CN109119990B - 一种低成本治理电网电压暂降和短时中断的设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低成本治理电网电压暂降和短时中断的设备及方法，该方法利用了双路电源供电解决负荷供电可靠性的快速互相切换以及传统DVR的优点，将两者优化集成在一起，不仅能够治理配电网的普遍存在的电压暂降电能质量问题，有效保证敏感性负载用电可靠性，解决传统电压暂降补偿设备中储能元件投资成本高，维护困难等问题，能够减少能耗、节约安装空间和降低设备运行成本，具有很好的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及配电网领域，具体涉及一种低成本治理电网电压暂降和短时中断的设备及方法。
背景技术
电压暂降是工业用电领域最为常见的电能质量问题具体表现为电压短时中断，或电压有效值突然下降又迅速恢复的现象。电压暂降多为偶然突发事件，有较高的发生频率，故障原因复杂不容易排查。随着工业自动化程度越来越高，大量使用精密电子设备等敏感负载，设备因供电电压扰动而停机，会造成严重的经济损失。
对于大部分用电量较大的工厂，一般都会有两路10kV/35kV高压进线，对应的工厂配电室都会存在两路低压互为备用电源的情况，以前都是通过两路低压供电备用都是通过备自投或快切来实现两路低压电源的相互切换来实现的，但是备自投或快切都存在切换过程中有20ms-2s的电压供电短时中断过程，这种情况仍会导致一些关键敏感负荷设备因电压短时中断而停机。
针对这种状况，市面上传统的敏感负荷电压暂降治理设备主要采用两种方式，实时在线串联补偿方式AVC和离线并联式逆变补偿方法DVR。采用实时在线串联补偿方式AVC补偿电压，无需储能装置且耗能极低，成本也较低，可以应对频繁电压轻度跌落的工况，但在电压为深度跌落或短时中断的情况下，设备无法满足补偿要求。离线并联式逆变补偿方法DVR含储能装置，通过逆变电压方式，可以做到宽范围深度补偿，但受限于其储能容量，不适合应对频繁电压跌落，且需面临较高能耗和维护成本，储能容量需要配置较大，投资成本高，推广难度大。
因此针对有双路电源供电的工厂配电，急需一种投资成本低同时又能完全满足电压暂降和短时中断的电压暂降治理方法。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种低成本治理电网电压暂降和短时中断的补偿设备，该设备包括两路电源进线交流快速开关单元SCR1、SCR2、两路旁路机械维修开关单元、直流储能单元和并联逆变器，设备串联在系统电源与敏感负荷之间。
其中交流快速开关单元SCR1、SCR2分别连接主路电源和备用电源，用于双路供电电源的切换；两路旁路机械维修开关单元分别与SCR1和SCR2并联，用于SCR1和SCR2故障时的旁路运行，防止交流快速开关故障时导致负荷供电中断；直流储能单元用于提供SCR1和SCR2在切换过程中提供给负荷的有功功率；在SCR1和SCR2切换过程中，并联逆变器需要从直流储能单元获取能量，精确快速产生和电网电压正常时同相位同幅值的逆变电压，保证负荷端电压保持稳定。在存在双路电源供电的工厂配电环境里，这种方法综合传统电压暂降补偿装置的优势，同时弥补了各自的缺点，拓展了其补偿能力，确保电压敏感性负载安全运行，更为重要的是直流储能只需要提供两路电源进线切换期间(10ms-100ms)的能量，避免了传统DVR方案为解决电压暂降需要存储长达2-3s的能量，极大地降低了投资成本。
优选的，所述的两路电源进线交流快速开关单元SCR1、SCR2分别和两路旁路机械维修开关单元相连，其中SCR1进线端与主路电源连接，SCR2进线端与备用电源连接，SCR1和SCR2的出线端并接在一起。为了防止SCR1和SCR2故障和维修时导致负荷端电压中断，分别在SCR1和SCR2两端各并联一个旁路机械开关。SCR1和SCR2正常时这两路旁路机械开关均处于分闸状态，只有SCR1或SCR2出现故障时才处于旁路合闸状态。在SCR1及其维修开关与SCR2及其开关切换过程中，采用必要的二路只合一路逻辑的闭锁控制。
优选的，所述直流储能单元为超级电容组或带充电功能的电池组，所述直流储能单元的直流输出端与并联逆变器的直流母线相连接。
优选的，所述并联逆变器为三相全桥逆变器拓扑或三个单相H桥逆变器组成的三相逆变器拓扑结构，其直流端都与直流储能单元连接，其交流输出端通过直接与交流负荷端连接或通过隔离变压器与负荷端相连接。
