CN104393599A - 一种统一电能质量调节装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种统一电能质量调节装置，包括DVR变流器、第一及第二APF变流器、第一及第二直流储能电容、变压器、第一及第二电抗器和网络控制器；DVR变流器、第一直流储能电容及APF变流器并联形成用于电压补偿的第一补偿回路；DVR变流器、第二直流储能电容及第二APF变流器并联形成用于谐波处理和无功补偿的第二补偿回路；网络控制器用于实现控制第一补偿回路的电压补偿及控制第二补偿回路的谐波处理和无功补偿。实施本发明实施例，能够在电网出现电压跌落时，稳定直流电容来补偿电压跌落，同时及时进行谐波处理和无功补偿。

Description

一种统一电能质量调节装置及方法

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种统一电能质量调节装置及方法。

背景技术

UPQC（Unified Power Quality Conditioner，统一电能质量调节装置）通常由串联型电压源变流器和并联型电压源变流器通过公共直流母线结合而成，其安装在用户侧的谐波负载附近，可以同时对电压和电流进行补偿。串联型电压源变流器起到DVR（Dynamic Voltage Restorer，动态电压补偿器）的作用，可抑制电压波动，补偿电源电压谐波，消除配电系统中经常发生的电压暂升或电压暂降问题，提高装置的阻尼。并联型电压源变流器起到APF（Active Power Filter，有源电力滤波器）的作用，可滤除负载谐波电流，补偿负载无功功率。

如图1所示，现有技术中UPQC结合了DVR和APF的变流器结构，DVR变流器D1*和APF变流器F1*共用一个直流储能环节C1*，DVR变流器D1*经串联变压器T1*接于电网系统侧，具有维持连接点处电压、补偿电压闪变和不对称的功能，APF变流器F1*经串联电抗器L1*接于负载侧，主要用于补偿谐波和无功电流，同时维持DVR变流器D1*和APF变流器F1*之间的直流电压恒定。其中，DVR变流器D1*和APF变流器F1*均为双向PWM（Pulse-Width Modulation ，脉冲宽度调制）变流器，既可以工作在整流状态，也可以工作在逆变状态；DVR变流器D1*经串联变压器T1*输出基波正序补偿电压，向电网注入功率，同时也可以输出谐波补偿电压；APF变流器F1*向电网注入谐波补偿，同时可以输出无功电流。

UPQC工作过程中，需要协调DVR功能和APF功能，当出现电压跌落时，DVR功能启动，此时APF功能有两种选择：一、同步稳定直流电容C1*电压，用于电压跌落补偿；二、补偿谐波，不再维持直流电容C1*电压。

以上APF功能的两种选择均有不足之处，其不足之处在于：针对第一种选择方式，UPQC不再有谐波和无功补偿，当串联侧正进行电压补偿时，电网的谐波和无功会出现峰值，需及时进行谐波处理和无功补偿；针对第二种选择方式，DVR补偿功能受限，因DVR功能仅靠直流电容C1*及其附属储能装置储存的能量完成，能量用完则DVR补偿功能结束，直至直流电容C1*恢复至正常状态，才可进行下一次DVR补偿动作。                                                  

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种统一电能质量调节装置及方法，能够在电网出现电压跌落时，稳定直流电容来补偿电压跌落，同时及时进行谐波处理和无功补偿。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种统一电能质量调节装置，所述装置包括DVR变流器、第一APF变流器、第二APF变流器、第一直流储能电容、第二直流储能电容、变压器、第一电抗器、第二电抗器和网络控制器；其中，

所述DVR变流器、第一直流储能电容及第一APF变流器相并联后三者间形成为第一补偿回路，且所述第一补偿回路的一端从所述DVR变流器侧通过所述变压器与电网侧相连，另一端从所述第一APF变流器侧通过所述第一电抗器与负载侧相连，用于在所述电网侧的电压跌落时，进行电压补偿，维持所述DVR变流器和所述第一APF变流器之间的直流电压恒定；

