CN104009476A - 电能质量调节器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电能质量调节器及控制方法，调节器由串联有源电力滤波器、并联有源或无源滤波器、变压器组成，可组成双变压器型阻抗变流器和单变压器型阻抗变流器两种实现方式。所述阻抗变流器可安装在环形电网的任何位置，检测阻抗变流器输出端电网的电参数，并根据所述电参数获取各有源电力滤波器的a、b、c三相的指令电流；然后将指令电流与实际有源电力滤波器输出电流做差，对所述差值进行PI控制后进行PWM调制，得到有源电力滤波器的驱动信号，根据所述驱动信号控制变流器。本发明具有避免谐波振荡、有效抑制各次谐波的放大等优点。

Description

电能质量调节器及控制方法

技术领域

本发明涉及一种电能调控领域，尤其是一种用于抑制电网背景谐波的电能质量调节装置。

背景技术

随着电力电子设备的普及应用，工业和公用电力配电系统中出现了严重的谐波问题。电网背景谐波一方面来自上级电网谐波电压的渗透，另一方面来自本级电网其他谐波源的影响。关于背景谐波，最严重的问题之一是由线路电感和并联的功率因数校正电容器之间的谐波共振引起的谐波电压显著放大，造成严重的电压畸变。

目前，通过将基于电压检测的阻性有源电力滤波器R-APF并联连接在射型线路的末端和环形线路的中点来抑制电网谐波，当阻性有源电力滤波器R-APF的等效谐波电导与特征阻抗匹配时可以有效抑制电网中背景谐波的谐振放大。但是，实际线路参数具有时变性和不确定性的特点，导致线路的特征阻抗变化，所以实际控制中很难保证阻性有源电力滤波器R-APF的等效谐波电导与特征阻抗匹配，可能导致安装点的电压谐波降低，无APF的节点谐波放大，引起所谓的“打地鼠”现象。此外，阻性有源电力滤波器R-APF只有安装在环形网络的中点时才能得到好的抑制效果，在其他连接点则很难发挥良好的抑制效果，因此，该系统对安装位置有很强的依赖性。

发明内容

本发明目的在于克服阻性有源滤波器在线路参数和安装位置改变时抑制效果变差的问题，提出了能够抑制环形网络背景谐波放大的新型电能质量调节器。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明提供了两种电能质量调节器，均由串联有源电力滤波器、并联有源或无缘滤波器和变压器连接组成。

第一种电能质量调节器为双变压器型阻抗变流器，包括第一串联有源电力滤波器APF1、第二串联有源电力滤波器APF2、并联有源滤波器APF3或无源滤波器PPF、第一变压器T1、第二变压器T2；其中，第一串联有源电力滤波器APF1通过第一变压器T1串联接入电网，连接点分别为a点和c点；第二串联有源电力滤波器APF2通过第二变压器T2串联接入电网，连接点分别为c点和b点；第一变压器T1与第二变压器T2的连接点为c点，并联有源滤波器APF3或无源滤波器PPF与c点相连为环路中的谐波电流提供通路，上述连接形成双变压器型阻抗变流器，所述阻抗变流器可以安装在环形电网的任何位置。

电能质量调节器作为双变压器型阻抗变流器使用时，其控制方法如下：

检测第一串联有源电力滤波器APF1接口第一变压器T1端的电网电压u_a和电网电流i_a，分离电网电压u_a和电网电流i_a得到谐波电压含量u_ah和谐波电流含量i_ah；将k_a1倍的谐波电流与k_a2倍的谐波电压做差，差值为i₁＝k_a1i_ah—k_a2u_ah，差值i₁作为第一串联有源电力滤波器APF1的指令电流；

检测第二串联有源电力滤波器APF2接口第二变压器T2端的电网电压u_b和电网电流i_b，分离电网电压u_b和电网电流i_b得到谐波电压含量u_bh和谐波电流含量i_bh；将k_b1倍的谐波电流与k_b2倍的谐波电压做差，差值为i₂＝k_b1i_bh—k_b2u_bh，差值i₂作为第二串联有源电力滤波器APF2的指令电流；对于三相系统，串联有源电力滤波单元各相的指令电流的获得方式均与上述过程相同；

