CN104201680A - 一种综合电能质量调节器及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种综合电能质量调节器，包括串、并联有源滤波器单元、测量单元和控制单元。其中并联有源滤波器单元和并联无源滤波器单元串联构成并联单元，并联接入系统；串联有源滤波器单元由串联控制单元控制，通过对第一逆变器单元各开关管的驱动，使串联有源滤波器单元输出正弦电流；并联有源滤波器单元由并联控制单元控制，通过对第二逆变器单元各开关管的驱动，使并联有源滤波器单元输出指定电压；并联无源滤波器单元为LC滤波电路，用于给负荷谐波电流提供低阻抗通路并补偿负荷的无功功率。木发明克服了原有的并联有源滤波器容量大、造价高的缺点；其检测和控制系统简单、输出跟踪效果较好；具有更好的补偿效果、更高的性价比，且更易于硬件实现。
Description
技术领域
本发明属于电力系统自动化领域，具体涉及一种电能质量调节器。
背景技术
近年来电力电子技术的发展，使得配电网中的整流器、变频调速装置、电弧炉、电气化铁道等非线性、不平衡和冲击性负荷不断增加。这些负荷在大大提高生产效率的同时，也给电网带来了电能质量污染问题，如谐波、低功率因数、不平衡、以及电压波动和闪变等。综合电能质量调节器(UnifiedPower Quality Conditioner,UPQC，也称统一电能质量控制器)可以对这些电能质量问题进行综合补偿，它尤其适用于那些既会对系统产生电能质量污染，又对供电电压变化十分敏感的负荷。归纳起来，当前正在应用和研究中的综合电能质量调节器具有以下特点:
从结构上看，综合电能质量调节器由串联有源滤波器(Series ActivePower Filter,SAPF)和并联有源滤波器(Parallel Active Power Filter,PAPF)构成。从控制策略上看，串联有源滤波器一般被控制为电压源，其输出电压与系统谐波电流ish和/或系统谐波电压vsh成正比，且一般还要求它能将负荷侧电压幅值稳定在额定值附近；而并联有源滤波器则一般被控制为电流源，用于吸收负荷的谐波ilh和/或无功电流ilq，并维持整个装置的有功功率平衡。
此类技术参考文献有:Akigi H.New Trends in Active Filters for PowerConditioning[J].IEEE Trans.on Industrial Application,1996,2(6):1312-1322。
当前正在应用和研究的综合电能质量调节器如图1所示，一般包含串联有源滤波器单元1、并联有源滤波器单元2、测量单元3和控制部件4。其中:：Lf1,Lf2和Cf1,Cf2分别为滤波电感和电容；直流电容Cd用于向第一逆变器单元1.1和第二逆变器单元2.1提供直流电压Vdc；组成第一和第二逆变器单元的开关管为可关断电力电子开关器件(绝缘栅双极型晶闸管IGBT、门极可关断晶闸管GTO等)中的一种；第一逆变器单元1.1通过第一变压器单元1.2向系统注入电压vis，vis一般与ish,(ish为系统电流is的谐波分量)和/或vsh(vsh为系统电压vs的谐波分量)成正比，有的综合电能质量调节器还要求vss可以将负荷电压vl的基波幅值维持在额定值附近；第二逆变器单元2.1通过第二变压器单元2.2向系统注入电流ic，电流ic一般用于补偿负荷电流il的谐波分量和维持直流侧电压Vdc的稳定，某些综合电能质量调节器还要求ic可以补偿负荷电流il的无功分量和不对称分量；测量单元3采用互感器或霍尔传感器采集电压电流信号(如vs,is等)；控制部件4根据测量单元3采集的信号进行控制，现有技术中有各种不同的控制方法，但一般将串联有源滤波器控制为电压源、将并联有源滤波器控制为电流源。
