CN107437802A - 低压数字化分布式终端电能质量控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低压数字化分布式终端电能质量控制系统及控制方法，其包括与电网并联的n组变流器；变流器共用直流侧贮能单元、高通滤波器、并网滤波电抗；直流侧贮能单元与变流器主电路连接，变流器主电路的开关控制直流侧贮能单元的电流输出；高通滤波器位于变流器主电路向供电线路的输电线路上，并网滤波电抗也位于变流器主电路向供电线路的输电线路上。本发明能实现低压终端稳压调压、补偿谐波、补偿无功、补偿三相不平衡等多目标电能质量控制；能实现节点处电能质量智能化自识别双向控制：即能控制由电源侧电网传来的电能质量问题，又能控制由负载侧产生的电能质量问题；能实现直流侧电容供能与整流供能的复合稳压功能，提高直流电压稳定度。

Description

低压数字化分布式终端电能质量控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及电能质量控制技术领域，具体涉及一种低压数字化分布式终端电能质量控制系统及控制方法。

背景技术

医院低压输配电网络系统中，各类犹如核磁共振MRI、CT、直线加速器等大中型非线性医疗设备越来越多的普及应用，使低压输配电系统电压瞬降闪变、电压电流谐波畸变、电流三相不平衡、无功功率波动、有功功率波动等电能质量多重问题常态化，电能质量品质日趋恶化。

这些谐波源、无功源负荷特点：1)负荷容量多在20kw～100kw范围波动，其中暂态性、冲击性负荷特征明显；2)电压畸变率THDU平均在1.0％～3％，电流畸变率THDi多在30％～60％，少数严重的THDi高达120％；3)系统同一输配电节点，因不同时段出现感性负载特征与容性负载特征交替变化；4)系统动态敏感性强，一处的电能质量问题迅速波及它处；5)这些谐波源、无功源既是严重的污染源，又是必须向其提供高品质电能的重要医疗设备；6)每个污染源常常是多项电能质量问题叠加在一起。

目前，常规电能质量控制装置主要有SVC、SVG、APF、UPQC等，用于解决上述电能质量问题，主要存在的问题如下：

传统的SVC装置，包括TCR、TSC等，其主要问题：动态响应速度慢，实时性差；易产生过补、欠补、谐振；只能补偿无功；体积大；实际应用时，通过组合，多用于变配电低压侧集中补偿。

SVG属于新型电力电子设备，其响应速度快、动态实时性好、体积小，其主要问题：一是只能单项补偿无功功率，不能满足多目标电能质量问题处理；二是SVG若不采用多重化或多电平技术，则其自身产生的谐波问题严重，会对补偿对象产生影响。

APF属于新型电力电子设备，其主要用于消除谐波，同时也可提供部分无功，其主要问题：一是在单独使用情况下，若处理多目标，其能力有限，必须增大补偿容量，使动态响应速度变缓，实时性变差，同时体积也增大；二是独立使用情况下，受其控制方式的影响，其主要的谐波治理效率，实测仅达55％～70％。