并联有源滤波器APF3指令电流有两种产生方式，

其一，第一串联有源电力滤波器APF1接口第一变压器T1端的电网电压谐波成分u_ah与第二串联有源电力滤波器APF2接口第二变压器T2端的电网电压谐波成分u_bh分别与增益系数k_v相乘后求和，求和结果作为有源滤波器APF3的指令电流；

其二，第一串联有源电力滤波器APF1接口第一变压器T1端的电网电流谐波成分i_ah与第二串联有源电力滤波器APF2接口第二变压器T2端的电网电流谐波成分i_bh求和，求和结果作为有源滤波器APF3的指令电流；

对于三相系统，并联有源滤波器APF3各相的指令电流的获得方式均与上述过程相同；

并联无源滤波器PPF，其参数设定为能使安装点在谐波频率处对地短路即可。

第二种电能质量调节器为单变压器型阻抗变流器，包括串联有源电力滤波器APF4、变压器T、并联有源滤波器APF5或无源滤波器PPF1；其中，串联有源电力滤波器APF4通过变压器T串联接入电网，连接点分别为a1点和b1点，并联有源滤波器APF5或无源滤波器PPF1在变压器T的c1点(c1点与a1点重合)并联接入电网为环路中的谐波电流提供通路，上述连接形成单变压器型阻抗变流器，所述阻抗变流器可以安装在环形电网的任何位置。

电能调节器作为单变压器型阻抗变流器使用时，其控制方法如下：

检测串联有源电力滤波器APF4接口变压器T的b1端的电网电压u_b1和电网电流i_b1，分离电网电压u_b1和电网电流i_b1得到谐波电压含量u_b1h和谐波电流含量i_b1h；将k₁倍的谐波电流与k₂倍的谐波电压做差，差值为i_1f＝k₁i_b1h—k₂u_b1h，差值i_1f作为串联有源电力滤波器APF4的指令电流；

并联有源滤波器APF5的指令电流产生方式，串联有源电力滤波器APF4接口变压器T的a1端的电网电压谐波成分u_a1h与b1端的电网电压谐波成分u_b1h分别与增益系数k_v相乘后求和，求和结果作为有源滤波器APF5的指令电流；

对于三相系统，串并联有源电力滤波单元各相的指令电流的获得方式均与上述过程相同；

无源滤波器PPF1，其参数设定为能使安装点在谐波频率处对地短路即可。

综上所述，可将电能质量调节器安装在环形电网的任何位置，根据需要选择双变压器型阻抗变流器或单变压器型阻抗变流器对电网进行控制。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、通过等效延长环形传输线在谐波频率处的长度来模拟无线长传输线的特性，从而有效抑制线路中的对应谐波的放大，减少甚至消除反射波，避免谐波振荡的发生；

2、在线路参数不变和改变时都能得到比阻抗匹配的RAPF更好的谐波抑制效果；

3、本装置安装在环形网络的任何位置点都能抑制环形网络的谐波放大；

4、通过调节对应谐波的电流电压系数k₁和k₂，可对各次谐波进行分别控制，有效抑制各次谐波的放大，避免“打地鼠”现象的发生；

5、电流电压系数k₁和k₂越大则等效延长的线路长度就越长，此时在保证谐波抑制效果的同时允许线路参数在更大范围内变化。

附图说明

图1为本发明中用于环形线路的电能质量调节器的集总参数模型图。

图2为本发明中电能质量调节器的两种实现形式的结构示意图。

图3为本发明中双变压器型串联有源电力滤波器并联无源电力滤波器的混合型APF的控制结构示意图。

图4为本发明中双变压器型串联有源电力滤波器并联有源电力滤波器的控制结构示意图。

图4a为对应并联有源电力滤波器APF3指令电流产生方式1的控制结构示意图。

图4b为对应并联有源电力滤波器APF3指令电流产生方式2的控制结构示意图。

图5为本发明中单变压器型串联有源电力滤波器并联无源电力滤波器的混合型APF的控制结构示意图。

图6为本发明中单变压器型串联有源电力滤波器并联有源电力滤波器的控制结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