上述综合电能质量调节器存在以下问题：①并联有源滤波器承受电压较大(和整个负荷电压相当)，从而所需容量较大，在工程实现时具有技术难度大、造价高和设备运行效率低等问题。②串联有源滤波器被控制为一可控的电压源，其输出参考电压通常包含一定谐波，从而使得检测和控制系统复杂、输出跟踪效果不好。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有的缺陷，提供一种高性能的综合电能质量调节器。该电能质量调节器可以减小其并联部分的有源滤波器的容量，并改善其控制效果，提升其性价比。
本发明提供的一种综合电能质量调节器，包括串联有源滤波器单元、并联有源滤波器单元、测量单元和控制单元，串联有源滤波器单元中的第一逆变器单元和并联有源滤波器单元中的第二逆变器单元共用一个直流贮能电容器，串联有源滤波器单元通过第一变压器单元串联接入系统，测量单元用于采集来自电网、串联有源滤波器单元和并联有源滤波器单元的电压、电流信号，其特征在于：
并联有源滤波器单元和并联无源滤波器单元串联构成并联单元，并联接入系统；
控制单元由并联控制单元和串联控制单元构成，它根据从测量单元输入的电压、电流信号输出驱动脉冲，其中，并联控制单元用于控制并联有源滤波器单元输出指定的电压，串联控制单元用于控制串联有源滤波器单元输出正弦电流；
串联有源滤波器单元由串联控制单元控制，通过对第一逆变器单元各开关管的驱动，使串联有源滤波器单元输出正弦电流；
并联有源滤波器单元由并联控制单元控制，通过对第二逆变器单元各开关管的驱动，使并联有源滤波器单元输出指定电压；
并联无源滤波器单元为LC滤波电路，用于给负荷谐波电流提供低阻抗通路并补偿负荷的无功功率。
上述并联控制单元的结构为：无功计算单元根据输入的负荷电压和电流vl、il信号，计算负荷基波无功功率Ql，并将该信号传递给无功补偿计算单元；基波分解单元根据输入负荷电压vl和电流il信号，计算获得负荷电压基波有效值Vlf、同相单位正弦波v*lf1，和差相单位正弦波v*lf2认，其中v*lf1为与vl同相位的单位正弦波、v*lf2为超前于vl.电角度的单位正弦波；无功补偿计算单元根据输入信号Ql、Vlf和Xc，其中Xc为并联无源滤波器单元的等值基波电抗、Vlf为负荷电压的基波有效值，采用下式计算并联有源滤波器单元需输出的用于无功调节的电压幅值V*ipq：
V*ipq＝1.41(Vlf–Ql*Xc/Vlf)
第一比例积分单元根据输入信号△Vdc，△Vdc＝V*dc－Vdc，其中V*dc为直流电压目标值、Vdc为直流电压实际值，计算获得并联有源滤波器单元需输出的用于稳定直流侧电压的电压幅值V*ipp；谐波分解单元根据输入信号vl，计算获得负荷电压谐波分量vlh，并将该信号传递给第二比例积分单元；第二比例积分单元根据输入信号vlh，计算获得并联有源滤波器单元需输出的谐波电压V*ipq；并联脉冲宽度调制控制单元根据输入信号v*lp，v*lp＝v*lpp+v*lpq+v*lph，v*lpq＝V*lpq*vlf1，v*lpp＝V*lPP*vlf2，计算获得第二逆变器单元中开关管的触发脉冲信号，并输送给并联驱动单元；并联驱动单元根据输入的触发脉冲信号，对触发脉冲信号进行隔离放大，输出对第二逆变器单元中开关管的驱动脉冲，驱动开关管。