所述DVR变流器、第二直流储能电容及第二APF变流器相并联后三者间形成为第二补偿回路，且所述第二补偿回路的一端从所述DVR变流器侧通过所述变压器与所述电网侧相连，另一端从所述第二APF变流器侧通过所述第二电抗器与所述电网侧相连，用于在所述电网侧的电压跌落时，进行谐波处理和无功补偿；

所述网络控制器还同时与所述DVR变流器、第一APF变流器及第二APF变流器相连，用于当检测到所述电网侧的当前电压小于预设的阈值时，确定所述电网侧的电压跌落，启动所述DVR变流器进行电压补偿，并控制所述第一APF变流器维持所述第一直流储能电容的电压恒定，以及控制所述第二APF变流器进行谐波处理和无功补偿；或当检测到所述电网侧的当前电压大于预设的阈值时，确定所述电网侧的电压无跌落，切断所述DVR变流器电压补偿，并控制所述第一APF变流器进行谐波处理和无功补偿，以及控制所述第二APF变流器给所述第二直流储能电容充电。

其中，所述装置还包括至少一与所述网络控制器相连的录波仪，所述录波仪用于预存一负载在所有工作状态下形成对负载侧电网参数的变化规律，并根据所述负载当前的工作状态，将对应的负载侧电网参数变化规律及对应的补偿启动时间发送至所述网络控制器；其中，所述工作状态包括负载切入状态、负载切出状态和正常工作状态；

所述网络控制器还根据每一录波仪发送的负载侧电网参数变化规律，预设每一负载对应的补偿算法。

其中，所述参数包括负载在当前工作状态下的电压电流指令、PI参数、滤波参数和谐波次数。

本发明实施例还提供了一种统一电能质量调节方法，其在前述的装置中实现，所述方法包括：

检测电网侧当前电压的大小情况；

当检测到所述当前电压小于预定的阈值时，确定所述电网侧的电压无跌落，切断所述装置中的DVR变流器电压补偿，并控制第一APF变流器进行谐波处理和无功补偿，以及控制第二APF变流器给第二直流储能电容充电；

当检测到所述当前电压大于所述预定的阈值时，确定所述电网侧的电压跌落，启动所述DVR变流器进行电压补偿，并控制所述第一APF变流器维持第一直流储能电容的电压恒定，以及控制所述第二APF变流器进行谐波处理和无功补偿。

其中，所述方法进一步包括：

获取任一负载在所有工作状态下形成对负载侧电网参数的变化规律，并根据所述负载当前的工作状态，将对应的负载侧电网参数变化规律及对应的补偿启动时间；其中，所述工作状态包括负载切入状态、负载切出状态和正常工作状态；

根据所述确定的对应的负载侧电网参数变化规律，确定所述负载对应的补偿算法，且在获取到所述负载启动时，确定所述负载对应的补偿启动时间，在所述确定的补偿启动时间到达时，对所述负载通过对应的预设补偿算法进行谐波处理和无功补偿。

其中，所述参数包括负载在当前工作状态下的电压电流指令、PI参数、滤波参数和谐波次数。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

1、在本发明实施例中，由于装置中存在有两个补偿回路，在电网侧电压跌落时，第一补偿回路中的第一APF变流器用于电压补偿，第二补偿回路中的第二APF变流器用于谐波和无功补偿，从而实现既能在第一补偿回路中稳定电压恒定确保电压跌落补偿效果，又能在第二补偿回路中及时进行谐波和无功补偿；

2、在本发明实施例中，由于装置中采用了与负载一一对应的录波仪，录波仪中存储有负载在所有工作状态下对负载侧电网参数的变化规律，而装置中的网络控制器则预先存储有对应每一负载所有工作状态下的补偿算法，从而使得装置中的网络控制器可以根据预先存储的补偿算法，减小从突变到治理的延时，同时可提高补偿质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。

图1为现有技术提供的统一电能质量调节装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的统一电能质量调节装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的统一电能质量调节方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