UPQC即通用电能质量控制器，属于新型电力电子设备，其功能强大，可同时调控电压、抑制谐波、补偿无功，性能优良，目前主要用于高压输配电网、大容量场所(尚未见低压网络应用报道)，若用于控制低压终端节点电能质量，主要问题：一是该装置核心是由有源滤波器(APF)串并联组合而成，其中并联有源滤波组并联于电网，主要是提供无功补偿，串联有源滤波组通过变压器串联于电网上(负载前端)，主要提供电压调控。一般情况下，大中型医疗设备按照其使用要求都需要就地配置稳压变压器，这样就与UPQC的串联组变压器形成重复设置，增加能耗；二是该装置体积较大，价格昂贵，低压终端应用的经济适用性差，也不适宜于低压终端电能质量控制。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种低压数字化分布式终端电能质量控制系统及控制方法。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种低压数字化分布式终端电能质量控制系统，其包括与电网并联的n组变流器，所述n为大于或等于2的正整数；每一组变流器包括独立的指令信号控制电路、电流跟踪控制电路、驱动电路和变流器主电路，所述指令信号控制电路的输入端分别与供电线路电源侧、负载侧连接，所述指令信号控制电路检测、运算供电线路上的谐波、无功信号作为指令信号，并传输给电流跟踪控制电路，所述电流跟踪控制电路的第一输入端接收指令信号，第二输入端输入变流器主电路的输出补偿电流信号，经滞环电流跟踪控制电路计算，发出PWM脉冲，供驱动电路放大发出驱动信号，所述驱动信号驱动主变流器主电路开关管通断，向供电线路中输出补充电流；所述n组变流器共用直流侧贮能单元，高通滤波器，并网滤波电抗，所述直流侧贮能单元分别与各组变流器主电路连接，所述变流器主电路的开关控制直流侧贮能单元的电流输出；所述高通滤波器位于变流器主电路向供电线路的输电线路上，所述并网滤波电抗也位于变流器主电路向供电线路的输电线路上。

本发明的低压数字化分布式终端电能质量控制系统是功能强大、性能可靠、专用于低压负载或线路终端、经济适用、小微型化的综合电能质量控制系统。其能实现稳压调压、补偿谐波、补偿无功、补偿三相不平衡等多目标电能质量控制；能实现节点处电能质量双向控制目的：即能控制由电源侧电网传来的电压波动、瞬降、闪变、谐波潮、无功潮等影响，又能控制由负载侧产生的电能质量问题；响应迅速，动态实时性优良，补偿精确；电磁兼容性好，不产谐，不起振，能耗低；技术先进，性能可靠，经济适用；系统小微型化，适用于终端电能质量控制。并且能智能化自识别电网侧谐波源还是负载侧谐波源；能实现直流侧电容供能与整流供能的复合稳压功能，提高直流电压稳定度；能有效解决传统单并联开关频率谐波与电网阻抗引起的谐振，同时解决了由高增益K值引起的系统振荡问题；能实现降低主电路开关通断频率，降低通断电流变化率di/dt，降低通断损耗，延长装置电气使用寿命的目的；能实现N+1冗余运行，提高安全可靠性；能确保系统动态实时性，提高补偿效率。

在本发明的一种优选实施方式中，所述n为2。两组变流器共用直流侧电源，形成动态直流电能互补运行，有效地提高了直流侧稳压能力，从而可进一步降低贮能电容容量和提高系统工作稳定性。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种低压数字化分布式终端电能质量控制系统的控制方法，采用步骤S1、S2之一或者两者的组合：

S1，用作电源侧谐波、无功补偿时：第1组变流器指令电流信号i_s1取自电源侧(CT₁)，其中含有基波分量i_Lf1、谐波分量i_Lh1和无功分量i_Lq1，即：i_s1＝i_L1+i_C1，i_L1＝i_Lf1+i_Lh1+i_Lq1，经指令电流运算电路计算，得到负载电流中需补偿的谐波、无功的指令信号：i_C1*＝-(i_Lh1+i_Lq1)，该指令信号指示变流器1输出补偿电流-i_C1，该补偿电流与负载电流中的谐波分量和无功分量之和大小相等、极性相反，相互抵消，即：i_s1＝(i_Lf1+i_Lh1+i_Lq1)-i_C1＝i_Lf1，使负载电流中仅余基波有功分量，从而达到补偿谐波、无功，控制电能质量的目的；

若补偿电流-i_C1不能完全补偿负载电流中的谐波、无功，其未补偿谐波、无功注入电网，将被第2组变流器的CT2复取指令信号i_S2，经指令电流运算电路计算，得到负载电流中仍需进一步补偿的谐波、无功的指令信号：i_C2*＝-(i_Lh2+i_Lq2)，该指令信号指示变流器2，输出补充补偿电流-i_C2，对负载电流中剩余的谐波、无功作进一步补偿，如此循环运行，直至满足谐波、无功的补偿要求。

