CN107332243A - 一种即插即用多功能的电能质量控制器 - Google Patents

一种即插即用多功能的电能质量控制器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种即插即用多功能电能质量控制器，其中电能质量控制器包括检测控制单元、逆变器单元、特制互感器单元和无源滤波器单元。检测控制单元包括基波电流检测模块、反馈电流检测模块和PWM驱动控制模块，逆变器单元包括逆变器模块和LC滤波模块，逆变器单元和特制互感器单元的二次侧连接；特制互感器单元的一次侧串联在接入的传统电网和微网之间，无源滤波器单元分为两部分，一部分并联在靠近传统电网一侧，另一部分并联在靠近微网一侧，用来阻止谐波互相渗透。本发明的即插即用多功能电能质量控制器接入电网方便、结构和控制简单、集成了故障限流、软启动、潮流控制和谐波抑制等多种功能。

Description

一种即插即用多功能的电能质量控制器
技术领域
本发明属于电能质量控制器技术领域，具体涉及一种可在微网中使用的即插即用多功能的电能质量控制器。
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
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种即插即用多功能的电能质量控制器，旨在解决常规电能质量控制器结构和控制策略复杂的问题。
本发明提供了一种即插即用多功能的电能质量控制器，其特征在于，包括：检测控制单元，逆变器单元，特制互感器单元和并联接入电网的无源滤波器单元；检测控制单元包括基波电流检测模块、反馈电流检测模块和PWM驱动控制模块；基波电流检测模块用于检测入网电流中的基波电流，反馈电流检测模块用于检测通过逆变器施加在特制互感器二次侧后产生的反馈电流；PWM驱动控制模块用于驱动逆变器产生电压并施加到特制互感器的二次侧从而产生反馈电流；逆变器单元包括逆变器模块和LC滤波器模块，逆变器模块接收PWM驱动控制模块的驱动信号产生电压，通过LC滤波器模块连接到特制互感器单元的二次侧，LC滤波器模块用于滤除逆变器模块产生电压中的高频谐波分量；特制互感器单元包括一次侧绕组和二次侧绕组，一次侧绕组作为电网线或母排的一部分接入电网，二次侧绕组沿着轴向方向绕制，并与所述逆变器单元的输出端连接；所述无源滤波器单元包括：设置在传统电网侧的第一无源滤波器模块和设置在微网侧的第二无源滤波器模块；第一无源滤波器模块用于阻止传统电网中的谐波流入微网中，第二无源滤波器模块用于阻止微网中的谐波流入传统电网中。
更进一步地，通过调节特制互感器单元一次侧的基波等效阻抗的大小从而起到调节微网潮流的目的。
更进一步地，正常工作时，特制互感器单元一次侧的等效阻抗非常小；当检测到故障状态时，调节变压器一次侧等效阻抗的大小，将故障电流降到系统可以承受的水平，从而起到故障电流限制器的作用。
更进一步地，特制互感器单元中一次侧绕组和二次侧绕组的匝数比k＝W1/W2，其中，W1为一次侧绕组的匝数，W2为二次侧绕组的匝数，W2大于W1。
更进一步地，特制互感器单元的电感L＝W1 2μA/l，μ为铁芯的磁导率，A为铁芯截面积，l为平均磁路长度，W1为一次侧绕组的匝数。
更进一步地，特制互感器单元的铁芯为细长圆柱状或长方体状。
更进一步地，特制互感器单元一次侧的基波等效阻抗非常小，而对谐波呈现为高阻抗，谐波电流被迫流入无源滤波器支路，起到了谐波隔离的作用。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明参照串联混合型有源滤波器的常规拓扑结构，能够同时实现无功补偿、故障限流、软启动以及谐波隔离的效果。
附图说明
图1本发明提出的即插即用多功能电能质量控制器接入微电网系统的结构原理图；
图2为特制互感器基波等效电路图；
图3为特制互感器谐波等效电路图；
图4(a)和(b)分别为本发明提出的闭口柱状铁芯特制互感器的一次侧、二次侧示意图；其中，(a)为闭口空心圆柱铁芯特制互感器一次侧结构示意图，(b)为闭口空心柱状铁芯特制互感器二次侧结构示意图；
图5(a)和(b)分别为本发明提出的开口柱状铁芯特制互感器的一次侧、二次侧示意图；其中，(a)为开口空心柱状铁芯特制互感器一次侧结构示意图，(b)为开口空心柱状铁芯特制互感器二次侧结构示意图；
