CN106159949B - 一种电能质量补偿系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电能质量补偿系统，包括：电压电流补偿器，连接在三相电网和负载之间，被配置为对与其相连的三相电网的电压电流进行补偿；控制单元，被配置为用于控制所述电压电流补偿器输出的三相电压和输出的三相电流，使得从电网输入的三相电压通过所述电压电流补偿器后得到目标三相电压，并使得输入的三相电流通过所述电压电流补偿器后得到目标三相电流。本发明实施例提供的电能质量补偿系统可以有效减少电网输出的谐波，从而提高电网的电能质量。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子领域，尤其涉及一种电能质量补偿系统。
背景技术
随着科学技术的发展，生产自动化、数字化和集成化程度不断提高，计算机、自动流水线设备等敏感负荷的应用使得电力用户对电能质量的要求越来越高。近年来，随着电力电子等非线性负荷的大量应用，电网中的谐波污染越来越严重。另外由于电网发生故障造成的电压不对称、电压下降等和谐波一起严重地恶化了电能质量指标，降低了电网供电的可靠性。对于那些对电能质量要求较高的生产单位，由于电压下降、谐波等质量问题将使其产品质量下降甚至导致生产过程中断，从而造成巨大的经济损失。
发明内容
本发明的目的之一是有效消除电网输出的电压、电流中的谐波，从而提升电能的输出质量。
根据本发明实施例的一个方面，提供了种电能质量补偿系统，所述电能质量补偿系统包括：
电压电流补偿器，连接在三相电网和负载之间，被配置为对与其相连的三相电网的三相电压、三相电流进行补偿，其包括：
电压补偿单元，对所述三相电压进行电压补偿；
电流补偿单元，对所述三相电流进行电流补偿；
直流变换单元，连接在所述电压补偿单元的输出端和所述电流补偿单元的输入端，用于在电压补偿单元和电流补偿单元之间进行接口；
控制单元，被配置为用于控制所述电压补偿单元输出的三相电压和电流补偿单元输出的三相电流，使得输入的三相电压通过所述电压补偿单元后得到目标三相电压，并使得输入的三相电流通过所述电流补偿单元后得到目标三相电流,
其中所述控制单元通过以下过程控制所述电压补偿单元输出目标三相电压：
-对输入电压补偿单元的三相电压进行abc/pq变换，得到第一变化后电压，使所述第一变化后电压经过低通滤波器处理，得到第二变化后电压，使第二变化后电压经pq/abc变换，得到第三变化后电压；
-将所述第二变化后电压的平方和除以3后开根号，得到与所述第二变化后电压对应的电压有效值；
-基于所述电压有效值，对所述第三变化后电压进行标幺化和移相处理后与预定系数相乘，得到与所述第三变化后电压对应的校正信号；
-将所述校正信号与所述输入电压补偿单元的三相电压经减法器处理，得到目标三相电压输出值；
其中所述控制单元通过以下过程控制所述电流补偿单元输出目标三相电流：
-对输入电流补偿单元的三相电流进行abc/pq变换，得到第一变化后电流，使所述第一变化后电流经过低通滤波器处理，得到第二变化后电流；
-基于上述得到的第二变化后电压第三变化后电压以及
与所述第二变化后电压对应的电压有效值使所述第二变化后电流经过公式的处理，得到第三变化后电流；
-将第三变化后电流与输入所述电流补偿单元的三相电流经减法器处理，得到目标三相电流。
本发明的实施例与现有技术相比，一方面本发明实施例基于电压电流补偿器和对电压电流补偿器的电压电流输出进行控制的控制单元，使得对电网输出到负载的电压和电流进行补偿，即利用上述所述校正信号补偿电网的三相电压，利用第三变化后电流补偿电网的三相电流，该校正信号与谐波电压大小相等、方向相反，该第三变化后电流与谐波电流大小相等、方向相反，从而有效消除电网输出的电压电流中的谐波，从而显著提升电网输出的电能的质量。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为根据本发明一个实施例的一种储能的电能质量补偿系统1的示意性框图；
图2为根据本发明一个实施例的电能质量补偿系统1中的控制单元12的控制结构模型示意图；
图3为根据本发明一个实施例的电能质量补偿系统1中的电压补偿单元、电流补偿单元、直流变换单元的分别对应的具体电路的示意图；
图4为根据本发明一个优选实施例的电流补偿单元103的对应电流电压的示意图；