如图2所示，为本发明实施例提供的一种统一电能质量调节装置，该装置包括DVR变流器D1、第一APF变流器F1、第二APF变流器F2、第一直流储能电容C1、第二直流储能电容C2、变压器T1、第一电抗器L1、第二电抗器L2和网络控制器M；其中，

DVR变流器D1、第一直流储能电容C1及第一APF变流器F1相并联后三者间形成为第一补偿回路11，且第一补偿回路11的一端从DVR变流器D1侧通过变压器T1与电网侧相连，另一端从第一APF变流器F1侧通过第一电抗器L1与负载侧相连，用于在电网侧的电压跌落时，进行电压补偿，维持DVR变流器D1和第一APF变流器F1之间的直流电压恒定；

DVR变流器D1、第二直流储能电容C2及第二APF变流器F2相并联后三者间形成为第二补偿回路12，且第二补偿回路12的一端从DVR变流器D1侧通过变压器T1与电网侧相连，另一端从第二APF变流器F2侧通过第二电抗器L2与电网侧相连，用于在电网侧的电压跌落时，进行谐波处理和无功补偿；

网络控制器M还同时与DVR变流器D1、第一APF变流器F1及第二APF变流器F2相连，用于当检测到电网侧的当前电压小于预设的阈值时，确定电网侧的电压跌落，启动DVR变流器D1进行电压补偿，并控制第一APF变流器F1维持第一直流储能电容C1的电压恒定，以及控制第二APF变流器F2进行谐波处理和无功补偿；或当检测到电网侧的当前电压大于预设的阈值时，确定电网侧的电压无跌落，切断DVR变流器D1电压补偿，并控制第一APF变流器F1进行谐波处理和无功补偿，以及控制第二APF变流器F2给第二直流储能电容C2充电。

在本发明实施例中，DVR变流器D1由IGBT（Insulated Gate Bipolar Transisto，绝缘栅双极型晶体管）模组、驱动电路及保护电路组成，其功能为检测电网电压的畸变和基波偏差，作为电压指令，对DVR变流器D1进行控制，使得DVR变流器D1通过变压器T1输出一个与电网电压畸变和基波偏差相抵消的补偿电压，从而保证负载电压是一个额定的正弦电压；

第一APF变流器F1同样由IGBT模组、驱动电路及保护电路组成，其功能包括：1、检测负载的无功和谐波电流，作为电流指令，对该变流器F1进行控制，使得该变流器F1输出与负载无功和谐波电流大小相等的无功和谐波，从而实现对负载无功和谐波电流的补偿，使得电网输入电流为正弦波电流，功率因数为1；2、当电网电压出现波动，系统工作在DVR状态时，该变流器F1停止无功补偿功能，只负责有功输入，为DVR稳定第一直流储能电容C1的直流电压，不再参与电网的谐波和无功治理；

第二APF变流器F2同样由IGBT模组，驱动电路及保护电路组成，其功能包括：1、检测负载在切入、实时工作、切出条件下通过局域网发送的状态信息，在网络控制器M中查找对应负载的切入、实时工作、切出的固化APF程序，根据固化程序作为电流指令，对该变流器F2进行控制，使得该变流器F2输出与负载无功和谐波电流大小相等的无功和谐波，从而实现对负载无功和谐波电流的补偿，使得电网输入电流为正弦波电流，功率因数为1；2、当电网电压出现波动需要进行DVR补偿时，则该变流器F2进行无功和谐波补偿。

网络控制器M作为装置的控制核心，基于总线结构的DSP+FPGA架构，用于完成电网电压采集，控制策略调试，补偿算法实现，电压电流指令输出及其他系统功能。除包含上述基本功能外，网络控制器M还控制录波仪R进行特定负载的录波，并将录波数据存储于录波仪R中，录波仪R安装在用户的特定负载侧与网络控制器M通信，从而基于局域网的UPQC就可以根据用户的用电习惯、实时用电策略，调整控制器输出，对用户进行用电质量补偿。

