模块的电路示意图；
24.图5和图6为图2所示的单相电力电子调压装置的功率模块的结构示意图。
具体实施方式
25.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本实用新型的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
26.为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本实用新型相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
27.下面以具体实施例详细介绍本实用新型的技术方案。
28.如图1所示为单相插拔式机柜装置，其包括机柜本体1、并列设置的多个功率模块2和位于最后一个功率模块2下方的旁路模块3，其中机柜本体1内设有多个并排且相互隔离的插槽11，多个功率模块2和旁路模块3(如图5和图6)安装在不同的插槽11内，在本实施例中，功率模块2设有n个(n＞1，n为正整数)，第一个功率模块为2
‑
1，最后一个功率模块为2
‑
n
29.图2为本实用新型单相电力电子调压装置的运行原理图，单相电力电子调压装置连接在电网和负载之间，其包括多个并列设置的多个功率模块2和旁路模块3，旁路模块3一端与电网连接，旁路模块3 的另一端与负载连接，并列连接的n个功率模块2并列连接且相邻功率模块2之间通过通讯接口连接，并列连接的n个功率模块2的一端也与电网连接，并列连接的n个功率模块2的另一端也与负载连接，第一个功率模块2
‑
1或第n个功率模块2
‑
n也通过通讯接口与旁路模块3连接，其中，并列连接的n个功率模块2在与电网之间设有断路器4。
30.其中旁路模块3包括并联连接的电子旁路q1(具体为半控型或全控型器件，如晶闸管)和机械旁路km。功率模块2包括电力电子开关器件组成的整流部分和逆变部分，其中整流部分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，逆变部分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。
31.当单相电力电子调压装置检测到电网正常时，电子旁路q1导通，将“功率模块2至
逆变部分”短路直接对负载提供电能，此时功率模块的“整流部分”根据负载电流进行无功与谐波电流补偿；当单相电力电子调压装置检测到电网异常时，电子旁路q1断开，由“功率模块”中的“整流部分”进入整流状态，“逆变部分”根据补偿电压量进行逆变输出，实现负载的稳定供电；当单相电力电子调压装置系统故障(功率模块全部宕机、旁路模块2故障等)时，则“功率模块”暂停运行，单相电力电子调压装置经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“功率模块”，保证负载不因系统故障而断电。
32.为了实现单相电力电子调压装置容量的便捷扩容，功率模块2采用多并联结构，在不同的容量需求情况下，单相电力电子调压装置的容量等于n*单个“功率模块”容量。
33.图3为单相电力电子调压装置主从通讯原理图(n＝2、3
…
)，旁路模块3包括收发转换电路和与该收发转换电路连接的多个接口收发转换器，接口收发转换器的数量与功率模块2的数量相同，接口收发转换器连接至对应的功率模块2。
34.在多个功率模块2并联的工况中，功率模块2之间完成主从机自动竞争分配后，系统控制过程中主机与从机之间需要实时进行诸多控制参数的传输，采用rs
‑
422高速通讯接口能够很好的满足要求；由于rs
‑
422通讯波特率较高，且传输线路较长，为保证通讯信号的完整性，收发转换电路集中实现主、从机通讯的链式结构，各个功率模块与收发转换电路之间采用接口收发转换器经过差分转换电路实现信号的长距离传输，其具有长距离线路传输抗干扰性强、模块并联数量多、扩容结构简易、热拔插功率模块不破坏通讯线路完整性的特点；同时，可以直接扩展实现三相电力电子调压装置，毎相单独控制，针对a/b/c三相的不同事件进行补偿。
35.图4所示为功率模块的原理示意图，功率模块具有功率模块主电路，功率模块主电路包括lc滤波电路、lcl滤波电路、四象限开关电路、正母线ubus 和负母线ubus
‑
，其中四象限开关电路包括绝缘栅门极晶体管(igbt)或金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet) 构成的开关电路，具体包括第一阻尼三极管t1、第二阻尼三极管t2、第三阻尼三极管t3、第四阻尼三极管t4、第五阻尼三极管t5、第六阻尼三极管t6、第七阻尼三极管t7、第八阻尼三极管t8、第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3和第四二极管d4，阻尼三极管包括一个三极管和二极管，二极管连接在三极管的源极和漏极之间。
36.第一阻尼三极管t1的发射极、第二阻尼三极管t2的集电极、第二阻尼三极管t2的发射极、第三阻尼三极管t3的集电极、第三阻尼三极管t3的发射极、第四阻尼三极管t4的集电极、第四阻尼三极管 t4的发射极、第八阻尼三极管t8的发射极、第八阻尼三极管t8的集电极、第七阻尼三极管t7的发射极、第七阻尼三极管t7的集电极、第六阻尼三极管t6的发射极、第六阻尼三极管t6的集电极、第五阻尼三极管t5的发射极、第五阻尼三极管t5的集电极和第五阻尼三极管t5的集电极连接为一个闭环电路，第一二极管d1和第二二极管 d2串联连接在第二阻尼三极管t2的集电极和第三阻尼三极管t3的发射极之间，第三二极管d3和第四二极管d4串联连接在第六阻尼三极管t6的集电极和第七阻尼三极管t7的发射极之间。
