CN106130015B - 一种电能质量综合治理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电能质量综合治理装置，包括串联变压器、串联变换器、并联变换器；串联变换器与并联变换器之间包括：第一端均与直流侧的正极连接、且两个第一端之间还设置有缓冲器件的第一电容和第二电容，第一电容的第二端与第二电容的第二端连接，其公共端接地且分别与第三电容的第一端和第四电容的第一端连接，第三电容的第二端以及第四电容的第二端与直流侧的负极连接。本发明提供的电能质量综合治理装置，在发生电压暂降、或存在电压谐波、电压不平衡分量等串联侧能量消耗较大的电源电压工况时，并联变换器的直流侧电压可以维持在一个稳定的值，有效提高并联变换器的补偿精度。

Description

一种电能质量综合治理装置
技术领域
本发明涉及电能质量治理技术领域，特别是涉及一种电能质量综合治理装置。
背景技术
由于我国农村和城乡郊区低压配电网规模大，线路长，用户距离变电站较远，从而导致供电半径大，用户侧末端电压在重负荷时较低。另外，由于农村和城乡郊区里用户多为单相负荷或者单相与三相负荷混用，从而导致用户侧三相负荷不平衡情况普遍存在，这会加重配电变压器的损耗，影响变压器的出力，严重时甚至会烧毁配电变压器。与此同时，随着农村经济的发展和家电下乡政策的深入，大功率非线性负荷越来越多，使得谐波问题日益严峻，这也增大配电变压器损耗。目前，相应的解决方案主要有动态电压恢复器(DVR)，有源滤波器(APF)，静止无功补偿发生器(SVG)等，但由于这些电能质量治理设备功能单一，为了进一步降低成本和实现功能集成化，基于低压配电网的电能质量综合治理装置得到了发展和应用。
传统的统一电能质量调节器(UPQC)在中高压配电网中得到了广泛的应用，继而希望在低压配电网中得到进一步的应用，其主要电路拓扑如附图1所示。它主要由串联变压器、串联变换器模块、并联变换器模块以及负载侧构成，其中，串联变压器模块的直流侧与并联变换器模块的直流侧之间设置有一个电容，也因为串联变压器模块的直流侧与并联变换器模块的直流侧共用该电容，从而导致两个变换器模块之间有强耦合关系。当交流电压源侧出现电压暂降或者电压谐波或者电压不平衡分量等对串联侧能量消耗较大的工况时，会对并联变换器模块的直流侧电压有较大的影响，并影响并联侧的电流补偿能力。
因此，如何提供一种解决上述技术问题的电能质量综合治理装置是本领域技术人员目前需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种电能质量综合治理装置，本发明在发生电压暂降、或存在电压谐波、电压不平衡分量等串联侧能量消耗较大的电源电压工况时，并联变换器的直流侧电压可以维持在一个稳定的值，有效提高并联变换器的补偿精度。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种电能质量综合治理装置，包括：
一次侧串联在交流电压源与负载侧之间、二次侧与串联变换器的交流侧连接的串联变压器；
直流侧与并联变换器的直流侧连接的所述串联变换器；
交流侧与所述负载侧连接的所述并联变换器；
所述串联变换器与所述并联变换器之间包括：
第一端均与直流侧的正极连接、且两个所述第一端之间还设置有缓冲器件的第一电容和第二电容，所述第一电容的第二端与所述第二电容的第二端连接，其公共端接地且分别与第三电容的第一端和第四电容的第一端连接，所述第三电容的第二端以及所述第四电容的第二端与直流侧的负极连接。
优选地，所述缓冲器件为电阻。
优选地，所述缓冲器件为第一电感。
优选地，所述缓冲器件为串联的电阻和第二电感。
优选地，所述串联变换器和所述并联变换器均为两电平三相全桥变换器。
优选地，该装置还包括第一组LCL滤波器，其中，所述第一组LCL滤波器包括3个LCL滤波器，三个LCL滤波器分别一一对应地设置在所述串联变压器与所述串联变换器的交流侧之间，每个LCL滤波器的第一端分别对应与所述串联变压器的二次侧的一相连接，第二端与所述串联变换器的对应桥臂连接，第三端接地，每个所述LCL滤波器包括：