因此，装置还包括至少一与网络控制器M相连的录波仪R，录波仪R用于预存一负载在所有工作状态下形成对负载侧电网参数的变化规律，并根据负载当前的工作状态，将对应的负载侧电网参数变化规律及对应的补偿启动时间发送至网络控制器M；其中，工作状态包括负载切入状态、负载切出状态和正常工作状态；参数包括负载在当前工作状态下的电压电流指令、PI参数、滤波参数和谐波次数等等。相对应的，网络控制器M将根据每一录波仪发送的负载侧电网参数变化规律，预设每一负载对应的补偿算法。

应当说明的是，网络控制器M还要存储用户用电设备信息，与用户用电设备进行TCP/IP通信，通信内容包括命令传输包和参数传输包；其中，命令传输包内容包括设备ID号，设备动作指令（切入或切出或正在运行中），动作预期时间，时间校准，数据校验等，因此网络控制器M中预设的补偿算法可根据用户用电设备信息，为任一负载设置有负载在任一工作状态下对应的补偿算法，从而使得装置中的网络控制器M可以根据预先存储的补偿算法，减小从突变到治理的延时，同时可提高补偿质量。

作为一个例子，负载每次切入、切出及正常使用状态下，都需设置UPQC工作于录波状态，则UPQC检测负载动作对负载侧电网造成的电能质量波动影响，并将数据录入录波仪，前后存取时间可由用户设置，可以并不限于录制电压跌落的前后1.5秒时间，切入、切出的后2秒时间，正常工作状态的2~5秒时间，作为负载设备的跌落、谐波、切入切出影响的参考。录波仪记录负载设备参数后，与负载设备的切入、切出或正常使用状态关联，当负载侧准备启动、停止设备时，首先通过局域网口与UPQC通信，将装置录波参数通过TCP/IP传送给网络控制器，网络控制器装载算法，等待设备启动。当检测到设备启动后，根据预先计算的电压电流指令对负载产生的谐波无功进行补偿，可大大减小低通滤波带来的时间延迟，同时减小PI参数调节延时，显著提高统一电能质量调节装置的软件、硬件延时，加快针对特定负载的电能质量治理反应速度。

综上，本发明实施例提供的统一电能质量调节装置有如下几种工作状态：

（1）启动状态：UPQC上电，UPQC完成网络控制器自检，I/O口状态初始化，系统参数初始化，直流电容电压稳定，LAN通信测试及录波仪扫描等工作；

（2）第一APF变流器补偿状态：当UPQC自检通过，且未检测到设定的电压跌落范围时（以单相电压检测为例），装置工作在第一APF变流器补偿状态。在此状态下，UPQC负责进行对负载的无功补偿、谐波抑制及第一直流储能电容的电压稳定三个部分工作；

（3）第二APF变流器补偿状态：工作模块包括DVR变流器、第二APF变流器、网络控制器、第二电抗器及IGBT功率器件。在此状态下，UPQC只根据用户的负载特性，利用固化在网络控制器中的控制策略（即补充算法）进行无功和谐波的治理，包括针对负载启动的补偿固化策略执行，负载切出的补偿固化程序以及特定负载工作过程中的补偿固化程序。当电网侧发生电压跌落时，第二APF变流器功能转为被动无功治理和谐波治理，输出电流为无功输出电流和谐波治理电流的失量和。此时，第一APF变流器在网络控制器的控制下只负责吸收电网有功功率，将第一直流存储电容的电压稳定至但不限于800V，为DVR功能提供持续不断的有功支撑；

（4）被动补偿状态：工作模块包括DVR变流器、第一APF变流器、网络控制器及IGBT功率器件。在此状态下，UPQC利用DVR变流器和第一APF变流器进行被动补偿，即只通过检测到的电网参数进行被动补偿，不考虑负载侧负载特性；此时第二APF变流器利用IGBT反向二极管进行布控整流，将第二直流村能电容充电至但不限于500V，为系统增加无功补偿能力；