图6(a)和(b)分别为本发明提出的适用于母排的闭口特制互感器的一次侧、二次侧示意图；其中，(a)为适用于母排的闭口特制互感器一次侧结构示意图；(b)为适用于母排的闭口特制互感器二次侧结构示意图；
图7(a)和(b)分别为本发明提出的适用于母排的开口特制互感器的一次侧、二次侧示意图；其中，(a)为适用于母排的开口特制互感器一次侧结构示意图；(b)适用于母排的开口特制互感器二次侧结构示意图；
其中，1为电网线，2为圆柱铁芯，3为二次绕组，4为母排，5为长方体铁芯，100为检测控制单元，200为逆变器单元，300为特制互感器单元，400为无源滤波器单元，500为传统电网，600为微网，101为基波电流检测模块，102为反馈电流检测模块，103为PWM驱动控制模块，201为逆变器模块，202为LC滤波器模块，401为靠近传统电网侧无源滤波器模块，402为靠近微网侧无源滤波器模块，601为微网中的常规负载，602为微网中的谐波负载，603为微网中的分布式发电系统，604为微网中的储能系统。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明是针对上述微网电能质量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即插即用多功能电能质量控制器。该柔性电能质量控制装置对谐波呈现励磁阻抗，抑制微网和传统电网的谐波高渗透率，对基波呈现可调电抗器，可以实现调节潮流、限制过电压和过电流、软起动和无功补偿的功能。
本发明提供了一种即插即用多功能电能质量控制器，包括：检测控制单元、逆变器单元、特制互感器单元和无源滤波器单元；所述检测控制单元包括基波电流检测模块、反馈电流检测模块和PWM驱动控制模块，基波电流检测模块输入端串联连接在所述特制互感器单元的一次侧，反馈电流检测模块的输入端串联连接在所述特制互感器单元的二次侧，两者的信号经过比较输出到PWM驱动控制模块，PWM驱动控制模块的输出端连接逆变器单元，用来驱动逆变器产生电压；所述逆变器单元包括逆变器模块和LC滤波器，逆变器模块的输入端与PWM驱动控制模块的输出端连接，逆变器模块的输出端与LC滤波器的输入端连接，LC滤波器的输出端与特制互感器单元的二次侧两端连接，逆变器模块接收PWM驱动控制模块产生的控制信号，产生所需的电压，通过LC滤波器滤除其中的高频谐波分量施加该电压到特制互感器单元的二次侧，进而在特制互感器的二次侧产生反馈电流；所述特制互感器单元的一次侧即为电网线或母排的一部分，特制互感器单元接入传统电网和微网之间，可以实现即插即用；无源滤波器单元分别并联连接在传统电网和微网的两端，用于隔离传统电网和微网中的谐波电流。
在本发明实施例中，特制互感器中一次侧绕组和二次侧绕组的匝数比k＝W1/W2，其中，W1为一次侧绕组的匝数，W2为二次侧绕组的匝数，W2大于W1。特制互感器的电感L＝W1 2μA/l，μ为铁芯的磁导率，A为铁芯截面积，l为平均磁路长度，W1为一次侧绕组的匝数。特制互感器的铁芯可以为细长圆柱状或长方体状。
本发明中微网用即插即用多功能电能质量控制器有如下功能：
(1)潮流控制；将特制互感器的一次侧串联接入微网或者接在微网和大电网的PCC之间，如图1所示，特制互感器一次侧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)故障电流限制和软起动的作用，将特制互感器的一次侧串联接入微网或者接在微网和大电网的PCC处，如图1所示。正常工作时，特制互感器一次侧的等效阻抗为短路阻抗，特制互感器对系统没有任何影响，当检测到故障状态时，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，该多功能电能质量控制器还具有软起动的功能。
(3)谐波隔离，将特制互感器一次侧串联在传统电网和微网之间或者接在微网内部，利用磁通可控的可调电抗器对基波呈现为短路阻抗，对谐波呈现为励磁阻抗，抑制微网和大电网之间的谐波高渗透率，可以起到真正隔离谐波的作用。
(4)即插即用，变压器采用电流互感器式结构特殊设计，使得该多功能电能质量控制器能够很好地接入到传统电网和微网之间。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的即插即用多功能的电能质量控制器，以下结合附图和具体实例对本发明所述的即插即用多功能电能质量控制器及其工作原理作进一步的说明如下：