附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
图1为根据本发明一个实施例的一种电能质量补偿系统1的示意性框图。
如图1所示，所述电能质量补偿系统1包括电压电流补偿器11和控制单元12。
电压电流补偿器11连接在三相电网和负载之间，被配置为对与其相连的三相电网的三相电压Vsa、Vsb、Vsc、三相电流iia、iib、iic进行补偿，其包括：电压补偿单元101，对所述三相电压Vsa、Vsb、Vsc进行电压补偿；电流补偿单元103，对所述三相电流iia、iib、iic进行电流补偿；直流变换单元102，连接在所述电压补偿单元101的输出端和所述电流补偿单元103的输入端，用于在电压补偿单元101和电流补偿单元103之间进行接口，作为电压补偿单元101和电流补偿单元103之间进行能量交换的介质，为补偿功能的实现提供一个稳定的直流端，并起到储能作用。关于储能作用，是本发明实施例区别于现有技术的另一方面，将在下文详述。
控制单元12被配置为被配置为用于控制所述电压补偿单元101输出的三相电压和
电流补偿单元103输出的三相电流，使得输入的三相电压Vsa、Vsb、Vsc通过所述电压补偿单元
101后得到目标三相电压并使得输入的三相电流iia、iib、iic通过所述电流
补偿单元103后得到目标三相电流
为了进一步更清楚地理解所述控制单元12对所述电压电流补偿器输出的三相电压和输出的三相电流的控制过程，请参考图2，图2为根据本发明一个实施例的电能质量补偿系统1中的控制单元12的控制结构模型示意图。
如图2所示，所述控制单元12使得从电网输入的三相电压Vsa、Vsb、Vsc通过所述电压电流补偿器后得到目标三相电压并使得输入的三相电流iia、iib、iic通过所述电压电流补偿器后得到目标三相电流
具体而言，所述控制单元12通过以下过程控制所述电压电流补偿器输出的三相电压：
-对输入电压电流补偿器11的三相电压Vsa、Vsb、Vsc进行abc/pq变换，得到第一变化后电压Vp、Vq，使所述第一变化后电压Vp、Vq经过低通滤波器处理，得到第二变化后的电压使第二变化后的电压经pq/abc变换，得到第三变化后的电压
-将所述第二变化后电压的平方和除以3后开根号，得到与所述第二变化后电压对应的电压有效值
-基于所述电压有效值对所述第三变化后的电压的值进行标幺化和移相处理后与预定系数相乘，得到与所述第三变化后的电压的值对应的校正信号；
-将所述校正信号与所述输入电压电流补偿器11的三相电压Vsa、Vsb、Vsc经减法器处理，得到目标三相电压输出值。
具体而言，所述控制单元12通过以下过程控制所述电压电流补偿器输出的三相电流：
-对输入电压电流补偿器11的三相电流iia、iib、iic进行abc/pq变换，得到第一变化后电流ip、iq，使所述第一变化后的电流ip、iq经过低通滤波器处理，得到第二变化后的电流
-基于上述得到的第二变化后的电压第三变化后的电压
与所述第二变化后的电压对应的电压有效值以及所述第二变化后的电流利
用公式得到第三变化后电流
-将第三变化后的电流与输入所述电压电流补偿器11的三相电流iia、iib、iic经减法器处理，得到目标三相电流输出值。
其中上述对输入电压电流补偿器11的三相电压Vsa、Vsb、Vsc的值进行abc/pq变换中，所述abc/pq变换为本领域公知，该变换通过以下两个公式的运算来实现，其中第一个公式为abc/αβ变换公式，第二个公式为αβ/pq变换公式：
其中公式(2)中的w代表三相输入电压的角频率，通过采样得到。
其中上述使第二变化后的电压经pq/abc变换中，所述pq/abc变换为上述abc/pq变换的逆变换，可以参考上述公式(1)和(2)的逆变换实现。
其中与所述第二变化后的电压对应的电压有效值可以通过以下公式计算得到：
其中对所述第三变化后的电压的值进行标幺化和移相处理可以分别指将所述第三变化后的电压的值分别与进行乘积运算，并将乘积运算得到三相电压的结果分别进行移相，诸如将三相电压中的第一相电压移动预设的Φ角，将三相电压中的第二相电压移动2/3∏+Φ角，将三相电压中的第三相电压移动-2/3∏+Φ角。
上文所述第三变化后的电压的值进行标幺化和移相处理后与预定系数相乘中，所述系数在此优选为