（5）UPQC主动被动混合状态：工作模块包括DVR变流器、第一APF变流器、第二APF变流器、网络控制器、第一电抗器、第二电抗器及IGBT功率器件。在此状态下，UPQC即执行被动状态，同时兼顾系统的固化补偿功能，即被动补偿的过程中如果收到主动补偿调节指令（如负载有切入、切出等动作时，录波仪通过局域网发送信号给网络控制器），则会在被动补偿状态下切换到主动补偿状态，基于录波数据进行有针对的无功和谐波补偿；

（6）跌落状态下的第二APF变流器补偿状态：当电网侧出现电压跌落时， APF功能由第二APF变流器完成，此时第一APF变流器只负责为第一直流存储电容提供有功输入，维持该电容的直流电压稳定，第二APF变流器进入无功和谐波补偿状态，优点在于可以将电压补偿DVR功能工作时产生的无功有效屏蔽，使电力系统与DVR有效隔离；

（7）录波状态：工作模块包括DVR变流器、第一APF变流器、第二APF变流器、网络控制器、第一电抗器、第二电抗器、IGBT功率器件及多个录波仪。在此状态下，UPQC的补偿功能工作在被动补偿状态下，网络控制器利用第二APF变流器对特定负载进行录波。录波内容包括负载切入、切出及负载正常工作状态等条件下的负载侧电网参数变化规律。录波仪在完成录波数据载入后，安装在负载侧，当负载设备发生切入、切出动作时，录波仪通过局域网口向UPQC发送控制命令，UPQC接收到录波仪发送的命令后，会在通信数据内容中的设定时间内启动基于录波数据的控制策略，即启动局域网口传过来的录波数据，并在UPQC内执行，以补偿特定负载产生的无功和谐波。

如图3所示，为本发明实施例提供的一种统一电能质量调节方法，其在前述的装置中实现，所述方法包括：

步骤S101、检测电网侧当前电压的大小情况；

步骤S102、当检测到所述当前电压小于预定的阈值时，确定所述电网侧的电压无跌落，切断所述装置中的DVR变流器电压补偿，并控制第一APF变流器进行谐波处理和无功补偿，以及控制第二APF变流器给第二直流储能电容充电；

步骤S103、当检测到所述当前电压大于所述预定的阈值时，确定所述电网侧的电压跌落，启动所述DVR变流器进行电压补偿，并控制所述第一APF变流器维持第一直流储能电容的电压恒定，以及控制所述第二APF变流器进行谐波处理和无功补偿。

为了实现录波功能，使得装置中的网络控制器可以根据预先存储的补偿算法，减小从突变到治理的延时，同时可提高补偿质量，所述方法进一步包括：

获取任一负载在所有工作状态下形成对负载侧电网参数的变化规律，并根据所述负载当前的工作状态，将对应的负载侧电网参数变化规律及对应的补偿启动时间；其中，所述工作状态包括负载切入状态、负载切出状态和正常工作状态；所述参数包括负载在当前工作状态下的电压电流指令、PI参数、滤波参数和谐波次数；

根据所述确定的对应的负载侧电网参数变化规律，确定所述负载对应的补偿算法，且在获取到所述负载启动时，确定所述负载对应的补偿启动时间，在所述确定的补偿启动时间到达时，对所述负载通过对应的预设补偿算法进行谐波处理和无功补偿。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

1、在本发明实施例中，由于装置中存在有两个补偿回路，在电网侧电压跌落时，第一补偿回路中的第一APF变流器用于电压补偿，第二补偿回路中的第二APF变流器用于谐波和无功补偿，从而实现既能在第一补偿回路中稳定电压恒定确保电压跌落补偿效果，又能在第二补偿回路中及时进行谐波和无功补偿；