图1所示为本发明中用于环形线路的电能质量调节器的集总参数模型图，该电能质量调节器将环形传输线在谐波频率处的线路长度等效延长到无线长，对应于虚线框中的部分，而对于基波频率处的电路结构没有影响。图中，x表示电能质量调节器将环形传输线在谐波频率处的线路长度等效延长的长度，x＝x₁+x₂且l₁+x₁＝l₂+x₂，c点为等效延长后的线路的中点。根据传输线理论，当传输线线路长度为无限长时，线路中无反射波，所以可以有效抑制线路上的谐波放大。

图2所示为本发明中电能质量调节器的两种实现形式的结构示意图。其中，图2a是双变压器型阻抗变流器，图2b是单变压器型阻抗变流器。

如图2a所示，第一种电能质量调节器——双变压器型阻抗变流器，包括第一串联有源电力滤波器APF1、第二串联有源电力滤波器APF2、并联有源滤波器APF3或无源滤波器PPF、第一变压器T1、第二变压器T2；其中，第一串联有源电力滤波器APF1通过第一变压器T1串联接入电网，连接点分别为a点和c点；第二串联有源电力滤波器APF2通过第二变压器T2串联接入电网，连接点分别为c点和b点；第一变压器T1与第二变压器T2的连接点为c点，并联有源滤波器APF3或无源滤波器PPF与c点相连为环路中的谐波电流提供通路，上述连接形成双变压器型阻抗变流器，所述阻抗变流器可以安装在环形电网的任何位置。

一、双变压器型阻抗变流器

该电能调节器的控制方法如下：

检测第一串联有源电力滤波器APF1接口第一变压器T1端的电网电压u_a和电网电流i_a，分离电网电压u_a和电网电流i_a得到谐波电压含量u_ah和谐波电流含量i_ah；将k_a1倍的谐波电流与k_a2倍的谐波电压做差，差值为i₁＝k_a1i_ah—k_a2u_ah，差值i₁作为第一串联有源电力滤波器APF1的指令电流。

检测第二串联有源电力滤波器APF2接口第二变压器T2端的电网电压u_b和电网电流i_b，分离电网电压u_b和电网电流i_b得到谐波电压含量u_bh和谐波电流含量i_bh；将k_b1倍的谐波电流与k_b2倍的谐波电压做差，差值为i₂＝k_b1i_bh—k_b2u_bh，差值i₂作为第二串联有源电力滤波器APF2的指令电流；对于三相系统，串联有源电力滤波单元各相的指令电流的获得方式均与上述过程相同。

双变压器型阻抗变流器将并联有源滤波器APF3或无源滤波器PPF两边的线路均等效延长为无限长，使其结构关于两个变压器中间的并联有源滤波器APF3或无源滤波器PPF对称，c点为等效延长后线路的中点。串联有源电力滤波器APF1和串联有源电力滤波器APF2分别通过变压器T1和变压器T2串联连接然后再接入电网，变压器T1和T2连接点为c点，接入电网的连接点为a和b点，并联有源滤波器APF3或无源滤波器PPF并联连接在c点，如图2a所示。

图3为双变压器型串联有源电力滤波器并联无源电力滤波器的混合型APF的控制结构示意图，图4为双变压器型串联有源电力滤波器并联有源电力滤波器的控制结构示意图，其中图4a为对应并联有源电力滤波器APF3指令电流产生方式1的控制结构示意图；图4b为对应并联有源电力滤波器APF3指令电流产生方式2的控制结构示意图。由图可见，串联有源滤波器的电流指令均为其安装点的谐波电流与其电流增益相乘后减去谐波电压与其电压增益相乘后的值得到。其中，k_a1、k_a2为a端的电流和电压增益，k_b1、k_b2为b端的电流和电压增益。