上文所述的对输入电压电流补偿器11的三相电流iia、iib、iic的值进行abc/pq变换中，所述abc/pq变换参照上文的公式来实现。
利用公式得到第三变化后电流是指上述
公式得到的向量中的三个列中的值分别是
本发明实施例通过一系列电压和电流信号的变换，从而得到分别与谐波电压、电流大小相等、方向相反的校正信号、和第三变化后电流，有效消除电网中的电压电流谐波，提升电网的质量。
根据本发明的一个实施例，所述电能质量补偿系统1中的电压补偿单元101的电路结构如图3所示，所述电压补偿单元101可以包括：
第一至第三补偿变压器TC，其原边侧分别接入三相电网的三相电压Vsa、Vsb、Vsc，副边侧接入负载；
第一至第三滤波电容C1，与所述第一至第三补偿变压器TC并联；
第一至第三补偿电感L1，其各自的一端分别接入所述第一至第三补偿变压器TC的原边；
每相中包含两个第一开关晶体管的三相全桥整流电路VT11～VT16，其一端与第一至第三补偿电感L1各自的另一端连接，其另一端与所述直流变换单元102的输入端相连,第一开关晶体管的通断由控制单元12控制，从而产生所述校正信号，校正信号经第一至第三补偿电感L1反馈回第一至第三补偿变压器TC，使第一至第三补偿变压器TC用所述校正信号补偿三相电网的三相电压Vsa、Vsb、Vsc后，得到目标三相电压
具体而言，所述补偿变压器TC既可以采用三相耦合变压器，也可以采用多个独立的单相变压器。优选地，所述补偿电压器的变压比位于2:1～5:1之间。
三相全桥整流电路VT11～VT16优选由六个绝缘栅双极型晶体管及反并联二极管组成，能够实现双向四象限运行。
根据本发明的一个实施例，所述电能质量补偿系统1中的直流变换单元102可以包括：
第二电感LB和与所述第二电感LB串接的第一开关管VTDc1，其中所述第二电感LB和所述第一开关管VTDc1串接后并联在所述电压补偿单元101的输出端；
第二开关管VTDc2、滤波电容CB和储能单元VB，其中所述滤波电容CB和储能单元VB并联，所述第二开关管VTDc2的一端连接到所述第二电感LB和第一开关管VTDc1的连接点，并联后的所述滤波电容CB和储能单元(VB)一端连接到所述第二开关管VTDc2的另一端,并联后的所述滤波电容CB和储能单元VB另一端连接到第一开关管VTDc1不与第二电感LB连接的一端。具体地，所述电感LB的一端连接在所述电压补偿单元101的输出端，诸如与所述电压补偿单元101的三相全桥整流电路相连，另一端连接在所述第一开关管VTDc1和所述第二开关管VTDc2的公共端。
其中所述滤波电容CB可以消除所述直流变换单元102输出的直流电压中的波动成分。
其中所述储能单元包括但不限于电池，诸如锂电池。
其中所述直流变换单元102可以根据补偿的实际需要，基于对所述第一开关管VTDc1和所述第二开关管VTDc2的控制，调节直流变换单元102输出的直流电压，提供稳定的直流输出。
本发明实施例的另一个改进在于，直流变换单元102是储能直流变换单元，它包括储能单元。现有的配电网中，存在着大量能量浪费的情况。以电网带动电机为例，在电机的制动状态，基于电机的机械惯性而使得其仍然以一定的转速自行转动，因而在该状态下电机自行产生机械能，而基于现有技术这部分机械能白白浪费掉了。本发明的直流变换单元102中通过储能单元，在负载(例如电机)产生的能量较多时，如在电机的制动状态下由于电机的机械惯性而使得其仍然以一定的转速自行转动而产生过量的机械能时，将产生的机械能存储起来，而在需要更多能量的情况下储能单元存储的能量放出来，有效提升配电网的能源利用率。因此，本发明实施例不但能补偿电压电流，而且在电压电流补偿的过程中，可以根据实际情况给电压电流补偿器中的储能单元充电，从而实现灵活储能、放能，提升电能利用率。
根据本发明的一个实施例，所述电能质量补偿系统1中的电流补偿单元103可以包括：
每相包含两个第二开关晶体管的三相全桥逆变电路VT21～VT26,一端与直流变换单元102的输出端相连，另一端分别与第四至第六补偿电感L2的一端相连，第四至第六补偿电感L2的另一端分别与第一至第三补偿变压器(TC)的副边侧相连，
第四至第六滤波电容C2，连接在第一至第三补偿变压器TC的副边侧，
其中第二开关晶体管的通断由控制单元12控制，从而使三相全桥逆变电路VT21～VT26产生第三变化后电流以便补偿第一至第三补偿变压器TC的副边侧的三相电流iia、iib、iic，得到目标三相电流