2、在本发明实施例中，由于装置中采用了与负载一一对应的录波仪，录波仪中存储有负载在所有工作状态下对负载侧电网参数的变化规律，而装置中的网络控制器则预先存储有对应每一负载所有工作状态下的补偿算法，从而使得装置中的网络控制器可以根据预先存储的补偿算法，减小从突变到治理的延时，同时可提高补偿质量。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (6)

1.一种统一电能质量调节装置，其特征在于，所述装置包括DVR变流器、第一APF变流器、第二APF变流器、第一直流储能电容、第二直流储能电容、变压器、第一电抗器、第二电抗器和网络控制器；其中，

所述DVR变流器、第一直流储能电容及第一APF变流器相并联后三者间形成为第一补偿回路，且所述第一补偿回路的一端从所述DVR变流器侧通过所述变压器与电网侧相连，另一端从所述第一APF变流器侧通过所述第一电抗器与负载侧相连，用于在所述电网侧的电压跌落时，进行电压补偿，维持所述DVR变流器和所述第一APF变流器之间的直流电压恒定；

所述DVR变流器、第二直流储能电容及第二APF变流器相并联后三者间形成为第二补偿回路，且所述第二补偿回路的一端从所述DVR变流器侧通过所述变压器与所述电网侧相连，另一端从所述第二APF变流器侧通过所述第二电抗器与所述电网侧相连，用于在所述电网侧的电压跌落时，进行谐波处理和无功补偿；

所述网络控制器还同时与所述DVR变流器、第一APF变流器及第二APF变流器相连，用于当检测到所述电网侧的当前电压小于预设的阈值时，确定所述电网侧的电压跌落，启动所述DVR变流器进行电压补偿，并控制所述第一APF变流器维持所述第一直流储能电容的电压恒定，以及控制所述第二APF变流器进行谐波处理和无功补偿；或当检测到所述电网侧的当前电压大于预设的阈值时，确定所述电网侧的电压无跌落，切断所述DVR变流器电压补偿，并控制所述第一APF变流器进行谐波处理和无功补偿，以及控制所述第二APF变流器给所述第二直流储能电容充电。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括至少一与所述网络控制器相连的录波仪，所述录波仪用于预存一负载在所有工作状态下形成对负载侧电网参数的变化规律，并根据所述负载当前的工作状态，将对应的负载侧电网参数变化规律及对应的补偿启动时间发送至所述网络控制器；其中，所述工作状态包括负载切入状态、负载切出状态和正常工作状态；

所述网络控制器还根据每一录波仪发送的负载侧电网参数变化规律，预设每一负载对应的补偿算法。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述参数包括负载在当前工作状态下的电压电流指令、PI参数、滤波参数和谐波次数。

4.一种统一电能质量调节方法，其特征在于，其在如权利要求1至3中任一项所述的装置中实现，所述方法包括：

检测电网侧当前电压的大小情况；

当检测到所述当前电压小于预定的阈值时，确定所述电网侧的电压无跌落，切断所述装置中的DVR变流器电压补偿，并控制第一APF变流器进行谐波处理和无功补偿，以及控制第二APF变流器给第二直流储能电容充电；

当检测到所述当前电压大于所述预定的阈值时，确定所述电网侧的电压跌落，启动所述DVR变流器进行电压补偿，并控制所述第一APF变流器维持第一直流储能电容的电压恒定，以及控制所述第二APF变流器进行谐波处理和无功补偿。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：

获取任一负载在所有工作状态下形成对负载侧电网参数的变化规律，并根据所述负载当前的工作状态，将对应的负载侧电网参数变化规律及对应的补偿启动时间；其中，所述工作状态包括负载切入状态、负载切出状态和正常工作状态；

根据所述确定的对应的负载侧电网参数变化规律，确定所述负载对应的补偿算法，且在获取到所述负载启动时，确定所述负载对应的补偿启动时间，在所述确定的补偿启动时间到达时，对所述负载通过对应的预设补偿算法进行谐波处理和无功补偿。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述参数包括负载在当前工作状态下的电压电流指令、PI参数、滤波参数和谐波次数。