CN104362759B - 一种配电网末级电能质量调控装置及调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电能质量治理领域，尤其涉及一种配电网不平衡负荷的调控领域，具体为一种配电网末级电能质量调控装置及调控方法，用于对配电网末级电能质量进行控制，从而实现对配电网末级中谐波、无功、三相不平衡等电能质量问题的治理。本发明具有以下优点和积极效果：1、提出了改进的电流控制方法，该方法动态响应速度快，跟踪效果好，改善补偿效果；2、提出了完善的配电网末级电能质量调控装置结构，在该装置上运行所设计的控制算法，可以实现对该装置的有效控制，达到良好的谐波抑制效果，并可实现补偿无功功率、平衡三相负荷等功能；3、该装置响应速度快，可在短时间内响应负荷变化而进行跟踪补偿。

Description

一种配电网末级电能质量调控装置及调控方法

技术领域

本发明属于电能质量治理领域，尤其涉及一种配电网电能质量的调控领域，具体为一种配电网末级电能质量调控装置及调控方法。

背景技术

配电网内部电能质量常见问题主要包括不平衡、谐波、电压波动和频率偏差。近年来，随着光伏、风电等分布式电源的接入，对配电网电能质量带来一系列不利影响。光伏发电和风力发电输出功率随外界环境变化而变化，输出功率的波动容易引起电网电压波动，尤其是容量较大的基于双馈感应发电机的风力发电在并网时容易造成电压跌落；单相微源接入三相配电网时，发电功率注入到其中一相，可能引起该相电压偏高，而造成三相电压不平衡。配电网中常见微源大都通过逆变器进行并网发电，虽然可以通过连接输出滤波器、提高开关频率和改进控制策略来抑制逆变器工作时产生谐波和间谐波，但是还是不可避免地产生少量谐波电流注入到配电网中，甚至导致配电网发生谐波谐振。燃料电池发电的功率因数随实际功率所占其额定容量比例有关，当比例较小时，容易造成较低的功率因数。不管是家用电器或者商业建筑电气，还是工业生产设备，大部分用电设施或者负荷存在整流电路或者移相电路，工作电流含有较高的谐波成分流入到配电网。尤其是普通居民用电负荷绝大部分为单相供电，势必造成三相负荷的不平衡，当前解决三相系统不平衡问题的主要措施是考察线路负荷，重新均衡化布置负荷，使负荷尽量平均的接入三相系统。

为确保配电网安全、经济、高效、稳定的运行，提供一种配电网末级电能质量调控装置及方法，为用户提供绿色、优质的电力服务，提高电力公司的供电可靠性与供电质量都具有重要的意义。

然而，目前常见的电能质量控制装备主要以负载电流i _la 、i _lb 、i _lc 为补偿对象，从本质上讲属于开环控制策略，对电源不具抗扰性，补偿性能较差；特别是，配电网末级中接入的微源具有间歇性的特点，对电能质量控制装备的动态响应要求更高。因此，普通电能质量控制装备动态特性一般不能要求。当补偿容量超出装置的补偿能力时，一般采取硬件限流的措施，导致补偿电流削顶，反而对电源注入更加丰富的谐波。

发明内容

本发明为了解决配电网采用现有的补偿措施补偿效果有限的问题，提供了一种配电网末级电能质量调控装置及调控方法。

本发明是采用如下的技术方案实现的：配电网末级电能质量调控装置，包括由IGBT构成的逆变桥、电压传感器、电流传感器、温度传感器、其内写有锁相环程序的数字信号处理器DSP、驱动单元、连接电抗器和通讯模块；

电压传感器的输入端和配电网、逆变桥的直流侧连接，电流传感器的输入端和配电网连接，温度传感器的输入端和IGBT底座散热器和连接电抗器连接，电压传感器、电流传感器和温度传感器的输出端和数字信号处理器DSP的输入端连接，数字信号处理器DSP的输出端和驱动单元的输入端连接，驱动单元的输出端和逆变桥中IGBT的控制端连接，逆变桥的输入端通过连接电抗器和配电网连接，逆变桥的直流侧连接有滤波电容且和配电网末级公共连接点相连接，数字信号处理器DSP还通过通讯模块和外部人机界面连接。

利用上述的调控装置的调控方法包括以下步骤：

S1：电压传感器测出配电网的电压信号u _sa 、u _sb 、u _sc 和逆变桥直流侧电压信号U _dc ，电流传感器测出电流信号i _sa 、i _sb 、i _sc ，并将电压信号和电流信号送入到数字信号处理器DSP内：

S2：数字信号处理器DSP将输入的电压信号u _sa 、u _sb 、u _sc 根据锁相环程序计算出系统相位sinθ 和cosθ ，数字信号处理器DSP还通过输入的逆变桥直流侧电压信号U _dc 计算出电压偏差信号ΔUdc，并利用其内的比例-积分环节计算出与ΔUdc相对应的有功电流分量i _dref ；