具体地，所述三相全桥逆变电路VT21～VT26可以由绝缘栅双极型晶体管IGBT及反并联二极管组成，所述三相全桥逆变电路VT21～VT26的每一相分别与所述补偿电感L2、滤波电容C2串接。
本发明实施例中，由于与电网连接的负载通常为非线性感性负载，而感性负载通常是引起电流质量不稳定的根源之一，通过可能引起电网电流产生畸变和电流相位滞后，并有可能导致电网电压畸变，从降低电能利用率，而本发明实施例通过采用电压补偿单元101和电流补偿单元103，可以有效对电网中的电压电流进行补偿，从而改善电网的电压电流畸变，提高电能利用率。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变形或修改。
另外，需要说明的是，本实施例中除直流母线电压之外，其它电压量都是针对三相三线系统中性点而言的，据基尔霍夫电压定律(KVL)和基尔霍夫电流定律(KCL)列写三相回路方程，请参考图4，图4为根据本发明一个优选实施例的电流补偿单元103的对应电流电压的示意图，在图4中，需要说明的是，在补偿电感(L2)和滤波电容C2之间还补充了电阻R，所述电阻R在图3的相应位置可存在也不存在。其中VDC表示直流变换单元(102)的输出端该点的电压相对于直流变换单元(102)的参考点N的电压，其中O点表示滤波电容C2的一参考点或一公共参考点。根据图4，对补偿电感(L2)有：
公式(3)中，L2表示补偿电感(L2)的电感，i2a、i2b、i2c分别表示流经补偿电感(L2)的各相电流，v2a、v2b、v2c分别表示补偿电感(L2)与三相全桥逆变电路VT21～VT26中的每一相的连接点的电压值，或者说v2a、v2b、v2c分别表示三相全桥逆变电路VT21～VT26中的每一相桥臂的电压，v1a、v1b、v1c分别表示补偿电感(L2)与滤波电容C2的每一相的连接点的电压值，v2aN、v2bN、v2cN分别表示三相全桥逆变电路VT21～VT26中的每一相桥臂相对于直流变换单元(102)的输出端参考点N的电压，vNo表示参考点N相对于参考点O的电压。
对滤波电容(CB)和储能电源(VB)有：
同理，公式(4)中，C2表示的滤波电容(C2)电容值，v1a、v1b、v1c分别表示补偿电感(L2)与滤波电容(C2)的每一相的连接点的电压值，i2a、i2b、i2c分别表示流经补偿电感(L2)的各相电流，ica、icb、icc分别表示流经滤波电容(C2)的每一相的电压。
完全补偿后，三相三线制系统对称平衡，对电网侧和负载侧，满足：
同理，公式(5)中，v1a、v1b、v1c分别表示补偿电感(L2)与滤波电容(C2)的每一相的连接点的电压值，i2a、i2b、i2c分别表示流经补偿电感(L2)的各相电流，isa、isb、isc分别表示从电网输入的三相电流，ica、icb、icc分别表示流经滤波电容(C2)的每一相的电压，i2a、i2b、i2c分别表示流经补偿电感(L2)的各相电流。
对于目标的三相三线制系统，是一种三相无中线系统，不存在零序分量的通路，因此对于三相三线制，无论是电压补偿还是电流补偿，因为没有零序分量的通路，故可以认为不产生零序分量，补偿电压和补偿电流各次皆为对称平衡的，是成立的，而对于三相四线制系统，由于各中性点都是连接在一起的，本发明的实施例也是成立的。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。
Claims (3)
1.一种电能质量补偿系统(1)，所述电能质量补偿系统(1)包括：
电压电流补偿器(11)，连接在三相电网和负载之间，被配置为对与其相连的三相电网的三相电压(Vsa、Vsb、Vsc)、三相电流(iia、iib、iic)进行补偿，其包括：
电压补偿单元(101)，对所述三相电压(Vsa、Vsb、Vsc)进行电压补偿；
电流补偿单元(103)，对所述三相电流(iia、iib、iic)进行电流补偿；
直流变换单元(102)，连接在所述电压补偿单元(101)的输出端和所述电流补偿单元(103)的输入端，用于在电压补偿单元(101)和电流补偿单元(103)之间进行接口，所述直流变换单元(102)还包括：