$\left\{\begin{array}{c}{k}_{a1}=\cosh \mathrm{\γ}\frac{l_2+x-l_1}{2}-1\\ k_{a2}=\frac{1}{Z_C}\sinh \mathrm{\γ}\frac{l_2+x-l_1}{2}\\ k_{b1}=\cosh \mathrm{\γ}\frac{l_1+x-l_2}{2}-1\\ k_{b2}=\frac{1}{Z_C}\sinh \mathrm{\γ}\frac{l_1+x-l_2}{2}\end{array}\right.$

式中，k_a1为电网中a端的电流增益、k_a2为电网中a端的电压增益、k_b1为电网中b端的电流增益、k_b2为电网中b端的电压增益、x表示双变压器型阻抗变流器将环形传输线在谐波频率处的线路长度等效延长的长度、l₁表示a点距源端的距离、l₂表示b点距源端的距离、γ为环形电网的传播常数、Z_C为环形电网的传播常数。

由于x趋于无穷大时，k_a1＝k_b1、k_a2＝k_b2，因此电流电压增益可以设置为k₁＝k_a1＝k_b1、k₂＝k_a2＝k_b2。

因为并联滤波器的作用是为环路中的谐波电流提供电流通路，故并联无源滤波器的参数设置应使其安装点在谐波频率处对地短路。

并联有源滤波器APF3指令电流有两种产生方式，

其一，第一串联有源电力滤波器APF1接口第一变压器T1端的电网电压谐波成分u_ah与第二串联有源电力滤波器APF2接口第二变压器T2端的电网电压谐波成分u_bh分别与增益系数k_v相乘后求和，求和结果作为有源滤波器APF3的指令电流。

其二，第一串联有源电力滤波器APF1接口第一变压器T1端的电网电流谐波成分i_ah与第二串联有源电力滤波器APF2接口第二变压器T2端的电网电流谐波成分i_bh求和，求和结果作为有源滤波器APF3的指令电流。

对于三相系统，并联有源滤波器APF3各相的指令电流的获得方式均与上述过程相同。

二、单变压器型阻抗变流器

如图2b所示，第二种电能质量调节器——单变压器型阻抗变流器，包括串联有源电力滤波器APF4、变压器T、并联有源滤波器APF5或无源滤波器PPF1；其中，串联有源电力滤波器APF4通过变压器T串联接入电网，连接点分别为a1点和b1点，并联有源滤波器APF5或无源滤波器PPF1在变压器T的c1点并联接入电网为环路中的谐波电流提供通路，a1点和c1点重合，上述连接形成单变压器型阻抗变流器，所述阻抗变流器可以安装在环形电网的任何位置。

该电能调节器的控制方法如下：

图5为单变压器型串联有源电力滤波器并联无源电力滤波器的混合型APF的控制结构示意图，图6为单变压器型串联有源电力滤波器并联有源电力滤波器的控制结构示意图。由图可见，单变压器型阻抗变流器的串联有源滤波器的电流指令与图3和图4中双变压器型阻抗变流器的串联有源滤波器的电流指令相同；单变压器型阻抗变流器的并联有源滤波器的电流指令与图4a所示双变压器型阻抗变流器的并联有源滤波器的电流指令获得方法相同。单变压器型阻抗变流器的无源滤波器PPF1的参数设置同样应使其安装点在谐波频率处对地短路。

