CN104934983B - 多功能电能质量控制器及电能质量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能电能质量控制器及采用该电能质量控制器的电能质量控制方法，所述电能质量控制器包括基波电流检测单元、控制单元和串联变压器单元，通过将变压器一次侧基波电流信号作为参考信号，将变压器二次侧电流信号作为反馈信号，通过闭环控制产生一个电流源，将所述电流源施加到所述串联变压器单元的二次侧。本发明可以隔离谐波、调节潮流、限制过电压和过电流、实现软起动和无功补偿等功能。

Description

多功能电能质量控制器及电能质量控制方法

技术领域

本发明属于电力技术领域，具体涉及一种可在微电网中使用的多功能电能质量控制器及电能质量控制方法。

背景技术

环境保护和能源短缺的双重压力，推动了以低碳绿色能源为核心的智能电网建设，分布式发电是解决未来能源需求的必经之路，而微网是分布式发电无缝接入大电网的关键环节，也是建设智能电网的重要基础。微网运行方式灵活，能够提高用户的供电可靠性和分布式能源的利用率，减少对大电网冲击，具有良好的经济和社会效益。由于微网在电源、负荷、能源转换单元、储能和运行状态等方面的多样性，分布式电源的间歇性和随机性，大电网和微网之间的高渗透率，微网的电能质量问题比传统大电网的电能质量问题严重得多。

微网电能质量呈现以下特点：

1)谐波高渗透率、多种并网变流器输出谐波相互影响和背景谐波是微网谐波问题的新特征。传统电网的系统背景谐波较少，谐波主要来自非线性负荷，微网中除了非线性负荷会产生谐波，作为分布式电源和储能系统接入微网的变流器也可能产生谐波。接入微网的多种变流器之间的输出谐波相互影响，大电网和微网之间的谐波高渗透率，都有可能产生谐振现象。

2)更加灵活的双向潮流控制，传统配电网呈现“无源网络”和“功率单向流动”的特性，微网呈现出“有源网络”和“功率双向流动”的特征，高渗透率下大电网应对微网接入的潮流控制已经成为制约微网进一步发展和应用的重要技术屏障。

3)过电压和过电流现象更加频繁，微网的容量一般不大，微网中负荷波动对微电源输出的影响比传统电网更大，微网中多种变流器并联后运行状态多变，控制模式快速切换过程中容易出现过压或过流现象。在负荷最低时段，分布式电源的功率输出将会显著抬高处于微网末端的电压水平。

4)多种电能质量问题并存，接入微网的各种变流器并联后多种电能质量问题相互交叠激励，可能产生连锁反应，进一步恶化微网的电能质量，威胁微网和大电网的安全稳定运行，烧毁微网发电和用电设备，引发微网和大电网的供电中断。

发明内容

本发明是针对上述微电网电能质量的特点以及考虑到微网容量不大，安装多种电能质量控制器不经济等因素，而提出的一种可以隔离谐波、调节潮流、限制过电压和过电流、实现软起动和无功补偿等功能的多功能电能质量控制器，以及使用该多功能电能质量控制器的电能质量控制方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种多功能电能质量控制器，包括基波电流检测单元、控制单元和串联变压器单元；

所述基波电流检测单元包括第一电流互感器、第二电流互感器和基波检测环节，所述控制单元包括第一电流增益电路、第二电流增益电路和电流发生电路；

所述串联变压器单元的一次侧串联接入大电网和微网的公共连接点处，所述第一电流互感器串接在所述串联变压器单元的一次侧，所述第一电流互感器的输出端与所述基波电流检测环节的输入端相连，所述第二电流互感器串接在所述串联变压器单元的二次侧，所述第一电流互感器和所述基波检测环节检测的变压器一次侧基波电流信号以及所述第二电流互感器检测的变压器二次侧电流信号分别送入所述控制单元中的第一电流增益电路和第二电流增益电路；

所述串联变压器单元的二次侧与所述电流发生电路串接，所述第一电流增益电路将所述变压器一次侧基波电流信号进行放大作为参考输入信号，所述第二电流增益电路将所述变压器二次侧电流信号进行放大作为反馈输入信号，分别送入所述电流发生电路，所述电流发生电路通过闭环控制产生一个电流源，将所述电流源施加到所述串联变压器单元的二次侧。

