CN104092225A - 一种配电网综合补偿装置及其控制算法 - Google Patents

Abstract

一种配电网综合补偿装置及其控制算法，装置主要包括控制器、电路拓扑结构为三相四线制电压型变流器，变流器的三相桥臂的每个桥臂由两个IGBT组成，IGBT的公共点为直流母线，连接有两串联的电容和两串联的电阻，电容支路与电阻支路并联，电容的连接中点为零线，变流器的每相通过电阻及与电阻并联的接触器与电网连接；控件器的一端连接三个变压器、三个电流传感器、三个电流互感器，另一端连接IGBT，变压器采集三相电压，电流传感器采集补偿装置电流、电流互感器采集负荷电流。通过控制算法，在不增加硬件成本的基础上，可以实现无功、谐波、负序和零序电流分量的综合补偿，响应速度快，精度高，补偿效果好，同时体积小，损耗低。

Description

一种配电网综合补偿装置及其控制算法

技术领域

本发明涉及一种用于配电网的电力电子装置，该电力电子装置具有补偿无功、谐波、零序分量和负序分量的综合补偿效果。 

背景技术

在低压配电网系统中，三相四线制供电方式是最主要的供电方式，配电网中的用电设备大多以单相负荷为主。由于用电设备的不同时性，变压器几乎都在三相不平衡状态下运行，同时用电设备还会产生大量无功分量。低压配电系统变压器连接组别一般是Dyn11或者Yyn0，三相不平衡时造成的中性点漂移以及零序电流增大会造成变压器利用率降低、某相电压升高、变压器温升提高等问题。大大影响了低压配电网的用电安全。 

目前低压配电网中的补偿器大部分采用无源器件进行无功和不平衡补偿，中国专利CN 202772596 U介绍了一种采用容性调节的三相电流不平衡补偿系统，该系统采用调节电容器的投切来补偿不平衡，具有补偿速度慢，补偿效果阶梯化精度低等特点。中国专利CN 203574371 U介绍了一种SVG型配网电能质量综合补偿器，该补偿器采用SVG补偿无功和负序分量，通过零序分流器吸收零序电流分量，SVG具有补偿快速，补偿效果平滑可调的优点，但是该套装置通过SVG和零序分流器两种设备搭配来完成综合补偿功能，设备体积较大，成本不利于降低。 

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，发明了单个电力电子综合补偿装置。通过优化算法和改进电路结构实现了无功、负序分量、零序分量以及谐波的综合补偿，缩减了装置体积，降低了装置整体成本。 

本发明的目的是通过以下技术手段实现的： 

一种配电网综合补偿方法，经过以下的步骤：

1)      对模拟信号进行采样，采样内容包括三相电网电压、配电网综合补偿装置三相装置电流、三相负荷电流和直流母线电压；

2)      对配电网综合补偿装置三相电压进行SPLL（软件锁相环）运算，产生三相电压的相位信息和频率信息；

3)      对配三相负荷电流SPLL的运算结果进行分离运算，将三相负荷电流信号转换为有功轴分量、无功轴分量和零轴分量，将无功轴分量和零轴分量取反后直接给出，将有功轴分量进行低通滤波，将交流成分取出后取反作为给定值；

4)      将配电网综合补偿装置三相电流信号与SPLL（软件锁相环）计算结果运算产生有功轴分量、无功轴分量和零轴分量；

5)      对于三相负荷电流和三相装置电流经过运算后产生的有功轴分量、无功轴分量和零轴分量分别进行闭环PI（比例积分）运算；

6)      将闭环运算结果进行反变换产生三相装置电流调制波信号，调制波信号与控制板自身产生的三角波信号比较后获得驱动信号经高速开关放大。

一种配电网综合补偿装置，主要包括控制器、电路拓扑结构为三相四线制电压型变流器，变流器的三相桥臂的每个桥臂由两个IGBT组成， IGBT的公共点为直流母线，连接有两串联的电容和两串联的电阻，电容支路与电阻支路并联，电容的连接中点为零线，变流器的每相通过电阻及与电阻并联的接触器与电网连接；控件器的一端连接三个变压器、三个电流传感器、三个电流互感器，另一端连接IGBT，变压器采集三相电压，电流传感器采集补偿装置电流、电流互感器采集负荷电流。 