第一端作为所述LCL滤波器的第一端、第二端与第四电感的第一端连接的第三电感；
第一端还与第五电容的第一端连接、第二端作为所述LCL滤波器的第二端的所述第四电感；
第二端接地且作为所述LCL滤波器的第三端的所述第五电容。
优选地，该装置还包括第二组LCL滤波器，其中，所述第二组LCL滤波器包括3个LCL滤波器，三个LCL滤波器分别一一对应地设置在所述并联变换器的交流侧与所述负载侧之间，每个LCL滤波器的第一端分别对应与所述并联变换器的交流侧的一相连接，第二端与所述负载侧的对应相连接，第三端接地，每个所述LCL滤波器包括：
第一端作为所述LCL滤波器的第一端、第二端与第六电感的第一端连接的第五电感；
第一端还与第六电容的第一端连接、第二端作为所述LCL滤波器的第二端的所述第六电感；
第二端接地且作为所述LCL滤波器的第三端的所述第六电容。
本发明提供了一种电能质量综合治理装置，包括串联变压器、串联变换器、并联变换器；串联变换器与并联变换器之间包括：第一端均与直流侧的正极连接、且两个第一端之间还设置有缓冲器件的第一电容和第二电容，第一电容的第二端与第二电容的第二端连接，其公共端接地且分别与第三电容的第一端和第四电容的第一端连接，第三电容的第二端以及第四电容的第二端与直流侧的负极连接。可见，本发明在串联变换器和并联变换器之间设置了各自的直流侧，且直流侧的电容正极端间还设置了一个缓冲器件，从而减弱了串联变换器与并联变换器的耦合关系，在发生电压暂降、或存在电压谐波、电压不平衡分量等串联侧能量消耗较大的电源电压工况时，并联变换器的直流侧电压可以维持在一个稳定的值，有效提高并联变换器的补偿精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为传统的电能质量调节器的结构示意图；
图2为本发明提供的一种电能质量综合治理装置的结构示意图；
图3为本发明提供的另一种电能质量综合治理装置的结构示意图；
图4为发生30％的电压暂降情况下，传统的电能质量调节器的调节仿真图；
图5为发生30％的电压暂降情况下，本发明提供的电能质量综合治理装置调节的仿真图；
图6为发生40％的电压暂降情况下，传统的电能质量调节器的调节仿真图；
图7为发生40％的电压暂降情况下，本发明提供的电能质量综合治理装置调节的仿真图；
图8为存在电压谐波情况下，传统的电能质量调节器的调节仿真图；
图9为存在电压谐波情况下，本发明提供的电能质量综合治理装置调节的仿真图；
图10为电压不平衡分量情况下，传统的电能质量调节器的调节仿真图；
图11为电压不平衡分量情况下，本发明提供的电能质量综合治理装置调节的仿真图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种电能质量综合治理装置，本发明在发生电压暂降、或存在电压谐波、电压不平衡分量等串联侧能量消耗较大的电源电压工况时，并联变换器的直流侧电压可以维持在一个稳定的值，有效提高并联变换器的补偿精度。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
请参照图2，图2为本发明提供的一种电能质量综合治理装置的结构示意图，该装置包括：
一次侧串联在交流电压源与负载侧之间、二次侧与串联变换器2的交流侧连接的串联变压器1；
直流侧与并联变换器3的直流侧连接的串联变换器2；
交流侧与负载侧连接的并联变换器3；
串联变换器2与并联变换器3之间包括：
第一端均与直流侧的正极连接、且两个第一端之间还设置有缓冲器件4的第一电容Cd1和第二电容Cd2，第一电容Cd1的第二端与第二电容Cd2的第二端连接，其公共端接地且分别与第三电容Cd3的第一端和第四电容Cd4的第一端连接，第三电容Cd3的第二端以及第四电容Cd4的第二端与直流侧的负极连接。