进一步地：

所述多功能电能质量控制器还包括并联接在所述串联变压器单元的两侧的无源滤波器单元。

所述电流发生电路采用电力电子逆变器来实现。

一种多功能电能质量控制器，包括由三套单相结构的所述多功能电能质量控制器构成的三相系统，或是对所述多功能电能质量控制器中的电流发生电路采用三相电力电子逆变器，其余部分采用三套单相结构而构成的三相系统。

一种电能质量控制方法，对微网使用所述多功能电能质量控制器，通过调节所述控制单元产生的电流源的大小，改变所述电能质量控制器对系统呈现阻抗的大小，调节大电网和微网之间潮流。

一种电能质量控制方法，对微网使用所述多功能电能质量控制器，当检测到系统的故障状态时，通过调节所述控制单元产生的电流源的大小，调节所述多功能电能质量控制器对系统呈现的等效阻抗，以限制系统故障电流，或实现软起动。

一种电能质量控制方法，对微网使用所述的多功能电能质量控制器，利用所述多功能电能质量控制器对谐波呈现为高阻抗，使大电网和微网的谐波电流被迫流入无源滤波器支路，以隔离谐波。

采用本发明的多功能电能质量控制器，可获得以下技术效果：

1、实现潮流控制：将电能质量控制器串联接入微网和大电网的公共连接点(PCC)处，该电能质量控制器对系统呈现为一个可调阻抗，通过调节该阻抗的大小，就可以起到调节系统潮流的作用。

2、起到故障电流限制和软起动的作用：将电能质量控制器串联接入微网和大电网的公共连接点(PCC)处，系统正常工作时，该电能质量控制器起到潮流控制的作用；而当检测到系统的故障状态时，迅速调节等效阻抗的大小，这样可以将故障电流降到系统可以承受的水平。当微网中的分布式电源启动和停机时，调节该电能质量控制器等效阻抗的大小，还能使分布式电源实现软起动。

3、实现谐波隔离：将电能质量控制器串联接入微网和大电网的公共连接点(PCC)处，该电能质量控制器对谐波呈现为非常大的励磁阻抗，迫使微网和大电网的谐波电源流入无源滤波器，起到了谐波隔离的作用。

附图说明

图1为本发明实施例的多功能电能质量控制器接入微电网系统的单相结构原理图；

图2是串联变压器单元的T型等效电路图；

图3为系统基波等效电路图；

图4为系统谐波等效电路图；

图5为本发明实施例的一种三相系统结构示意图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图1，在一种实施例中，多功能电能质量控制器包括基波电流检测单元Ⅰ、控制单元Ⅱ、串联变压器单元Ⅲ和无源滤波器单元Ⅳ。

电流检测单元Ⅰ包括检测变压器一次侧电流(也即大电网与微网之间流过的电流)的电流互感器1、基波检测环节3和检测变压器二次侧电流的电流互感器2。电流互感器1串接在变压器一次侧，电流互感器1的输出端与基波电流检测环节3的输入端相连，电流互感器1将测量到的变压器一次侧电流送入基波检测环节3，电流互感器2串接在变压器的二次侧，基波检测环节3检测的基波电流信号和电流互感器2测量的电流信号作为电流检测单元Ⅰ的输出信号，分别送入控制单元Ⅱ中的电流增益电路4和电流增益电路5。

控制单元Ⅱ包括电流增益电路4、电流增益电路5和电流发生电路6。

电流增益电路4将检测到的变压器一次侧基波电流信号进行放大，得到作为电流发生电路6的参考输入信号，电流发生电路6产生一个与其参考输入信号成比例的电流，电流增益电路5将检测到的变压器二次侧电流信号进行放大，得到作为电流发生电路6的反馈输入信号，用于电流发生电路6的闭环控制，该电路通常可采用电力电子逆变器来实现，电流发生电路6的输出通过串联变压器单元Ⅲ接入系统。