S2，用作负载侧谐波、无功补偿时：第2组变流器指令信号源i_s2取自负载侧CT2，其中含有基波分量i_Lf2、谐波分量i_Lh2和无功分量i_Lq2，即：i_s2＝i_L2+i_C2，i_L2＝i_Lf2+i_Lh2+i_Lq2，经指令电流运算电路计算，得到负载电流中需补偿的谐波、无功的指令信号：i_C2*＝-(i_Lh2+i_Lq2)，该指令信号指示变流器2输出补偿电流-i_C2，补偿电流与负载电流中的谐波分量和无功分量之和大小相等、极性相反，相互抵消，即：i_s2＝(i_Lf2+i_Lh2+i_Lq2)-i_C2＝i_Lf2，使负载电流中仅余基波有功分量，从而达到补偿谐波、无功，控制电能质量的目的；

若补偿电流i_C2不能完全补偿负载电流中的谐波、无功，剩余谐波、无功注入电网，将被第1组变流器的CT1复取指令信号i_S1，经指令电流运算电路计算，得到负载电流中需进一步补偿的谐波、无功的指令信号：i_C1*＝-(i_Lh1+i_Lq1)，该指令信号指示变流器1，输出补充补偿电流-i_C1，对负载电流作进一步补偿，如此循环运行，直至满足谐波、无功的补偿要求。。

本发明的控制方法实现稳压调压、补偿谐波、补偿无功、补偿三相不平衡等多目标电能质量控制；能实现节点处电能质量双向控制目的：即能控制由电源侧电网传来的电压波动、瞬降、闪变、谐波潮、无功潮等影响，又能控制由负载侧产生的电能质量问题；响应迅速，动态实时性优良，补偿精确。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明第一种优选实施方式中低压数字化分布式终端电能质量控制系统的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明提供了一种低压数字化分布式终端电能质量控制系统，如图1所示，其包括与电网并联的n组变流器，所述n为大于或等于2的正整数。在本发明的一种优选实施方式中，n为2，即两个变流器并联，而在本发明另外的优选实施方式中，也可以采用1个变流器或者更多个的变流器并联。

每一组变流器包括独立的指令信号控制电路、电流跟踪控制电路、驱动电路和变流器主电路，所述指令信号控制电路的输入端分别与供电线路电源侧、负载侧连接，所述指令信号控制电路检测、运算供电线路上的谐波、无功信号作为指令信号，并传输给电流跟踪控制电路，所述电流跟踪控制电路的第一输入端接收指令信号，第二输入端输入变流器主电路的输出补偿电流信号，经滞环电流跟踪控制电路计算，发出PWM脉冲，供驱动电路放大发出驱动信号，所述驱动信号驱动主变流器主电路开关管通断，向供电线路中输出补充电流。

在本实施方式中，指令信号控制电路、电流跟踪控制电路、驱动电路和变流器主电路可采用现有的结构，具体的控制方法采用本发明的控制方法。

如图1所示，该低压数字化分布式终端电能质量控制系统的n组变流器共用直流侧贮能单元，高通滤波器，并网滤波电抗，所述直流侧贮能单元分别与各组变流器主电路连接，所述变流器主电路的开关控制直流侧贮能单元的电流输出；所述高通滤波器位于变流器主电路向供电线路的输电线路上，所述并网滤波电抗也位于变流器主电路向供电线路的输电线路上。

本系统采用两组并联变流器结构设计，两组变流器各自由指令信号控制电路、电流跟踪控制电路、驱动电路、变流器主电路、直流侧贮能单元、二阶高通滤波器、并网滤波电抗等部分构成，其中直流侧电容贮能单元、二阶高通滤波器、并网滤波电抗为两组变流器共用。每组变流器设计容量按总需补偿容量的1/2确定。