上述串联控制单元的结构为：同步信号单元根据输入信号vs或is，计算获得串联有源滤波器单元需输出的电流的参考单位正弦波i*lsu；第三比例积分单元根据输入信号△Vlf，△Vlf＝V*lf－Vlf，其中Vlf为负荷电压基波有效值，V*lf为负荷基波电压目标有效值，计算获得串联有源滤波器单元需输出的基波电流幅值I*ls；滞环电流单元根据输入信号i*ls和ils，其中，i*ls＝I*ls*i*lSu，计算获得第一逆变器单元中各开关管的触发脉冲信号，输送给串联驱动单元；串联驱动单元根据输入的触发脉冲信号，对触发脉冲隔离放大，输出对第一逆变器单元中开关管的驱动脉冲，驱动开关管。
本发明提出的综合电能质量调节器在结构上，在并联有源滤波器单元上串联了一个并联无源滤波器单元构成并联单元，然后并联接入系统；在控制策略上，串联有源滤波器单元被控制为基波正弦电流源、并联有源滤波器单元被控制为电压源。
有益效果
本发明提出的综合电能质量调节器和现有电能调节器在结构和工作方式上均不相同，它能很好地解决现有的电能质量调节器所存在的问题。
具体而言，本发明具有以下技术效果：
1、并联有源滤波器单元所需容量小。本发明提供的综合电能质量调节器的并联单元由并联无源滤波器单元和并联有源滤波器单元串联构成，大部分的基波电压由并联无源滤波器单元承担，与传统综合电能质量调节器相比，本发明的并联有源滤波器单元承受的电压减小很多，从而大大减小了所需容量，克服了传统的综合电能质量调节器中并联有源滤波器容量大、造价高的缺点。
2、将串联有源滤波器单元控制为基波正弦电流源，与现有的综合电能质量调节器将串联部分控制为谐波电压源相比，其检测和控制系统简单、输出跟踪效果较好。
3、本发明提供的综合电能质量调节器具有传统综合电能质量调节器的所有功能，同时具有更好的补偿效果、更高的性价比，且更易于硬件实现。
附图说明
图1为现有的电能质量调节器的结构示意图；
图2为本发明提供的电能质量调节器的结构示意图；
图3为图2中并联控制单元的一种具体实施方式的控制框图；
图4为图2中串联控制单元的一种具体实施方式的控制框图；
图5为本发明的仿真研究系统图；
图6为未进行任何补偿时的系统仿真波形；
图7为本发明投入后的系统仿真波形。
具体实施方式
本发明提出的综合电能质量调节器，如图2,3,4所示，包括：串联有源滤波器单元1、并联单元5、测量单元3、控制单元7。
串联有源滤波器单元1通过第一变压器单元1.2串联接入系统，通过控制单元7的控制输出正弦电流，从而强迫系统电流变为正弦，起到抑制系统电流谐波和负荷电压动态恢复的作用，通过适当的控制(如后所述)还可以起到校正系统功率因数的作用；并联单元5由并联有源滤波器单元2和并联无源滤波器单元6串联构成，然后并联接入系统，通过控制单元7的控制输出指定电压，起到稳定直流侧电压Vdc的作用，通过适当的控制(如后所述)还可以起到负荷功率因数调整、负荷电压波形优化的作用；测量单元3采集电压电流信号，并传递给控制单元7；控制单元7根据获得的电压电流信号，并根据如后所述的控制方法输出驱动脉冲，对第一和第二逆变器单元的开关管进行驱动。
下面对各单元进行具体说明。
串联有源滤波器单元1包括第一逆变器单元1.1、第一变压器单元1.2和滤波电感电容Lf1、Cf1，各子单元和器件的结构和连接方法与前述串联有源滤波器部件1相同，但控制方法不同，在本发明中，串联有源滤波器单元1通过控制单元7的控制，输出正弦电流，从而实现抑制系统谐波电流和负荷电压动态恢复的目标，且根据需求还可以满足校正系统功率因数的目标。