单变压器型阻抗变流器只将含串联有源电力滤波器APF4一侧的线路等效延长为无限长，是不对称结构，将图1中的c1点和a1点设定为同一点。

检测串联有源电力滤波器APF4接口变压器T的b1端的电网电压u_b1和电网电流i_b1，分离电网电压u_b1和电网电流i_b1得到谐波电压含量u_b1h和谐波电流含量i_b1h；将k₁倍的谐波电流与k₂倍的谐波电压做差，差值为i_1f＝k₁i_b1h—k₂u_b1h，差值i_1f作为串联有源电力滤波器APF4的指令电流；

k₁和k₂分别为b1端的电流电压增益，

$\left\{\begin{array}{c}{k}_1=\cosh \mathrm{\γ}\frac{l_1+x-l_2}{2}-1\\ k_2=\frac{1}{Z_C}\sinh \mathrm{\γ}\frac{l_1+x-l_2}{2}\end{array}\right.$

式中，x表示单变压器型阻抗变流器将环形传输线在谐波频率处的线路长度等效延长的长度，l₁表示a1点距源端的距离，l₂表示b1点距源端的距离，γ为环形电网的传播常数，Z_C为环形电网的传播常数。

串联有源电力滤波器APF4接口变压器T的a1端的电网电压谐波成分u_a1h与b1端的电网电压谐波成分u_b1h分别与增益系数k_v相乘后求和，求和结果作为有源滤波器APF5的指令电流。

并联有源滤波器的指令电流产生方式中，

$K_V=\frac{1}{Z_C}$

式中，k_v为增益系数，Z_c为环形电网的特征阻抗。

对于三相系统，串并联有源电力滤波单元各相的指令电流的获得方式均与上述过程相同。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种电能质量调节器，其特征在于：所述调节器包括第一串联有源电力滤波器APF1、第二串联有源电力滤波器APF2、并联有源滤波器APF3或无源滤波器PPF、第一变压器T1、第二变压器T2；其中，第一串联有源电力滤波器APF1通过第一变压器T1串联接入电网，连接点分别为a点和c点；第二串联有源电力滤波器APF2通过第二变压器T2串联接入电网，连接点分别为c点和b点；第一变压器T1与第二变压器T2的连接点为c点，并联有源滤波器APF3或无源滤波器PPF与c点相连为环路中的谐波电流提供通路，上述连接形成双变压器型阻抗变流器，所述阻抗变流器可以安装在环形电网的任何位置。

2.一种电能质量调节器，其特征在于：所述调节器包括串联有源电力滤波器APF4、变压器T、并联有源滤波器APF5或无源滤波器PPF1；其中，串联有源电力滤波器APF4通过变压器T串联接入电网，连接点分别为a1点和b1点，并联有源滤波器APF5或无源滤波器PPF1在变压器T的c1点并联接入电网为环路中的谐波电流提供通路，c1点与a1点重合，上述连接形成单变压器型阻抗变流器，所述阻抗变流器可以安装在环形电网的任何位置。

3.一种应用于权利要求1所述电能质量调节器的控制方法，其特征在于：

检测第一串联有源电力滤波器APF1接口第一变压器T1端的电网电压u_a和电网电流i_a，分离电网电压u_a和电网电流i_a得到谐波电压含量u_ah和谐波电流含量i_ah；将k_a1倍的谐波电流与k_a2倍的谐波电压做差，差值为i₁＝k_a1i_ah—k_a2u_ah，差值i₁作为第一串联有源电力滤波器APF1的指令电流；

检测第二串联有源电力滤波器APF2接口第二变压器T2端的电网电压u_b和电网电流i_b，分离电网电压u_b和电网电流i_b得到谐波电压含量u_bh和谐波电流含量i_bh；将k_b1倍的谐波电流与k_b2倍的谐波电压做差，差值为i₂＝k_b1i_bh—k_b2u_bh，差值i₂作为第二串联有源电力滤波器APF2的指令电流；对于三相系统，串联有源电力滤波单元各相的指令电流的获得方式均与上述过程相同；

并联有源滤波器APF3指令电流有两种产生方式，

其一，第一串联有源电力滤波器APF1接口第一变压器T1端的电网电压谐波成分u_ah与第二串联有源电力滤波器APF2接口第二变压器T2端的电网电压谐波成分u_bh分别与增益系数k_v相乘后求和，求和结果作为有源滤波器APF3的指令电流；