本发明的低压数字化分布式终端电能质量控制系统是功能强大、性能可靠、专用于低压负载或线路终端、经济适用、小微型化的综合电能质量控制系统。其能实现稳压调压、补偿谐波、补偿无功、补偿三相不平衡等多目标电能质量控制；能实现节点处电能质量双向控制目的：即能控制由电源侧电网传来的电压波动、瞬降、闪变、谐波潮、无功潮等影响，又能控制由负载侧产生的电能质量问题；响应迅速，动态实时性优良，补偿精确；电磁兼容性好，不产谐，不起振，能耗低；技术先进，性能可靠，经济适用；系统小微型化，适用于终端电能质量控制。

本发明提供了一种低压数字化分布式终端电能质量控制系统的控制方法，其采用步骤S1、S2之一或者两者的组合：

S1，用作电源侧谐波、无功补偿时：第1组变流器指令电流信号i_s1取自电源侧(CT₁)，其中含有基波分量i_Lf1、谐波分量i_Lh1和无功分量i_Lq1，即：i_s1＝i_L1+i_C1，i_L1＝i_Lf1+i_Lh1+i_Lq1，经指令电流运算电路计算，得到负载电流中需补偿的谐波、无功的指令信号：i_C1*＝-(i_Lh1+i_Lq1)，该指令信号指示变流器1输出补偿电流-i_C1，该补偿电流与负载电流中的谐波分量和无功分量之和大小相等、极性相反，相互抵消，即：i_s1＝(i_Lf1+i_Lh1+i_Lq1)-i_C1＝i_Lf1，使负载电流中仅余基波有功分量，从而达到补偿谐波、无功，控制电能质量的目的；

若补偿电流-i_C1不能完全补偿负载电流中的谐波、无功，其未补偿谐波、无功注入电网，将被第2组变流器的CT2复取指令信号i_S2，经指令电流运算电路计算，得到负载电流中仍需进一步补偿的谐波、无功的指令信号：i_C2*＝-(i_Lh2+i_Lq2)，该指令信号指示变流器2，输出补充补偿电流-i_C2，对负载电流中剩余的谐波、无功作进一步补偿，如此循环运行，直至满足谐波、无功的补偿要求。

S2，用作负载侧谐波、无功补偿时：第2组变流器指令信号源i_s2取自负载侧CT2，其中含有基波分量i_Lf2、谐波分量i_Lh2和无功分量i_Lq2，即：i_s2＝i_L2+i_C2，i_L2＝i_Lf2+i_Lh2+i_Lq2，经指令电流运算电路计算，得到负载电流中需补偿的谐波、无功的指令信号：i_C2*＝-(i_Lh2+i_Lq2)，该指令信号指示变流器2输出补偿电流-i_C2，补偿电流与负载电流中的谐波分量和无功分量之和大小相等、极性相反，相互抵消，即：i_s2＝(i_Lf2+i_Lh2+i_Lq2)-i_C2＝i_Lf2，使负载电流中仅余基波有功分量，从而达到补偿谐波、无功，控制电能质量的目的；

若补偿电流i_C2不能完全补偿负载电流中的谐波、无功，剩余谐波、无功注入电网，将被第1组变流器的CT1复取指令信号i_S1，经指令电流运算电路计算，得到负载电流中需进一步补偿的谐波、无功的指令信号：i_C1*＝-(i_Lh1+i_Lq1)，该指令信号指示变流器1，输出补充补偿电流-i_C1，对负载电流作进一步补偿，如此循环运行，直至满足谐波、无功的补偿要求。

本发明是在现有的DSP指令信号运算控制电路、电流滞环跟踪控制电路、HCPL驱动电路、IGBT变流主电路等先进成熟的技术基础上，通过谐波无功负荷调配、并联结构设计、信号源控制方式设计，采用双并联变流器组、双重闭环复合控制、双级循环补偿方式，实现本发明目的。