本发明所说的即插即用多功能电能质量控制器包括：检测控制单元、逆变器单元、特制互感器单元和无源滤波器单元；检测控制单元分别和特制互感器单元的一、二次侧连接并检测其一、二次侧的电流，将检测到的电流进行比较后送入PWM驱动控制模块产生驱动信号用来驱动逆变器工作；逆变器单元和特制互感器单元的二次侧连接，逆变器单元接收到检测控制单元的控制信号后产生电压施加到特制互感器单元的二次侧进而产生电流；特制互感器单元的一次侧串联在接入的传统电网和微网之间，其一次侧即为电网母线或母排的一部分；无源滤波器单元分为两部分，一部分并联在靠近传统电网一侧，用来阻止传统电网的谐波流入微网，另一部分并联在靠近微网一侧，用来阻止微网产生的谐波流入传统电网中。
检测控制单元包括基波电流检测模块、反馈电流检测模块和PWM驱动控制模块。基波电流检测模块用于检测入网电流中的基波电流，反馈电流检测模块用于检测通过逆变器施加在特制互感器二次侧后产生的反馈电流；PWM驱动控制模块用于驱动逆变器产生电压并施加到特制互感器的二次侧从而产生反馈电流。
逆变器单元包括逆变器模块和LC滤波器模块。逆变器模块接收PWM驱动控制模块的驱动信号产生电压，通过LC滤波器模块连接到特制互感器单元的二次侧，LC滤波器模块用来滤除逆变器模块产生电压中的高频谐波分量。
特制互感器单元包括一次侧绕组和二次侧绕组，其中，一次侧绕组即为电网线或母排的一部分接入电网，二次侧绕组沿着轴向方向绕制，并与逆变器单元的输出端连接，特制互感器单元的一次侧为电网线或母排的一部分，所以能实现即插即用的功能。
由于特制互感器单元的一次侧即为接入电网的电网线或母排，常规电流互感器由于只起电流检测作用，它的铁芯轴向长度比较短，本发明中特制互感器主要起潮流控制、故障限流和谐波隔离的作用，如果按照常规电流互感器结构设计，对谐波的阻抗较小，可能达不到有效的控制潮流、限流和谐波隔离的目的，因此通过加长互感器的铁芯的长度来增加其一次侧的等效阻抗，实现谐波隔离的作用。特制互感器的铁芯根据安装处母线的情况可以设计成圆柱形或长方体形，根据安装需要可以把铁芯设计成开口形或闭口形，分别如图4、图5、图6和图7所示。这样，特制互感器的一次侧即为电网母线或者母排，为1匝，不需要进行设计，只需根据使用要求对其二次侧绕组进行设计即可。
无源滤波器单元包括靠近传统电网侧无源滤波器模块和靠近微网侧无源滤波器模块。靠近传统电网侧无源滤波器模块用于阻止传统电网中的谐波流入微网中，靠近微网侧无源滤波器模块则用于阻止微网中的谐波流入传统电网中，无源滤波器单元并联接入电网中。
下面对照附图并结合附图对本发明作进一步说明。
本发明的工作原理，如图1，通过基波电流检测模块(设该环节的增益为ki)检测出特制互感器一次侧的基波电流将作为驱动控制模块的参考信号通过驱动逆变器产生一个电流源(该电流源可以用来表示，也就是反馈电流)，将输入到特制互感器的二次侧。通过调节α的大小，对于不同的功能，则该串联变压器一次侧对基波呈现为不同的阻抗，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。
下面根据叠加原理对于基波和谐波分别讨论：
(1)对于基波，由于特制互感器二次侧施加一基波电流源其等效电路如图2所示。则互感器一次侧基波电路的等效阻抗为
由上式可知，从一次侧看进去，互感器呈现的阻抗为一可变量，其大小与α满足一定比例关系。因此通过调节α的大小，便可改变互感器二次侧的磁势，从而改变了互感器铁心中的主磁通，互感器的一次侧便会呈现一无级可调阻抗。
(2)对于谐波，在互感器二次侧没有施加谐波电流，则有源电力滤波系统对于谐波的等效电路如图3所示。对于任意的n次谐波，互感器一次侧的谐波等效阻抗为
该阻抗约为互感器励磁阻抗与谐波次数的乘积，所以互感器一次侧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，将互感器的一次侧串联接入微网或者接在微网和大电网的PCC之间，如图1所示，互感器一次侧呈现为一个可调阻抗，微网一般是通过配电网接入，在配电网中当线路阻抗远大于感抗时，从Um流到Us的有功功率和无功功率分别为：可见，调节α的大小，便可调节互感器一次侧的基波等效阻抗从而起到调节微网潮流的目的。