并联单元5由并联有源滤波器单元2和并联无源滤波器单元6串联构成；并联有源滤波器单元2包括第二逆变器单元2.1、第二变压器单元2.2和滤波电感电容Lf2、Cf2，各单元和器件的结构和连接方法与前述并联有源滤波器单元2相同，但控制方法不同，在本发明中，并联有源滤波器单元2通过控制单元7的控制，输出指定的电压，且输出电压必须考虑直流母线电压稳定的要求，其次要满足负荷节点动态功率因数调整、负荷电压波形优化这两个目标中一个或两个的需求；并联无源滤波器单元6是常规的LC滤波电路，可以由一个LC支路构成，也可以由两个或多个LC支路并联组成，其作用是给负荷谐波电流提供低阻抗通路并补偿负荷的无功功率。
与现有技术相同，第一逆变器单元和第二逆变器单元共用一个直流贮能电容器Cd，使得第二逆变器单元向直流贮能电容器Cd充放电，提供串联有源滤波器单元和并联有源滤波器单元消耗的有功功率。
测量单元3的实现方式与现有技术中的测量部件3相同。
控制单元7包括并联控制单元8和串联控制单元9，分别用于对并联有源滤波器单元2的输出电压、串联有源滤波器单元1的输出电流进行控制。
下面举例说明并联控制单元8和串联控制单元9的一种具体实施方式。
如图3所示，并联控制单元8包含八个子单元，各子单元的功能和连接关系为：
无功计算单元8.1的输入信号为负荷电压和电流vl、il，采用现有的负荷基波无功的计算方法(如经典功率理论、Akagi瞬时功率理论等)，计算出负荷基波无功QL(负荷为感性时，QL>0；反之QL<0)，并将该信号传递给无功补偿计算单元8.2；
无功补偿计算单元8.2的输入信号为QL、Vlf和Xc，其中Xc为并联无源滤波器单元6的等值基波电抗、Vlf为负荷电压的基波有效值(来自基波分解单元8.3，详见下文)；该单元通过下式获得并联有源滤波器单元2需输出的用于无功调节的电压幅值V*ipq：
V*ipq＝1.41(Vlf–Ql*Xc/Vlf)
基波分解单元8.3的输入信号为负荷电压和电流vl、il，根据现有的方(如快速傅立叶变换和锁相技术等)获得负荷电压基波有效值Vlf、同相单位正弦波v*lf1和差相单位正弦波v*lf2，其中，v*lf1为与vl同相位的单位正弦波、v*lf2为超前于vl90°电角度的单位正弦波。
第一比例积分单元8.4的输入信号为△Vdc＝V*dc－Vdc，其中V*dc为直流侧电压目标值、Vdc为直流侧电压实际值；根据比例积分算法获得并联有源滤波器单元2需输出的用于稳定直流侧电压的电压幅值V*lpp。
谐波分解单元8.5的输入信号为vl；根据现有的方法(如快速傅立叶变换等)获得负荷电压谐波分量vlh，并将该信号传递给第二比例积分单元8.6。
第二比例积分单元8.6的输入信号为vlh；根据比例积分算法获得并联有源滤波器单元2需输出的谐波电压v*lPh，其作用为优化负荷电压波形。
V*lpp与v*lf2的乘积为并联有源滤波器单元2需输出的用于稳定直流侧电压的电压v*lpp，其作用为将直流侧电压Vdc稳定在目标值V*dc附近；V*lpq与v*lf1的乘积为并联有源滤波器单元2需输出的用于无功调节的电压v*lpq，其作用为校正负荷功率因数；v*lpp、V*lpq、v*lPh的和为并联有源滤波器单元2需输出的电压v*lp(即：v*lp＝v*lpp+V*lpq+v*lPh)。上述的乘法和加法可以用硬件电路(如乘法器、加法器)实现，也可以采用软件编程实现。
并联脉冲宽度调制(PWM)控制单元8.7的输入信号为v*lp；根据PWM控制方法获得第二逆变器单元2.1中各开关管的触发脉冲。
并联驱动单元8.8的输入信号为并联PWM控制单元8.7输出的触发脉冲；利用现有的驱动电路(如IGBT、GTO集成驱动板等)，对触发脉冲隔离放大，输出对第二逆变器单元2.1中各开关管的驱动脉冲，对各开关管进行驱动。