可以理解的是，本申请中，第一电容Cd1和第三电容Cd3构成串联变换器2的直流侧，第二电容Cd2和第四电容Cd4构成并联变换器3的直流侧，也即，串联变换器2和并联变换器3有各自的直流侧，另外，本申请还在直流侧的正极上以及第一电容Cd1和第二电容Cd2之间设置了一个缓冲装置，需要理解的是，这里的缓冲指的是对交流电源侧的电压谐波、电压暂降以及电压不平衡时的电压的缓冲。采用这种结构，可以改善串联变换器2直流侧与并联变换器3直流侧的强耦合性，当交流电压源发生电压暂降或存在电压谐波、电压不平衡分量时，能够使并联变换器3的直流侧电压保持稳定，提高并联侧变换器对系统电流的补偿能力。
本发明提供了一种电能质量综合治理装置，包括串联变压器、串联变换器、并联变换器；串联变换器与并联变换器之间包括：第一端均与直流侧的正极连接、且两个第一端之间还设置有缓冲器件的第一电容和第二电容，第一电容的第二端与第二电容的第二端连接，其公共端接地且分别与第三电容的第一端和第四电容的第一端连接，第三电容的第二端以及第四电容的第二端与直流侧的负极连接。可见，本发明在串联变换器和并联变换器之间设置了各自的直流侧，且直流侧的电容正极端间还设置了一个缓冲器件，从而减弱了串联变换器与并联变换器的耦合关系，在发生电压暂降、或存在电压谐波、电压不平衡分量等串联侧能量消耗较大的电源电压工况时，并联变换器的直流侧电压可以维持在一个稳定的值，有效提高并联变换器的补偿精度。
实施例二
请参照图3，图3为本发明提供的另一种电能质量综合治理装置的结构示意图，该装置在实施例一的基础上：
作为优选地，缓冲器件4为电阻。
可以理解的是，图3所示的就是缓冲器件4采用电阻时的示意图。
作为优选地，缓冲器件4为第一电感。
作为优选地，缓冲器件4为串联的电阻和第二电感。
具体地，这里的电阻的阻值以及第一电感、第二电感的容值根据实际情况来确定，本发明在此不做特别的限定。
另外，在实际应用中具体采用哪种缓冲器件4本发明在此不做特别的限定，能实现本发明的目的即可。
作为优选地，串联变换器2和并联变换器3均为两电平三相全桥变换器。
作为优选地，该装置还包括第一组LCL滤波器5，其中，第一组LCL滤波器5包括3个LCL滤波器，三个LCL滤波器分别一一对应地设置在串联变压器1与串联变换器2的交流侧之间，每个LCL滤波器的第一端分别对应与串联变压器1的二次侧的一相连接，第二端与串联变换器2的对应桥臂连接，第三端接地，每个LCL滤波器包括：
第一端作为LCL滤波器的第一端、第二端与第四电感的第一端连接的第三电感；
第一端还与第五电容的第一端连接、第二端作为LCL滤波器的第二端的第四电感；
第二端接地且作为LCL滤波器的第三端的第五电容。
具体地，关于“三个LCL滤波器分别一一对应地设置在串联变压器1与串联变换器2的交流侧之间”，因为串联变压器会输出3相交流电至串联变换器的三个桥臂，这里的对应指的是串联变压器的每一相和与其输出电流至桥臂的桥臂的对应。具体可参照图3。
可以理解的是，LCL滤波器是利用了电感与电容对不同频率分量所呈现阻抗的差异性的特点，高频情况下电感支路的阻抗大，而电容支路的阻抗则小，LCL滤波器可对含有高次谐波的串联变压器1输出的电流进行并联阻抗分流，第五电容C5为高频部分提供低阻通路，从而有效降低进入串联变换器2的谐波电流分量。
作为优选地，该装置还包括第二组LCL滤波器6，其中，第二组LCL滤波器6包括3个LCL滤波器，三个LCL滤波器分别一一对应地设置在并联变换器3的交流侧与负载侧之间，每个LCL滤波器的第一端分别对应与并联变换器3的交流侧的一相连接，第二端与负载侧的对应相连接，第三端接地，每个LCL滤波器包括：
第一端作为LCL滤波器的第一端、第二端与第六电感的第一端连接的第五电感；
第一端还与第六电容的第一端连接、第二端作为LCL滤波器的第二端的第六电感；
第二端接地且作为LCL滤波器的第三端的第六电容。
具体地，串联变换器2和并联变换器3都由电压源型变换器构成，串联变换器2采用三相三线制电路拓扑，其交流侧接第一组LCL滤波器5，并联变换器3采用三相四线制电容中分型电路拓扑。
下面结合具体示例对本申请作介绍：