其二，第一串联有源电力滤波器APF1接口第一变压器T1端的电网电流谐波成分i_ah与第二串联有源电力滤波器APF2接口第二变压器T2端的电网电流谐波成分i_bh求和，求和结果作为有源滤波器APF3的指令电流；

对于三相系统，并联有源滤波器APF3各相的指令电流的获得方式均与上述过程相同；

并联无源滤波器PPF，其参数设定为能使安装点在谐波频率处对地短路。

4.一种应用于权利要求2所述电能质量调节器的控制方法，其特征在于：

检测串联有源电力滤波器APF4接口变压器T的b1端的电网电压u_b1和电网电流i_b1，分离电网电压u_b1和电网电流i_b1得到谐波电压含量u_b1h和谐波电流含量i_b1h；将k₁倍的谐波电流与k₂倍的谐波电压做差，差值为i_1f＝k₁i_b1h—k₂u_b1h，差值i_1f作为串联有源电力滤波器APF4的指令电流；

并联有源滤波器APF5的指令电流产生方式，串联有源电力滤波器APF4接口变压器T的a1端的电网电压谐波成分u_a1h与b1端的电网电压谐波成分u_b1h分别与增益系数k_v相乘后求和，求和结果作为有源滤波器APF5的指令电流；

对于三相系统，串并联有源电力滤波单元各相的指令电流的获得方式均与上述过程相同；

无源滤波器PPF1，其参数设定为能使安装点在谐波频率处对地短路。

5.根据权利要求3所述电能质量调节器的控制方法，其特征在于：通过下式得出k_a1、k_a2、k_b1、k_b2；

$\left\{\begin{array}{c}{k}_{a1}=\cosh \mathrm{\γ}\frac{l_2+x-l_1}{2}-1\\ k_{a2}=\frac{1}{Z_C}\sinh \mathrm{\γ}\frac{l_2+x-l_1}{2}\\ k_{b1}=\cosh \mathrm{\γ}\frac{l_1+x-l_2}{2}-1\\ k_{b2}=\frac{1}{Z_C}\sinh \mathrm{\γ}\frac{l_1+x-l_2}{2}\end{array}\right.$

式中，k_a1为电网中a端的电流增益、k_a2为电网中a端的电压增益、k_b1为电网中b端的电流增益、k_b2为电网中b端的电压增益、x表示双变压器型阻抗变流器将环形传输线在谐波频率处的线路长度等效延长的长度、l₁表示a点距源端的距离、l₂表示b点距源端的距离、γ为环形电网的传播常数、Z_C为环形电网的传播常数。

6.根据权利要求3所述电能质量调节器的控制方法，其特征在于：电网中a端的电流电压系数设置为k₁＝k_a1＝k_b1，电网中b端的电流电压系数设置为k₂＝k_a2＝k_b2，其中，k_a1、k_a2、k_b1、k_b2分别为电网中a端的电流增益、电网中a端的电压增益、电网中b端的电流、电网中b端的电压增益。

7.根据权利要求4所述电能质量调节器的控制方法，其特征在于：k₁和k₂分别为b1端的电流电压增益，

$\left\{\begin{array}{c}{k}_1=\cosh \mathrm{\γ}\frac{l_1+x-l_2}{2}-1\\ k_2=\frac{1}{Z_C}\sinh \mathrm{\γ}\frac{l_1+x-l_2}{2}\end{array}\right.$

式中，k₁为电网中b1端的电流增益、k₂为电网中b1端的电压增益、x表示单变压器型阻抗变流器将环形传输线在谐波频率处的线路长度等效延长的长度、l₁表示a1点距源端的距离、l₂表示b1点距源端的距离、γ为环形电网的传播常数、Z_C为环形电网的传播常数。

8.根据权利要求3和4所述电能质量调节器的控制方法，其特征在于：并联有源滤波器的指令电流产生方式中，

$K_V=\frac{1}{Z_C}$

式中，k_v为增益系数、Z_C为环形电网的特征阻抗。