上述配电网综合补偿装置的优选方案，变流器、与电网连接的电阻之间有滤波器，滤波器为电感，也可以是电感和电容构成的滤波电路。 

上述配电网综合补偿装置的优选方案，IGBT的公共点连接的电容为薄膜电容。 

上述配电网综合补偿装置的优选方案，控制器由核心控制板和电源驱动控制板组成，通过排线连接，核心控制板主要包括主控芯片，主控芯片与变压器、电流传感器连接，电源驱动控制板主要包括开关电源、光电隔离驱动芯片，开关电源输入端连接补偿装置的直流母线，输出端连接光电隔离驱动芯片电源输入端，光电隔离驱动芯片信号输入端连接主控芯片，信号输出端连接IGBT。 

核心控制板的功能包括：模拟量采样、数字量采样、PWM（脉宽调制）信号输出、数字量输出、通信功能、核心算法运算。电源驱动控制板的功能包括：能量取电供电功能、驱动信号光电隔离功能。核心控制板和电源驱动控制板之间的连接排线信号包括：三相桥臂PWM（脉宽调制）信号、故障保护信号、风机控制信号。 

与现有技术相比本发明具有以下明显的优点：在不增加硬件成本的基础上，通过一台综合补偿装置可以实现无功、谐波、负序和零序电流分量的综合补偿，综合补偿装置并联在配电网上正常运行之后，配电网电能质量得到治理。本发明所述的综合补偿装置响应速度快，精度高，补偿效果好，同时体积小，损耗低，具有极大的工业推广价值。 

附图说明

图1综合补偿装置主电路结构图； 

图2综合补偿装置控制电路框图；

图3综合补偿装置控制算法框图；

图4综合补偿装置补偿效果试验图；

图中，1-同步变压器，2-电流传感器，3-A相电流，4-B相电流，5-C相电流。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述： 

附图1为综合补偿装置主电路结构图，交流器电路拓扑结构为三相四线制，两个IGBT串联组成单个桥臂，三个桥臂组成三相全桥变流器结构，三相桥臂IGBT的公共点为三相全桥变流器的直流侧，串联的两个电容器为C1和C2，电容器C1、C2串联中点引出作为三相四线制的零线引出，电容器与均压放电电阻R2并联，电阻对串联的容器起到放电和均压的双重作用。

交流器通过电抗器L、缓冲电阻R1、三相交流接触器KM与电网连接，缓冲电阻R1与三相交流接触器KM并联，实现缓冲电阻R1的充电和短接，KM分断时，电网通过缓冲电阻R1给变流器直流侧充电，KM吸合时，缓冲电阻R1两端短接。 

同步变压器1的功能为将0.4KV配电网电压变换为15V左右的低压信号。 

本实施例中采用1200V/200A等级的英飞凌IGBT三支，每支IGBT包含两个IGBT节。由于补偿负序电流时直流侧会存在100Hz的纹波，因此直流侧电容器C1、C2选择薄膜电容而不是电解电容，薄膜电容的纹波电流耐受力大大强于电解电容。 

为了提高并网电流质量降低电流中高频谐波成分的含量，并网连接电抗器可以改成具有滤波作用的LCL电路。 

变流器通过电流传感器2串入主电路获得补偿装置电流信号。 

附图2为综合补偿装置控制电路框图，控制电路结构主要包含核心控制板和电源驱动控制板两部分组成，本实施例中核心控制板主控制芯片采用TI（美国德州仪器）公司的TMS32028335芯片，模拟量信号采样部分需要获取同步变压器1传来的三相电压信号，电流传感器2传来的补偿装置、C2的电压信号。电源驱动控制板与直流侧正负母线连接，吸收能量后经过板内开关电源为控制系统供电，用于0.4KV配电系统的装置中直流侧正负母线电压值大约800V左右，电源驱动控制板开关电源产生的电压等级包含：+24V、+5V、±12V。电源驱动控制板上存在光电隔离的驱动芯片，本实施例选用美国Avago公司的产品HCPL-316J，驱动信号由核心控制板传送过来，经过光电隔离器之后驱动IGBT。 

核心控制板还具有数字量信号的输入输出作用，数字量输入信号包括交流接触器KM的吸合状态，外部交流合闸状态以及外部控制状态，数字量输出信号包括交流接触器KM的吸合控制，散热风机的开关控制，外部故障的状态量输出等。 

图3为综合补偿装置控制算法框图，该控制算法主要在核心控制板内的DSP中进行运算。 

DSP（数字信号处理器）芯片采样三相电压信号Ua、Ub、Uc后经过软件锁相环子模块获得电压的相角和频率信息，该相角和频率信息供给ABC/DQ0变换子模块和DQ0/ABC变换子模块使用,其中ABC/DQ0变换子模块的变换矩阵为： ，DQ0/ABC变换子模块的变换矩阵为：； 