系统具有智能化的负载率变化自适应能力：当处于高负载率时，CT2信号优先采集，指示第2组变流器发出谐波、无功补偿电流，其中未补偿尽的谐波、无功，由CT1补充采集信号，指示第1组变流器做相应的谐波、无功补充补偿；当处于低负载率时，CT2优先采集信号，指示第2组变流器发出谐波、无功补偿电流，若已完全满足补偿需求，则CT1补充采集信号时，无需进一步补充补偿电流，此时第1组变流器仅起到动态整流器作用，对直流侧电容充电。此负载率自适应能力，可使系统在低负载率下，系统可低损耗运行，并减轻了系统运行的工作条件。

本双并联变流器结构设计，由于各变流器仍配置有独立的DSP控制、电流跟踪控制、驱动控制、逆变控制功能，因此，当其中一组变流器出现故障时，并不影响另一组变流器工作。实现了系统N+1冗余运行，提高了装置的运行可靠性。

同等负荷条件下，双并联变流器结构，降低了IGBT开关管通断di/dt电流变化率，极大地改善了开关管热工作状态和通断损耗，提高了开关管工作可靠性和延长其使用寿命。相对于常规APF,开光管通断电流变化率di/dt要减小50％。

优化了系统控制方式，形成电源侧、负荷侧同时采集信号的复合控制及内层电流跟踪闭环和外层2组变流器之间形成的互补闭环双重控制，消除谐振和系统振荡问题，极大地提高了系统补偿精度、工作稳定性及补偿效率。相对于常规APF，很好地解决了系统谐振和系统振荡问题，等效补偿效率可由常规的70％提高到90％以上。

两组变流器共用直流侧电源，形成动态直流电能互补运行，有效地提高了直流侧稳压能力，从而可进一步降低贮能电容容量和提高系统工作稳定性。而常规APF不具备这样能力。

系统具有了智能化的双向谐波自识别能力：当谐波来自电源侧，CT1信号优先采集，指示第1组变流器补偿电流，其中未补偿尽谐波和开关频率产生的高频谐波，经高通滤波器滤除，仍未尽者由CT2信号补充采集，指示第2组变流器做补充补偿；当谐波来自负载侧，CT2信号优先采集，指示第2组变流器补偿电流，其中未补偿尽谐波和开关频率产生的高频谐波，经高通滤波器滤除，仍未尽者由CT1信号补充采集，指示第1组变流器做补充补偿。此智能化的自识别能力，对区分电网谐波和负载谐波，有很重要的现实功用。常规APF不具备这样功能。

系统具有智能化的负载率变化自适应能力：当处于高负载率时，CT2信号优先采集，指示第2组变流器发出谐波、无功补偿电流，其中未补偿尽的谐波、无功，由CT1补充采集信号，指示第1组变流器做相应的谐波、无功补充补偿；当处于低负载率时，CT2优先采集信号，指示第2组变流器发出谐波、无功补偿电流，若已完全满足补偿需求，则CT1补充采集信号时，无需进一步补充补偿电流，此时第1组变流器仅起到动态整流器作用，对直流侧电容充电。此负载率自适应能力，可使系统在低负载率下，系统可低损耗运行，并减轻了系统运行的工作条件。常规APF不具备这样功能。

本双并联变流器结构设计，由于各变流器仍配置有独立的DSP控制、电流跟踪控制、驱动控制、逆变控制功能，因此，当其中一组变流器出现故障时，并不影响另一组变流器工作。实现了系统N+1冗余运行，提高了装置的运行可靠性。常规APF不具备这样能力。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种低压数字化分布式终端电能质量控制系统，其特征在于，包括与电网并联的n组变流器，所述n为大于或等于2的正整数；