(2)故障电流限制和软起动的作用，微网的系统容量不大，各种分布式电源的间歇性和随机性，所以过电压和过电流现象比传统电网更加严重，将互感器的一次侧串联接入微网或者接在微网和大电网的PCC处，如图1所示，当α＝1+Z1/Zm,互感器一次侧的等效阻抗为0，互感器对系统的正常工作没有任何影响。当检测到故障状态迅速调节α系数，当0＜α＜1+Z1/Zm，互感器一次侧的等效阻抗将在Z1+Zm和Z1之间变化。这样可以将故障电流降到系统可以承受的水平，如果需要将其降到更低，还可以调节α系数，使α＜0，这时ZAX＞Z1+Zm。
由于微网中的各种分布式电源的间歇性和随机性，分布式电源和负荷经常的起动和停机，该电能质量控制器还具有软起动的功能。
(3)谐波隔离，由于微网中各种分布式电源、负荷、能源转换单元、储能大多都通过电力电子逆变器接入微网，微网系统中分布式电源产生的背景谐波、多逆变器并联后的相互影响，微网和大电网之间的谐波高渗透率使微网的电能质量要比常规电网复杂得多。当系统中含有谐波时，将互感器的一次侧串联接入微网或者接在微网和大电网的PCC处，如图1所示，对于基波，控制α系数使α＝1+Z1/Zm，则互感器一次侧的等效阻抗为0，互感器对系统的正常工作没有任何影响；对于谐波，如上所述，互感器一次侧的谐波等效阻抗为所以互感器一次侧对谐波呈现为高阻抗，谐波电流被迫流入无源滤波器支路，起到了谐波隔离的作用。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种即插即用多功能的电能质量控制器，其特征在于，包括：检测控制单元(100)，逆变器单元(200)，特制互感器单元(300)和并联接入电网的无源滤波器单元(400)；
所述检测控制单元(100)包括基波电流检测模块(101)、反馈电流检测模块(102)和PWM驱动控制模块(103)；所述基波电流检测模块(101)用于检测入网电流中的基波电流，所述反馈电流检测模块(102)用于检测通过逆变器施加在特制互感器二次侧后产生的反馈电流；所述PWM驱动控制模块(103)用于驱动逆变器产生电压并施加到特制互感器的二次侧从而产生反馈电流；
所述逆变器单元(200)包括逆变器模块(201)和LC滤波器模块(202)，所述逆变器模块(201)接收PWM驱动控制模块(103)的驱动信号产生电压，通过LC滤波器模块(202)连接到特制互感器单元(300)的二次侧，所述LC滤波器模块(202)用于滤除逆变器模块(201)产生电压中的高频谐波分量；
所述特制互感器单元(300)包括一次侧绕组和二次侧绕组，一次侧绕组作为电网线或母排的一部分接入电网，二次侧绕组沿着轴向方向绕制，并与所述逆变器单元(200)的输出端连接；
所述无源滤波器单元(400)包括：设置在传统电网侧的第一无源滤波器模块(401)和设置在微网侧的第二无源滤波器模块(402)；所述第一无源滤波器模块(401)用于阻止传统电网中的谐波流入微网中，所述第二无源滤波器模块(402)用于阻止微网中的谐波流入传统电网中。
2.如权利要求1所述的电能质量控制器，其特征在于，通过调节所述特制互感器单元(300)一次侧的基波等效阻抗的大小从而起到调节微网潮流的目的。
3.如权利要求1所述的电能质量控制器，其特征在于，正常工作时，所述特制互感器单元(300)一次侧的等效阻抗非常小；当检测到故障状态时，调节变压器一次侧等效阻抗的大小，将故障电流降到系统可以承受的水平，从而起到故障电流限制器的作用。
4.如权利要求1-3任一项所述的电能质量控制器，其特征在于，所述特制互感器单元(300)中一次侧绕组和二次侧绕组的匝数比k＝W1/W2，其中，W1为一次侧绕组的匝数，W2为二次侧绕组的匝数，W2大于W1。
5.如权利要求4所述的电能质量控制器，其特征在于，所述特制互感器单元(300)的电感L＝W1 2μA/l，μ为铁芯的磁导率，A为铁芯截面积，l为平均磁路长度，W1为一次侧绕组的匝数。
6.如权利要求4所述的电能质量控制器，其特征在于，所述特制互感器单元(300)的铁芯为细长圆柱状或长方体状。
7.如权利要求1所述的电能质量控制器，其特征在于，所述特制互感器单元(300)一次侧的基波等效阻抗非常小，而对谐波呈现为高阻抗，谐波电流被迫流入无源滤波器支路，起到了谐波隔离的作用。
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