如图4所示，串联控制单元9包含四个子单元，各子单元的功能和连接关系为：
同步信号单元9.1的输入信号为vs或is(选vs时串联有源滤波器单元1可以校正系统功率因数，选is时则不可)，根据现有的方法(如锁相等)获得串联有源滤波器单元1需输出的电流的参考单位正弦波i*lsu，其作用为使得串联有源滤波器单元1输出电流为正弦。
第三比例积分单元9.2的输入信号为△Vlf，且△Vlf＝V*lf－Vlf，其中V*lf为负荷基波电压目标有效值；根据比例积分算法获得串联有源滤波器单元1需输出的基波电流幅值I*ls。
I*ls与i*lsu的乘积为串联有源滤波器单元1需输出的基波正弦电流i*ls，其作用为抑制系统电流谐波，和动态恢复负荷电压(将Vlf稳定在目标值V*lf附近)，和/或校正系统功率因数。
滞环电流单元9.3的输入信号为i*ls和ils(串联有源滤波器单元1实际输出电流)；根据滞环电流控制的方法获得第一逆变器单元1.1中各开关管的触发脉冲。
串联驱动单元9.4的输入信号为滞环电流单元9.3输出的触发脉冲；利用现有的驱动电路(如IGBT,GTO集成驱动板等)，对触发脉冲隔离放大，输出对第一逆变器单元1.1中各开关管的驱动脉冲，对各开关管进行驱动。
对如图5所示系统进行仿真研究，系统参数为：电源电压为220V标准正弦电压；系统电抗Zs＝0.045+j0.6Ω；并联无源滤波器单元为三次和五次滤波支路的并联，其中三次滤波支路参数L3＝l0mH，C3＝110μF，五次滤波支路参数L5＝3.38mH，C5＝120μF；负荷为单相可控整流器带电阻、电感串联负荷，Zld＝2+j3Ω。
图6所示为没有进行任何补偿时的仿真波形。由图可见，此时，由于负荷非线性的缘故，负荷电压vL具有较大的畸变，其总谐波畸变度(THD)为7.072％；负荷电压谐波分量vlh的幅值超过了60V，如图中的第二个波形所示，达到了其基波幅值的20％；图中的第三个波形为系统电流is波形，由图可见，此时系统电流也存在较大的畸变，其总谐波畸变度为13.431％。
图7给出了采用本发明提出的综合电能质量调节器进行补偿的仿真波形，此时并联单元5对负荷功率因数进行校正，串联有源滤波器单元1对系统功率因数进行校正。和图6相比，此时负荷电压，:的波形有了很大的改善，总谐波畸变度降为1.283％。
上述仿真结果表明，本发明提出的综合电能质量调节器能有效地实现补偿负荷谐波电流、抑制负荷电压畸变、同时调整负荷节点功率因数和系统功率因数等功能。
Claims (3)
1.一种综合电能质量调节器，包括串联有源滤波器单元、并联有源滤波器单元、测量单元和控制单元，串联有源滤波器单元中的第一逆变器单元和并联有源滤波器单元中的第二逆变器单元共用一个直流贮能电容器，串联有源滤波器单元通过第一变压器单元串联接入系统，测量单元用于采集来自电网、串联有源滤波器单元和并联有源滤波器单元的电压、电流信号，其特征在于：
并联有源滤波器单元(2)和并联无源滤波器单元(6)串联构成并联单元(5)，并联接入系统；
控制单元(7)由并联控制单元(8)和串联控制单元(9)构成，它根据从测量单元(3)输入的电压、电流信号输出驱动脉冲，其中，并联控制单元(8)用于控制并联有源滤波器单元(2)输出指定的电压，串联控制单元(9)用于控制串联有源滤波器单元(1)输出正弦电流；
串联有源滤波器单元(1)由串联控制单元(9)控制，通过对第一逆变器单元(1.l)各开关管的驱动，使串联有源滤波器单元(1)输出正弦电流；