S3：数字信号处理器DSP将输入的电流信号i _sa 、i _sb 、i _sc 根据计算出的系统相位sinθ和cosθ通过PARK和CLARK变换转换为同步旋转坐标系中的电流i _sd 、i _sq 、i _so ，电流i _sd 、i _sq 、i _so 分别和有功电流分量i _dref 、无功电流分量i _qref 、不平衡电流分量i _oref 比较，比较出的差值分别为i _dc ＝i _dref -i _sd ，i _qc ＝i _qref -i _sq ，i _oc ＝i _oref -i _so ，设定i _qref =0、i _oref =0；

S4：数字信号处理器DSP根据S3得到的差值i _dc 、i _qc 、i _oc 输出PWM信号，PWM信号由驱动单元送入到逆变桥的IGBT中，维持逆变桥中直流母线电压恒定，逆变桥交流侧输出电流i _ac ^* 、i _bc ^* 、i _cc ^* 补偿到配电网中。

数字信号处理器DSP可以计算出配电网电压、电流的总谐波畸变率、不平衡度、有效值等电能质量参数，还可读取IGBT、电抗器温度参数，并传输到人机界面，为配电网的调控提供了方便。

本发明提供了一种配电网末级电能质量调控装置及方法，本装置和方法，具有以下优点和积极效果：1、提出了改进的电流控制方法，该方法动态响应速度快，跟踪效果好，改善补偿效果；2、提出了完善的配电网末级电能质量调控装置结构，在该装置上运行所设计的控制算法，可以实现对该装置的有效控制，达到良好的谐波抑制效果，并可实现补偿无功功率、平衡三相负荷等功能；3、该装置响应速度快，可在短时间内响应负荷变化而进行跟踪补偿。

附图说明

图1为本发明的电气接线图。

图2为本发明的调控装置的调控原理图。

图3为本发明的调控装置的结构图。

图4为本发明的调控方法的流程图。

图5为未投入调控装置前的配电网电流波形图。

图6为投入该装置后采用PI算法的配电网电流波形图。

图7为投入该装置后采用改进PI算法的配电网电流波形图。

具体实施方式

配电网末级电能质量调控装置，包括由IGBT构成的逆变桥、电压传感器、电流传感器、温度传感器、数字信号处理器DSP、驱动单元、连接电抗器和通讯模块；

电压传感器的输入端和配电网和逆变桥的直流侧连接，电流传感器的输入端和配电网连接，温度传感器的输入端和IGBT底座散热器和连接电抗器连接，电压传感器、电流传感器和温度传感器的输出端和数字信号处理器DSP的输入端连接，数字信号处理器DSP的输出端和驱动单元的输入端连接，驱动单元的输出端和逆变桥中IGBT的控制端连接，逆变桥的输入端通过连接电抗器和配电网连接，逆变桥的直流侧连接有滤波电容且和配电网末级公共连接点相连接，数字信号处理器DSP还通过通讯模块和外部人机界面连接。

利用上述调控装置的调控方法包括以下步骤：

S1：电压传感器测出配电网的电压信号u _sa 、u _sb 、u _sc 和逆变桥直流侧电压信号U _dc ，电流传感器测出电流信号i _sa 、i _sb 、i _sc ，并将电压信号和电流信号送入到数字信号处理器DSP内：

S2：数字信号处理器DSP将输入的电压信号u _sa 、u _sb 、u _sc 根据锁相环程序计算出系统相位sinθ 和cosθ ，数字信号处理器DSP还通过输入的逆变桥直流侧电压信号U _dc 计算出电压偏差信号ΔUdc，并利用其内的比例-积分环节计算出与ΔUdc相对应的有功电流分量i _dref ；

S3：数字信号处理器DSP将输入的电流信号i _sa 、i _sb 、i _sc 根据计算出的系统相位sinθ和cosθ通过PARK和CLARK变换转换为同步旋转坐标系中的电流i _sd 、i _sq 、i _so ，电流i _sd 、i _sq 、i _so 分别和有功电流分量i _dref 、无功电流分量i _qref 、不平衡电流分量i _oref 比较，比较出的差值分别为i _dc ＝i _dref -i _sd ，i _qc ＝i _qref -i _sq ，i _oc ＝i _oref -i _so ，设定i _qref =0、i _oref =0；

S4：数字信号处理器DSP根据S3得到的差值i _dc 、i _qc 、i _oc 输出PWM信号，PWM信号由驱动单元送入到逆变桥的IGBT中，维持逆变桥中直流母线电压恒定，逆变桥交流侧输出电流i _ac ^* 、i _bc ^* 、i _cc ^* 补偿到配电网中。