串联变压器单元Ⅲ的一次侧串联接入大电网和微网7的公共连接点(PCC)处，二次侧与电流发生电路6相接。

可在串联变压器单元Ⅲ的两侧并联连接无源滤波器单元Ⅳ，用于流经大电网和微网的谐波电流。

本发明实施例的工作原理：通过电流互感器1、基波检测环节3(设该单元的增益为k_i1)检测出变压器一次侧的基波电流通过电流互感器2(设该环节的增益为k_i2)检测出变压器二次侧电流将进行放大后作为电流发生电路6的参考信号将进行放大后作为电流发生电路6的反馈信号电力电子逆变器通过闭环控制产生一个电流源(该值折算到一次侧，可用表示)，将施加到变压器的二次侧。对于基波，通过调节控制系数α的大小，则该电能质量控制器对系统呈现为一个可调电抗器，系统正常运行时进行潮流控制，系统发生短路故障时，限制故障电流的大小，也可以使微网中的分布式电源实现软启动。而对谐波呈现为高阻抗，该高阻抗主要表现为感抗性质，随着谐波次数的增加而增加，迫使大电网和微网的谐波电流流入无源滤波器支路，系统无需加太多的无源支路，就具有很好的滤波效果。这样集成了多种功能，是一种高性价比的电能质量控制器。

下面根据叠加原理对于基波和谐波分别讨论：

如图2所示，是串联变压器单元Ⅲ的T型等效电路图，其中二次侧的值全部折算到一次侧，和分别为串联变压器单元Ⅲ的一次侧和二次侧电压，和分别为串联变压器单元Ⅲ的一次侧和二次侧电流，Z₁＝R₁+jX_1σ为一次侧AX线圈的漏阻抗，Z'₂＝R'₂+jX'_2σ为二次侧ax线圈的漏阻抗，Z_m＝R_m+jX_m为串联变压器单元Ⅲ的励磁阻抗；根据图2，串联变压器单元Ⅲ的一次侧和二次侧电压方程分别为：

当串联变压器单元Ⅲ的二次侧施加电流源与一次侧的电流满足一定倍数关系时，即：

其中，α为被控系数。联立式(1)～式(3)，得到：

则串联变压器单元Ⅲ的一次侧等效阻抗为：

由式(5)可知，从串联变压器单元Ⅲ的一次侧AX线圈端看进去，串联变压器单元Ⅲ呈现的阻抗为一可变量，其大小与满足一定比例关系。

1)对于基波，在串联变压器单元Ⅲ的二次侧施加一大小为的电流源，则微网和大电网的公共连接点(PCC)处相当于串联进了一个阻抗为的可调电抗，系统等效电路如图3所示。图中Z_l1为无源滤波支路的基波等效阻抗，呈容性，起无功补偿的作用。

2)对于谐波，在变压器二次侧没有施加谐波电流，即α＝0，则微网和大电网的公共连接点(PCC)处相当于串联进了一个值为的阻抗，系统等效电路如图4所示。该阻抗约为变压器励磁阻抗与谐波次数的乘积，所以该电能质量控制器对谐波呈现为高阻抗，且随着谐波次数的增加而增加。

下面根据电能质量控制器功能的不同分别讨论：

1)潮流控制，将电能质量控制器串联接入微网和大电网的公共连接点(PCC)处，只考虑基波情况，该电能质量控制器对系统呈现为一个阻抗为的可调阻抗，调节系数α的大小，便改变了大电网与微网之间的连接阻抗的大小，从而起到了调节大电网与微网潮流的目的。

2)故障电流限制和软起动的作用，将电能质量控制器串联接入微网和大电网的公共连接点(PCC)处，只考虑基波情况，系统正常工作时，该电能质量控制器如1)中所述起到潮流控制的作用；当检测到系统的故障状态时，迅速调小系数α，即增大了该等效阻抗，这样可以将故障电流降到系统可以承受的水平。当微网中的分布式电源启动和停机时，调节该电能质量控制器等效阻抗的大小，还能使分布式电源实现软起动。

3)谐波隔离，将电能质量控制器串联接入微网和大电网的公共连接点(PCC)处，对于谐波，该电能质量控制器对系统呈现为一个值为的阻抗，该阻抗随着谐波次数的增加而增加，迫使大电网和微网的谐波电流流入无源滤波器支路，起到了谐波隔离的作用。

使用时，可将本发明实施例的电能质量控制器串联接入微网和大电网的公共连接点(PCC)处。对于基波，调节控制系数α的大小，则其对系统呈现为一个可调电抗器，系统正常运行时，起到控制潮流的作用；当系统发生短路故障时，则起到限制故障电流的作用。对于谐波，电能质量控制器对系统呈现为大的励磁阻抗，迫使大电网和微网的谐波电流流入无源滤波器支路，起到谐波隔离的作用。