第二电感(LB)和与所述第二电感(LB)串接的第一开关管(VTDc1)，其中所述第二电感(LB)和所述第一开关管(VTDc1)串接后并联在所述电压补偿单元(101)的输出端；
第二开关管(VTDc2)、滤波电容(CB)和储能单元(VB)，其中所述滤波电容(CB)和储能单元(VB)并联，所述第二开关管(VTDc2)的一端连接到所述第二电感(LB)和第一开关管(VTDc1)的连接点，并联后的所述滤波电容(CB)和储能单元(VB)一端连接到所述第二开关管(VTDc2)的另一端，并联后的所述滤波电容(CB)和储能单元(VB)另一端连接到第一开关管(VTDc1)不与第二电感(LB)连接的一端，
控制单元(12)，被配置为用于控制所述电压补偿单元(101)输出的三相电压和电流补偿单元(103)输出的三相电流，使得输入的三相电压(Vsa、Vsb、Vsc)通过所述电压补偿单元(101)后得到目标三相电压并使得输入的三相电流(iia、iib、iic)通过所述电流补偿单元(103)后得到目标三相电流
其中所述控制单元(12)通过以下过程控制所述电压补偿单元(101)输出目标三相电压
-对输入电压补偿单元(101)的三相电压(Vsa、Vsb、Vsc)进行abc/pq变换，得到第一变化后电压(Vp、Vq)，使所述第一变化后电压(Vp、Vq)经过低通滤波器处理，得到第二变化后电压 使第二变化后电压经pq/abc变换，得到第三变化后电压
-将所述第二变化后电压的平方和除以3后开根号，得到与所述第二变化后电压对应的电压有效值
-基于所述电压有效值对所述第三变化后电压 进行标幺化和移相处理后与预定系数相乘，得到与所述第三变化后电压对应的校正信号；
-将所述校正信号与所述输入电压补偿单元(101)的三相电压(Vsa、Vsb、Vsc)经减法器处理，得到目标三相电压输出值；
其中所述控制单元(12)通过以下过程控制所述电流补偿单元(103)输出目标三相电流
-对输入电流补偿单元(103)的三相电流(iia、iib、iic)进行abc/pq变换，得到第一变化后电流(ip、iq)，使所述第一变化后电流(ip、iq)经过低通滤波器处理，得到第二变化后电流
-基于上述得到的第二变化后电压第三变化后电压以及与所述第二变化后电压对应的电压有效值以及所述第二变化后电流利用公式得到第三变化后电流
-将第三变化后电流与输入所述电流补偿单元(103)的三相电流(iia、iib、iic)经减法器处理，得到目标三相电流
2.根据权利要求1所述的电能质量补偿系统(1)，其中电压补偿单元(101)包括：
第一至第三补偿变压器(TC)，其原边侧分别接入三相电网的三相电压(Vsa、Vsb、Vsc)，副边侧接入负载；
第一至第三滤波电容(C1)，与所述第一至第三补偿变压器(TC)并联；
第一至第三补偿电感(L1)，其各自的一端分别接入所述第一至第三补偿变压器(TC)的原边；
每相中包含三相全桥整流电路(VT11～VT16)中的两个第一开关晶体管，所述每相包含的两个第一开关晶体管的连接端分别与第一至第三补偿电感(L1)各自的另一端连接，所述每相包含的两个第一开关晶体管的另一端与所述直流变换单元(102)的输入端相连，第一开关晶体管的通断由控制单元(12)控制，从而产生所述校正信号，校正信号经第一至第三补偿电感(L1)反馈回第一至第三补偿变压器(TC)，使第一至第三补偿变压器(TC)用所述校正信号补偿三相电网的三相电压(Vsa、Vsb、Vsc)后，得到目标三相电压
3.根据权利要求2所述的电能质量补偿系统(1)，其中电流补偿单元(103)包括：
每相包含两个第二开关晶体管的三相全桥逆变电路(VT21～VT26)，所述每相包含两个第二开关晶体管的一端与直流变换单元(102)的输出端相连，每相包含两个第二开关晶体管的连接端分别与第四至第六补偿电感(L2)的一端相连，第四至第六补偿电感(L2)的另一端分别与第一至第三补偿变压器(TC)的副边侧相连，
第四至第六滤波电容(C2)，连接在第一至第三补偿变压器(TC)的副边侧，
其中第二开关晶体管的通断由控制单元(12)控制，从而使三相全桥逆变电路(VT21～VT26)产生第三变化后电流 以便补偿第一至第三补偿变压器(TC)的副边侧的三相电流(iia、iib、iic)，得到目标三相电流
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