具体实施时，如图1所示，逆变桥通过连接电抗器和配电网并联，逆变桥直流侧采用滤波电容C为储能元件，U _dc 为逆变桥直流侧滤波电容电压C的电压。该调控装置直接检测配电网电流，避免了传统方法检测配电网负载电流繁琐过程，避免了谐波检测环节，降低了控制成本，提高了装置的响应速度。

图2所示为本调控装置的控制回路，该控制回路包括逆变桥直流侧电压环控制和交流侧电流环控制，其中直流侧电压环控制所采用的分段PI控制，计算简单，响应迅速，为最佳的实施方式，它能在维持直流侧电压稳定的同时，得到配电网负荷基波有功电流参考值；而电流环则根据配电网侧电流的测量值，经坐标系变换到三相同步坐标系中，与参考值比较，经复合控制器处理，反变换后，生成PWM调制信号，控制IGBT模块的导通、关断，使调控装置输出补偿电流，达到调控目的。本发明充分利用了改进PI控制的动态响应速度快，跟踪能力强，提高了补偿电流的动态响应能力。

图4为调控方法的流程图；DSP数字信号处理器内存贮控制程序，程序在计算系统电流时，将系统电流中的零序分量、负序分量、谐波分量通过控制算法形成指令信号，避免了目前常用的谐波检测法可能受系统电压畸变影响而检波失真的问题，进而排除了可能的干扰，使控制效果进一步改善。步骤1开始，步骤2为装置初始化，在步骤3中为信号采集与存储，在步骤4中对所采集的电压、电流、温度等信号进行预处理，执行完步骤4后进入步骤5计算数字锁相环，在步骤6中对直流侧电压计算生成有功电流分量，执行完步骤6后进入步骤7，将配电网电流变换到三相同步坐标系，与电流分量做差后进行复合控制运算，执行完步骤7后进入步骤8，生成参考电流，执行完步骤8后进入步骤9，计算生成PWM控制信号，执行完步骤9后进入步骤10，输出补偿电流。

图5所示为配电网电流波形，从图中看出配电网电流不平衡现象严重；图6所示为调控装置采用PI控制算法时，配电网电流波形，电流不平衡现象得到改善，但是波形质量很差；图7所示为调控装置采用改进PI控制算法时，配电网电流波形图，从波形图可以看出，负载不平衡几乎全部被补偿，较好的实现了改善配电网末级电能质量的目的。

Claims (1)

1.一种配电网末级电能质量调控装置的调控方法，该调控装置包括由IGBT构成的逆变桥、电压传感器、电流传感器、温度传感器、其内写有锁相环程序的数字信号处理器DSP、驱动单元、连接电抗器和通讯模块；

电压传感器的输入端和配电网、逆变桥的直流侧连接，电流传感器的输入端和配电网连接，温度传感器的输入端和IGBT底座散热器和电抗器连接，电压传感器、电流传感器和温度传感器的输出端和数字信号处理器DSP的输入端连接，数字信号处理器DSP的输出端和驱动单元的输入端连接，驱动单元的输出端和逆变桥中IGBT的控制端连接，逆变桥的输入端通过连接电抗器和配电网连接，逆变桥的直流侧连接有滤波电容且和配电网末级公共连接点相连接，数字信号处理器DSP还通过通讯模块和外部人机界面连接，其特征在于调控方法包括以下步骤：

S1：电压传感器测出配电网的电压信号u _sa 、u _sb 、u _sc 和逆变桥直流侧电压信号U _dc ，电流传感器测出电流信号i _sa 、i _sb 、i _sc ，并将电压信号和电流信号送入到数字信号处理器DSP内：

S2：数字信号处理器DSP将输入的电压信号u _sa 、u _sb 、u _sc 根据锁相环程序计算出系统相位sinθ 和cosθ ，数字信号处理器DSP还通过输入的逆变桥直流侧电压信号U _dc 计算出电压偏差信号ΔUdc，并利用其内的比例-积分环节计算出与ΔUdc相对应的有功电流分量i _dref ；

S3：数字信号处理器DSP将输入的电流信号i _sa 、i _sb 、i _sc 根据计算出的系统相位sinθ 和cosθ通过PARK和CLARK变换转换为同步旋转坐标系中的电流i _sd 、i _sq 、i _so ，电流i _sd 、i _sq 、i _so 分别和有功电流分量i _dref 、无功电流分量i _qref 、不平衡电流分量i _oref 比较，比较出的差值分别为i _dc ＝i _dref -i _sd ，i _qc ＝i _qref -i _sq ，i _oc ＝i _oref -i _so ，设定i _qref =0、i _oref =0；

S4：数字信号处理器DSP根据S3得到的差值i _dc 、i _qc 、i _oc 通过IPARK和ICLARK反变换后，输出PWM信号，PWM信号由驱动单元送入到逆变桥的IGBT中，维持逆变桥中直流母线电压恒定，逆变桥交流侧输出电流i _ac ^* 、i _bc ^* 、i _cc ^* 补偿到配电网中。