对于三相系统，可以采用前面的三个单相系统进行实现，或者电压发生电路6采用三相电力电子逆变器，其余部分采用三套单相结构来实现(如图5所示)。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种电能质量控制方法，其特征在于：对微网使用一个多功能电能质量控制器；

所述多功能电能质量控制器包括基波电流检测单元、控制单元和串联变压器单元；

所述基波电流检测单元包括第一电流互感器、第二电流互感器和基波检测环节，所述控制单元包括第一电流增益电路、第二电流增益电路和电流发生电路；

所述串联变压器单元的一次侧串联接入大电网和微网的公共连接点处，所述第一电流互感器串接在所述串联变压器单元的一次侧，所述第一电流互感器的输出端与所述基波电流检测环节的输入端相连，所述第二电流互感器串接在所述串联变压器单元的二次侧，所述第一电流互感器和所述基波检测环节检测的变压器一次侧基波电流信号以及所述第二电流互感器检测的变压器二次侧电流信号分别送入所述控制单元中的第一电流增益电路和第二电流增益电路；

所述串联变压器单元的二次侧与所述电流发生电路串接，所述第一电流增益电路将所述变压器一次侧基波电流信号进行放大作为参考输入信号，所述第二电流增益电路将所述变压器二次侧电流信号进行放大作为反馈输入信号，分别送入所述电流发生电路，所述电流发生电路通过闭环控制产生一个电流源，将所述电流源施加到所述串联变压器单元的二次侧；

通过调节所述控制单元产生的电流源的大小，改变所述电能质量控制器对系统呈现阻抗的大小，调节大电网和微网之间潮流；其中只考虑基波情况，该电能质量控制器对系统呈现为一个阻抗为的可调阻抗，调节系数α的大小，便改变了大电网与微网之间的连接阻抗的大小，从而起到了调节大电网与微网潮流的目的，其中Z₁＝R₁+jX_1σ为所述串联变压器单元的一次侧线圈的漏阻抗，Z_m＝R_m+jX_m为所述串联变压器单元的励磁阻抗，为基波情况下变压器单元的励磁阻抗，

调节系数α由下式确定：

和分别为所述串联变压器单元的一次侧和二次侧电流。

2.一种电能质量控制方法，其特征在于：对微网使用一个多功能电能质量控制器；

所述多功能电能质量控制器包括基波电流检测单元、控制单元和串联变压器单元；

所述基波电流检测单元包括第一电流互感器、第二电流互感器和基波检测环节，所述控制单元包括第一电流增益电路、第二电流增益电路和电流发生电路；

所述串联变压器单元的一次侧串联接入大电网和微网的公共连接点处，所述第一电流互感器串接在所述串联变压器单元的一次侧，所述第一电流互感器的输出端与所述基波电流检测环节的输入端相连，所述第二电流互感器串接在所述串联变压器单元的二次侧，所述第一电流互感器和所述基波检测环节检测的变压器一次侧基波电流信号以及所述第二电流互感器检测的变压器二次侧电流信号分别送入所述控制单元中的第一电流增益电路和第二电流增益电路；

所述串联变压器单元的二次侧与所述电流发生电路串接，所述第一电流增益电路将所述变压器一次侧基波电流信号进行放大作为参考输入信号，所述第二电流增益电路将所述变压器二次侧电流信号进行放大作为反馈输入信号，分别送入所述电流发生电路，所述电流发生电路通过闭环控制产生一个电流源，将所述电流源施加到所述串联变压器单元的二次侧；

当检测到系统的故障状态时，通过调节所述控制单元产生的电流源的大小，调节所述多功能电能质量控制器对系统呈现的等效阻抗，以限制系统故障电流，其中只考虑基波情况，该电能质量控制器对系统呈现为一个阻抗为的可调阻抗，当检测到系统的故障状态时，迅速调小系数α，即增大了该等效阻抗，将故障电流降到系统可以承受的水平；当微网中的分布式电源启动和停机时，调节控制系数α的大小来调节该等效阻抗的大小，使分布式电源实现软起动；其中Z₁＝R₁+jX_1σ为所述串联变压器单元的一次侧线圈的漏阻抗，Z_m＝R_m+jX_m为所述串联变压器单元的励磁阻抗，为基波情况下变压器单元的励磁阻抗，

调节系数α由下式确定：

和分别为所述串联变压器单元的一次侧和二次侧电流。