本发明经过MATLAB/Simul ink仿真软件模拟实验，一共在四种不同的电源电压工况下，得到补偿电压和补偿电流的波形图，仿真图如图4-附图11所示。
首先对图4-图11中出现的一些标号进行解释：
Usa：A相电源电压；Usb：B相电源电压；Usc：C相电源电压；
Ucoma：A相补偿电压；Ucomb：B相补偿电压；Ucomc：C相补偿电压；
Icoma:A相补偿电流；ILa：A相负载电流；
Updc：并联变换器的直流侧电压；
Ucdc：串联变换器的直流侧电压。
需要说明的是，因为传统一电能质量调节器中，串联变换器和并联变换器共用一个直流侧，则此时Updc＝Ucdc。
第一种电源电压工况为发生30％的电压暂降，分别使用传统的统一电能质量调节器(UPQC)拓扑和图3所示的本发明提供的电能质量综合治理装置，分别对应得到仿真图如图4、5所示。可以看出，在电压暂降发生期间，使用传统的统一电能质量调节器(UPQC)拓扑，A相补偿电流Icoma的谐波畸变率较大，傅里叶分析得到THDIa＝14.64％，而且平均值偏离零轴，有较大的误差。在这区间，直流侧电压波动明显，最大波动峰峰值超过10V。但是在同样的电源侧发生30％电压暂降，采用本发明提出的电能质量综合治理装置拓扑，A相补偿电流Icoma的谐波畸变率非常小，傅里叶分析THDIa仅为3.16％，电流波形对称。在这区间串联侧直流侧电压因电压暂降有一定的下降，但是在电压暂降结束时，可以快速回归正常。因为串联侧和并联侧通过一个电阻耦合，使得并联侧直流侧电压波动非常小，直流侧电压波动最大峰峰值小于1V，并联侧直流侧电压可以稳定在700V左右。
第二种电源电压工况为发生40％的电压暂降，分别使用传统的统一电能质量调节器(UPQC)拓扑和图3所示的本发明提供的电能质量综合治理装置拓扑，分别对应得到仿真图如图6、7所示。可以看出，在电压暂降发生期间，使用传统的统一电能质量调节器(UPQC)拓扑，A相补偿电流Icoma的谐波畸变率较大，傅里叶分析得到THDIa＝12.44％，有较大的误差。在这区间，直流侧电压波动明显，最大波动峰峰值接近15V。但是在同样的电源侧发生40％电压暂降，采用本发明提出的新型电能质量综合治理装置拓扑，A相补偿电流Icoma的谐波畸变率非常小，傅里叶分析THDIa仅为2.93％，电流波形对称。在这区间串联侧直流侧电压因电压暂降有一定的下降，但是在电压暂降结束时，可以快速回归正常。因为串联侧和并联侧通过一个电阻耦合，使得并联侧直流侧电压波动非常小，直流侧电压波动最大峰峰值小于1V，并联侧直流侧电压可以稳定在700V左右。
从上述两种电源电压工况可知，在电源电压发生电压暂降期间，使用本发明提供的电能质量综合治理装置拓扑可以快速补偿电流和电压分量，补偿效果比传统的统一电能质量调节器(UPQC)拓扑好。而且并联侧直流侧电压波动较小，更稳定。随着电压暂降的程度越深，两者拓扑的补偿效果差距越明显。
第三种电源电压工况是电源电压在幅值为311V的标准正弦波的基础上叠加20％的初始相角为-35°的5次谐波分量和5％的初始相角为25°的7次谐波分量，分别使用传统的统一电能质量调节器(UPQC)拓扑和图3所示的本发明提供的电能质量综合治理装置拓扑，分别对应得到仿真图如图8、9所示。可以看出，在存在5、7次电压谐波期间，使用传统的统一电能质量调节器(UPQC)拓扑，A相补偿电流Icoma的谐波畸变率较大，傅里叶分析得到THDIa＝9.62％，有较大的误差。在这区间，直流侧电压存在一定的波动，最大波动峰峰值接近2V。但是在同样的电源侧存在5、7次电压谐波时，采用本发明提出的新型电能质量综合治理装置拓扑，A相补偿电流Icoma的谐波畸变率相比小很多，傅里叶分析THDIa仅为4.72％，电流波形对称。在这区间串联侧直流侧电压因电压暂降有一定的下降，仅下降约4V，但是在电压暂降结束时，可以快速回归正常。因为串联侧和并联侧通过一个电阻耦合，使得并联侧直流侧电压波动非常小，直流侧电压波动最大峰峰值小于1，并联侧直流侧电压可以稳定在700V左右。