每一组变流器包括独立的指令信号控制电路、电流跟踪控制电路、驱动电路和变流器主电路，所述指令信号控制电路的输入端分别与供电线路电源侧、负载侧连接，所述指令信号控制电路检测、运算供电线路上的谐波、无功信号作为指令信号，并传输给电流跟踪控制电路，所述电流跟踪控制电路的第一输入端接收指令信号，第二输入端输入变流器主电路的输出补偿电流信号，经滞环电流跟踪控制电路计算，发出PWM脉冲，供驱动电路放大发出驱动信号，所述驱动信号驱动主变流器主电路开关管通断，向供电线路中输出补充电流；

所述n组变流器共用直流侧贮能单元，高通滤波器，并网滤波电抗，所述直流侧贮能单元分别与各组变流器主电路连接，所述变流器主电路的开关控制直流侧贮能单元的电流输出；所述高通滤波器位于变流器主电路向供电线路的输电线路上，所述并网滤波电抗也位于变流器主电路向供电线路的输电线路上。

2.如权利要求1所述的低压数字化分布式终端电能质量控制系统，其特征在于，所述n为2。

3.一种权利要求1所述低压数字化分布式终端电能质量控制系统的控制方法，其特征在于，采用步骤S1、S2之一或者两者的组合：

S1，用作电源侧谐波、无功补偿时：第1组变流器指令电流信号i_s1取自电源侧(CT₁)，其中含有基波分量i_Lf1、谐波分量i_Lh1和无功分量i_Lq1，即：i_s1＝i_L1+i_C1，i_L1＝i_Lf1+i_Lh1+i_Lq1，经指令电流运算电路计算，得到负载电流中需补偿的谐波、无功的指令信号：i_C1*＝-(i_Lh1+i_Lq1)，该指令信号指示变流器1输出补偿电流-i_C1，该补偿电流与负载电流中的谐波分量和无功分量之和大小相等、极性相反，相互抵消，即：i_s1＝(i_Lf1+i_Lh1+i_Lq1)-i_C1＝i_Lf1，使负载电流中仅余基波有功分量，从而达到补偿谐波、无功，控制电能质量的目的；

若补偿电流-i_C1不能完全补偿负载电流中的谐波、无功，其未补偿谐波、无功注入电网，将被第2组变流器的CT2复取指令信号i_S2，经指令电流运算电路计算，得到负载电流中仍需进一步补偿的谐波、无功的指令信号：i_C2*＝-(i_Lh2+i_Lq2)，该指令信号指示变流器2，输出补充补偿电流-i_C2，对负载电流中剩余的谐波、无功作进一步补偿，如此循环运行，直至满足谐波、无功的补偿要求。

S2，用作负载侧谐波、无功补偿时：第2组变流器指令信号源i_s2取自负载侧CT2，其中含有基波分量i_Lf2、谐波分量i_Lh2和无功分量i_Lq2，即：i_s2＝i_L2+i_C2，i_L2＝i_Lf2+i_Lh2+i_Lq2，经指令电流运算电路计算，得到负载电流中需补偿的谐波、无功的指令信号：i_C2*＝-(i_Lh2+i_Lq2)，该指令信号指示变流器2输出补偿电流-i_C2，补偿电流与负载电流中的谐波分量和无功分量之和大小相等、极性相反，相互抵消，即：i_s2＝(i_Lf2+i_Lh2+i_Lq2)-i_C2＝i_Lf2，使负载电流中仅余基波有功分量，从而达到补偿谐波、无功，控制电能质量的目的；

若补偿电流i_C2不能完全补偿负载电流中的谐波、无功，剩余谐波、无功注入电网，将被第1组变流器的CT1复取指令信号i_S1，经指令电流运算电路计算，得到负载电流中需进一步补偿的谐波、无功的指令信号：i_C1*＝-(i_Lh1+i_Lq1)，该指令信号指示变流器1，输出补充补偿电流-i_C1，对负载电流作进一步补偿，如此循环运行，直至满足谐波、无功的补偿要求。