37.正母线ubus 和负母线ubus
‑
串联连接在四象限开关电路之间，第一阻尼三极管t1、第二阻尼三极管t2、第三阻尼三极管t3和第四阻尼三极管t4位于串联连接的正母线ubus 和负母线ubus
‑
一端，第五阻尼三极管t5、第六阻尼三极管t6、第七阻尼三极管t7和第八阻尼三极管t8位于串联连接的正母线ubus 和负母线ubus
‑
另一端。
38.lc滤波电路包括高频电感lm1和滤波电容c1，对整流输入电流进行滤波；lcl滤波
电路包括高频电感lm2、滤波电容c2和工频电感 lg，对逆变输出电压进行滤波。
39.具体的，功率模块的电路连接在信号源10和负载r之间，其包括与信号源10一端连接的零线n、与信号源10另一端连接的火线l、负载r串联连接的正母线ubus 和负母线ubus
‑
、整流部分电路和逆变部分电路，其中，负载r的一端与零线n连接，负载r的另一端与逆变部分电路连接，整流部分电路均与信号源10的两端连接，整流部分电路也与逆变部分电路连接。串联连接的正母线ubus 和负母线 ubus
‑
位于整流部分电路和逆变部分电路之间。
40.整流部分电路包括并列连接的第一电阻r1和开关l、高频电感 lm1、滤波电容c1、第一阻尼三极管t1、第二阻尼三极管t2、第三阻尼三极管t3、第四阻尼三极管t4、第一二极管d1和第二二极管 d2，其中零线n、第一电阻r1和高频电感lm1串联连接，高频电感 lm1的一端与第一电阻r1连接，高频电感lm1的另一端连接在第二阻尼三极管t2和第三阻尼三极管t3之间，滤波电容c1的一端连接在第一电阻r1和高频电感lm1之间，滤波电容c1的另一端连接火线 l。
41.逆变部分电路包括第五阻尼三极管t5、第六阻尼三极管t6、第七阻尼三极管t7、第八阻尼三极管t8、第三二极管d3、第四二极管 d4、高频电感lm2、滤波电容c2和工频电感lg，其中负载r、工频电感lg和高频电感lm2串联连接，高频电感lm2的一端与工频电感 lg，高频电感lm2的另一端连接在第六阻尼三极管t6和第七阻尼三极管t7之间；滤波电容c2的一端连接在工频电感lg和高频电感lm2 之间，滤波电容c2的另一端连接火线l。
42.对于电网电压发生暂降/暂升事件时，在电网电压正半波区间，整流部分电路的t2和t4进入高频开关状态，t3长通，以实现负母线ubus
‑
的充电，同时逆变部分电路的t5和t7进入高频开关状态， t6长通，由正母线ubus 释放能量，实现电网电压δv的动态补偿；在电网电压负半波区间，整流部分电路的t1和t3进入高频开关状态， t2长通，以实现正母线ubus 的充电，同时，逆变部分电路的t6和 t8进入高频开关状态，t7长通，由负母线ubus
‑
释放能量，实现电网电压δv的动态补偿。对于逆变部分电路，由于补偿电压分量为电网电压暂降/暂升与额定电压之差，故补偿电压分量较小，可以控制母线电压的幅值以降低逆变与整流的开关损耗，提高系统的效率与可靠性。
43.图5和图6所示为单相电力电子调压装置的功率模块的端口结构示意图，功率模块采用前进风后出风的散热方式，功率模块的背部热拔插端子包括辅源供电端子21、信号与功率进出线端子22及正负母线端子23；其中辅源供电端子21用于功率模块2的控制系统供电，信号与功率进出线端子22为功率模块2的强电进出线与调制信号线，其包括零线n、火线l、模拟信号采样等，正负母线端子23为功率模块3的正负母线与零线端口，用于连接储能装置；功率模块的前面板端子包括：rs
‑
422通讯端口24、备用can总线25和拨码开关26，其中，rs
‑
422通讯端口24作为功率模块2的rs
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422备用通讯端口，以提升系统的可靠性，亦可作为冗余端口闲置；备用can总线25用于功率模块2调试及测试用，拨码开关26用于功率模块2的机号识别，功率模块的前面板端子不干涉功率模块2的热拔插；功率模块2 外部连接端子数量共计为3个，其采用抽屉式热拔插便捷。
44.本实用新型单相电力电子调压装置通过采用接口收发芯片在保证rs
‑
422链式结构模块通讯完整性的前提下，实现功率模块的热拔插功能，且不需要单独设计维修按钮与开关，热拔插端子数量少，操作便捷，可以实时进行电网电压补偿，能够实现真正的功率模
块热拔插功能，维修便捷；无需使用专用的维修按钮与开关，结构简单；热拔插端子数量少，可靠性高。
45.应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，但是本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本实用新型的技术构思范围内，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，对本实用新型的技术方案进行多种等同变换，这些改进、润饰和等同变换也应视为本实用新型的保护范围。