通过外部CT信号获得的负荷电流信号ILa、ILb、ILc经过ABC/DQ0模块转换为D轴分量ILd、Q轴分量ILq和0轴分量IL0，其中ILd为有功成分，ILq为无功成分，IL0为零序分量成分,变换公式为：。其中基波有功分量和基波无功分量为直流成分，负序分量经过ABC/DQ0转换后为两倍频基波成分，通过调节低通滤波器参数和控制算法可以选择对无功、谐波、负序和零序分量进行处理从而产生电流指令；

对直流侧电容C1、C2进行控制可以将直流侧电压稳定到一个固定值附近，同时对于电容C1、C2的电压控制还能起到均压作用。本图所示的电流闭环控制器可以采用PID（比例积分微分）控制、模糊控制、滞环控制等算法实现。PWM（脉宽调制）发波模块采用SPWM（正弦脉宽调制）方式进行，载波为三角波，本实施例载波频率设置为10KHz。产生三相桥的六个IGBT节的驱动信号经过光电隔离器之后驱动IGBT快速开关。

图4为本实施例零序电流补偿实验的实验波形图，图中波形为三相电流波形，波形在横轴时间段前三格时补偿点B相电流2波形幅值基本为0,A相主电流1和C相电流2波形幅值基本相同且相位差为120°，可见电流存在大量零序分量。经过横轴第三格时间后综合补偿装置启动，横轴第三格和第四格之间时间段内装置直流侧母线电压升高，第四格时间段后装置进行正常补偿，补偿后三相电流基本平衡，可见装置对零序分量造成的三相电流不平衡具有很好的补偿效果。 

以上所述，仅为本发明的一部分具体实施方式，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。 

Claims (9)

1.配电网综合补偿方法，其特征是：经过以下的步骤： 

1）对模拟信号进行采样，采样内容包括三相电网电压、配电网综合补偿装置三相电流、三相负荷电流和直流母线电压；

对配电网综合补偿装置三相电压进行SPLL运算，产生三相电压的相位信息和频率信息；

对三相负荷电流SPLL的运算结果进行分离运算，将三相负荷电流信号转换为有功轴分量、无功轴分量和零轴分量，将无功轴分量和零轴分量取反后直接给出，将有功轴分量进行低通滤波，将交流成分取出后取反作为给定值；

将配电网综合补偿装置三相电流信号SPLL运算产生有功轴分量、无功轴分量和零轴分量；

对于三相负荷电流和配电网综合补偿装置三相电流经过运算后产生的有功轴分量、无功轴分量和零轴分量分别进行闭环PI运算；

将闭环运算结果进行反变换产生三相装置电流调制波信号，与控制板自身产生的三角波信号比较后获得驱动信号经高速开关放大。

2.实现权利要求1所述的配电网综合补偿方法的配电网综合补偿装置，主要包括控制器、电路拓扑结构为三相四线制电压型变流器，其特征是：所述变流器的三相桥臂的每个桥臂由两个IGBT组成，IGBT的公共点为直流母线，连接有两串联的电容和两串联的电阻，所述电容支路与所述电阻支路并联，所述电容的连接中点为零线，所述变流器的每相通过电阻及与电阻并联的接触器与电网连接；所述控件器的一端连接三个变压器、三个电流传感器、三个电流互感器，另一端连接IGBT，变压器采集三相电压，电流传感器采集补偿装置电流、电流互感器采集负荷电流。

3.根据权利要求2所述的配电网综合补偿装置，其特征是：所述变流器、与电网连接的所述电阻之间有滤波器。

4.根据权利要求3所述的配电网综合补偿装置，其特征是：所述滤波器为电感。

5.根据权利要求3所述的配电网综合补偿装置，其特征是：所述滤波器为电感和电容构成的滤波电路。

6.根据权利要求1所述的配电网综合补偿装置，其特征是：所述IGBT的公共点连接的所述电容为薄膜电容。

7.根据权利要求1所述的配电网综合补偿装置，其特征是：所述控制器由核心控制板和电源驱动控制板组成，通过排线连接。

8.根据权利要求7所述的配电网综合补偿装置，其特征是：所述核心控制板主要包括主控芯片，所述主控芯片与所述电压传感器与电流传感器连接。

9.根据权利要求7所述的配电网综合补偿装置，其特征是：所述电源驱动控制板主要包括开关电源、光电隔离驱动芯片，所述开关电源输入端连接所述直流母线，输出端连接所述光电隔离驱动芯片的电源输入端，所述光电隔离驱动芯片信号输入端连接所述主控芯片，信号输出端连接IGBT。