第四种电源电压工况是电源电压在幅值为311V的标准正弦波的基础上叠加30％的初始相角为-35°的基波负序分量，分别使用传统的统一电能质量调节器(UPQC)拓扑和图3所示的本发明提供的电能质量综合治理装置拓扑，分别得到仿真图如图10、11所示。可以看出，在存在电压基波负序分量期间，使用传统的统一电能质量调节器(UPQC)拓扑，A相补偿电流Icoma的谐波畸变率较大，傅里叶分析得到THDIa＝36.98％，存在非常大的误差。在这区间，直流侧电压存在较大的波动，最大波动峰峰值接近12V。但是在同样的电源侧存在基波负序分量时，采用本发明提出的新型电能质量综合治理装置拓扑，A相补偿电流Icoma的谐波畸变率相比小很多，傅里叶分析THDIa仅为4.89％，电流波形对称。在这区间串联侧直流侧电压因电压暂降有一定的下降，仅下降约9V，但是在电压暂降结束时，可以快速回归正常。因为串联侧和并联侧通过一个电阻耦合，使得并联侧直流侧电压波动非常小，直流侧电压波动最大峰峰值小于1，并联侧直流侧电压可以稳定在700V左右。可见采用新型电能质量综合治理装置拓扑对于这种电源电压情况的补偿效果最为明显。
本发明提供了一种电能质量综合治理装置，在实施例一的基础上，该装置还包括第一组LCL滤波器和第二组LCL滤波器，能够有效减少该装置所在电路的谐波的产生。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种电能质量综合治理装置，其特征在于，包括：
一次侧串联在交流电压源与负载侧之间、二次侧与串联变换器的交流侧连接的串联变压器；
直流侧与并联变换器的直流侧连接的所述串联变换器；
交流侧与所述负载侧连接的所述并联变换器；
所述串联变换器与所述并联变换器之间包括：
第一端均与直流侧的正极连接、且两个所述第一端之间还设置有缓冲器件的第一电容和第二电容，所述第一电容的第二端与所述第二电容的第二端连接，所述第一电容的第二端与所述第二电容的第二端连接的公共端接地且分别与第三电容的第一端和第四电容的第一端连接，所述第三电容的第二端以及所述第四电容的第二端与直流侧的负极连接；
所述缓冲器件用于减弱所述串联变换器与所述并联变换器的耦合关系。
2.如权利要求1所述的电能质量综合治理装置，其特征在于，所述缓冲器件为电阻。
3.如权利要求1所述的电能质量综合治理装置，其特征在于，所述缓冲器件为第一电感。
4.如权利要求1所述的电能质量综合治理装置，其特征在于，所述缓冲器件为串联的电阻和第二电感。
5.如权利要求1-4任一项所述的电能质量综合治理装置，其特征在于，所述串联变换器和所述并联变换器均为两电平三相全桥变换器。
6.如权利要求5所述的电能质量综合治理装置，其特征在于，该装置还包括第一组LCL滤波器，其中，所述第一组LCL滤波器包括3个LCL滤波器，三个LCL滤波器分别一一对应地设置在所述串联变压器与所述串联变换器的交流侧之间，每个LCL滤波器的第一端分别对应与所述串联变压器的二次侧的一相连接，第二端与所述串联变换器的对应桥臂连接，第三端接地，每个所述LCL滤波器包括：
第一端作为所述LCL滤波器的第一端、第二端与第四电感的第一端连接的第三电感；
第一端还与第五电容的第一端连接、第二端作为所述LCL滤波器的第二端的所述第四电感；
第二端接地且作为所述LCL滤波器的第三端的所述第五电容。
7.如权利要求6所述的电能质量综合治理装置，其特征在于，该装置还包括第二组LCL滤波器，其中，所述第二组LCL滤波器包括3个LCL滤波器，三个LCL滤波器分别一一对应地设置在所述并联变换器的交流侧与所述负载侧之间，每个LCL滤波器的第一端分别对应与所述并联变换器的交流侧的一相连接，第二端与所述负载侧的对应相连接，第三端接地，每个所述LCL滤波器包括：
第一端作为所述LCL滤波器的第一端、第二端与第六电感的第一端连接的第五电感；
第一端还与第六电容的第一端连接、第二端作为所述LCL滤波器的第二端的所述第六电感；
第二端接地且作为所述LCL滤波器的第三端的所述第六电容。
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