并联有源滤波器单元(2)由并联控制单元(8)控制，通过对第二逆变器单元(2.1)各开关管的驱动，使并联有源滤波器单元(2)输出指定电压；
并联无源滤波器单元(6)为LC滤波电路，用于给负荷谐波电流提供低阻抗通路并补偿负荷的无功功率。
2.权利要求1所述的综合电能质量调节器的控制方法，其特征在于：所述并联控制单元(8)的控制结构为：
无功计算单元(8.1)根据输入的负荷电压和电流vl、il信号，计算负荷基波无功QL，并将该信号传递给无功补偿计算单元(8.2)；
基波分解单元(8.3)根据输入负荷电压和电流vl、il信号，计算获得负荷电压基波有效值Vlf、同相单位正弦波v*lf1和差相单位正弦波v*lf2，其中，v*lf1为与vl同相位的单位正弦波、v*lf2为超前于vl90°电角度的单位正弦波；
无功补偿计算单元(8.2)的输入信号为QL、Vlf和Xc，其中Xc为并联无源滤波器单元6的等值基波电抗、Vlf为负荷电压的基波有效值，通过下式获得并联有源滤波器单元(2)需输出的用于无功调节的电压幅值V*ipq：
V*ipq＝1.41(Vlf–Ql*Xc/Vlf)
第一比例积分单元(8.4)的输入信号为△Vdc＝V*dc－Vdc，其中V*dc为直流侧电压目标值、Vdc为直流侧电压实际值；根据比例积分算法获得并联有源滤波器单元(2)需输出的用于稳定直流侧电压的电压幅值V*lpp；
谐波分解单元(8.5)的输入信号为vl；计算获得负荷电压谐波分量vlh，并将该信号传递给第二比例积分单元(8.6)；
第二比例积分单元(8.6)的输入信号为vlh；计算获得并联有源滤波器单元(2)需输出的谐波电压v*lPh；
并联脉冲宽度调制控制单元(8.7)根据输入信号v*lp，v*lp＝v*lpp+V*lpq+v*lPh)，v*lpq＝V*lpq*v*lf1，v*lpp＝V*lpp*v*lf2，计算获得第二逆变器单元(2.1)中开关管的触发脉冲信号，并输送给并联驱动单元(8.8)；
并联驱动单元(8.8)根据输入的触发脉冲信号，对触发脉冲信号进行隔离放大，输出对第二逆变器单元(2.1)中开关管的驱动脉冲，驱动开关管。
3.根据权利要求1所述的综合电能质量调节器，其特征在于：所述串联控制单元(9)的控制结构为：
同步信号单元(9.1)根据输入信号vs或is，计算获得串联有源滤波器单元(1)需输出的电流的参考单位正弦波i*lsu；
第三比例积分单元((9.2)根据输入信号△Vlf，且△Vlf＝V*lf－Vlf，其中Vlf为负荷电压基波有效值，V*lf为负荷基波电压目标有效值，计算获得串联有源滤波器单元(1)需输出的基波电流幅值Irs；
滞环电流单元(9.3)根据输入信号i*ls和ils，其中，i*ls＝I*ls*i*lSu，计算获得第一逆变器单元(1.1)中各开关管的触发脉冲信号，输送给串联驱动单元(9.4)；
串联驱动单元(9.4)根据输入的触发脉冲信号，对触发脉冲隔离放大，输出对第一逆变器单元(1.1)中开关管的驱动脉冲，驱动开关管。
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2014
- 2014-09-17 CN CN201410474863.2A patent/CN104201680A/zh not_active Withdrawn
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C04 | Withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20141210 |