本发明还提供了一种低成本治理电网电压暂降和短时中断的补偿方法，该方法通过在配电中压侧或低压侧安装设备，在电网电压暂降或短时中断期间保证负荷端稳定输出电压，所述方法是通过串联双路快速交流开关SCR1、SCR2、并联逆变器和直流储能单元来实现的。当主路电源电压正常时所述主路电源进线交流快速开关SCR1保持导通，备用电源的交流进线快速开关处于关闭状态，并联逆变器器对直流储能单元进行充电，直至维持浮充状态下的直流稳定，同时可以实现负荷无功电流、谐波电流的补偿。
优选的，所述的治理电网电压暂降和短时中断的补偿方法，该方法如下：当检测到主路电源出现暂降或短时中断时，主路电源进线交流快速开关SCR1迅速关闭，备用电源的进线交流快速开关SCR2在检测到SCR1完全关闭后迅速导通。在SCR1关闭时，并联逆变器从直流储能单元中获取能量，在迅速逆变出和主路电源正常时相同相位和幅值的电压后在短时间内(20ms-30ms左右)将相位和幅值调整到和备用电源电压相同，当两者电压相位和幅值相同时SCR2迅速导通，并联逆变器同时恢复到给直流储能单元充电至浮充的状态。当检测到主路电源恢复正常时，备用电源的进线交流快速开关SCR2将在短时间内关闭，并联逆变器从直流储能单元中获取能量，同时迅速逆变出和备用电源相同相位和幅值的电压，后在短时间内(20ms-30ms左右)将相位和幅值调整到和主路电源电压相同，当两者电压相位和幅值相同时SCR1迅速导通，并联逆变器同时恢复到给直流储能单元充电至浮充的状态，并补偿负荷无功电流和谐波电流。
优选的，通过广义二阶积分滤波方法解决电压深度跌落事件检测和电压精确锁相问题，具体包括如下步骤：
(1)通过广义二阶积分滤波法得到电压基波，
(2)通过对基波锁相环PLL获取电网相位θs；
(3)电压基波比对实时电压，根据锁相具体相位，超过设置阈值触发电压
暂降事件。
优选的，通过直流储能单元和并联逆变器控制器进行电压补偿问题，通过如下步骤实现：
(1)电网电压正常时并联逆变器给直流储能单元进行充电直至到浮充状态；
(2)检测到电压暂降或短时中断事件时，并联逆变器通过双闭环控制计算生成SPWM，对电压实时补偿。外环控制为电压环，内环控制为电流环，控制器可以是PI控制器也可以是其他类型的控制器。
与现有技术相比本发明存在如下显著的技术效果：
(1)与现有的双路电源机械开关切换技术相比，本发明由晶闸管等功率半导体构成的双路切换电路关断速度更快，更加快速隔离电网电压故障。
(2)与传统的DVR技术方案相比，本发明可以显著降低储能电源的设计成本，整体成本也显著降低。
(3)与原有的DVR技术方案相比，本发明大大减小了储能电源的备份时间，减小了整体体积和成本。原有的DVR技术方案储能电源设计的备份时间在秒级，而本发明储能电源设计的备份时间只需要设计在100ms以内。
附图说明
图1示出了本发明的一种低成本治理电网电压暂降和短时中断的补偿设备的具体结构图；
图2示出了本发明的另一种低成本治理电网电压暂降和短时中断的补偿设备的具体结构图；
图3示出了本发明的三相全桥逆变器拓结构；
图4示出了本发明的三个单相H桥逆变器拓扑结构；
图5示出了本发明的一种低成本治理电网电压暂降和短时中断的补偿设备的单元设备主电源回路切备用电源回路的控制时序；
图6示出了本发明的一种低成本治理电网电压暂降和短时中断的补偿设备的单元设备备用电源回路切主电源回路的控制时序；
图7示出了本发明的一种低成本治理电网电压暂降和短时中断的补偿设备的控制框图。
具体实施方式
图1示出了一种低成本治理电网电压暂降和短时中断的补偿设备的具体结构图，该装置包括该设备包括两路电源进线交流快速开关单元和两路旁路机械维修开关单元、直流储能单元和并联逆变器，设备串联在系统电源与敏感负荷之间。
快速开关单元SCR1、SCR2分别连接主路电源和备用电源，主要用于双路供电电源的切换；两路旁路机械维修开关单元分别于SCR1和SCR2并联，主要是用于SCR1和SCR2故障时的旁路运行，防止交流快速开关故障时导致负荷供电中断；直流储能单元主要用于提供SCR1和SCR2在切换过程中提供给负荷的有功功率；在SCR1和SCR2切换过程中，并联逆变器需要从直流储能单元获取能量，精确快速产生和电网电压正常时同相位同幅值的逆变电压，保证负荷端电压保持稳定。在SCR1及其维修开关与SCR2及其开关切换过程中，采用必要的二路只合一路逻辑的闭锁控制。
图2示出了在图1基础上在并联逆变器输出基础上增加隔离变压器的结构，该结构是为了满足一些敏感负荷对电能质量的高要求。
图3示出了并联逆变器为三相全桥逆变器拓扑结构，图4示出了并联逆变器为三个单相H桥逆变器组成的三相逆变器拓扑结构，其直流端都与直流储能单元连接，其交流输出端通过直接与交流负荷端连接或通过隔离变压器与负荷端相连接。
图5示出了一种低成本治理电网电压暂降和短时中断的补偿设备的单元设备控制时序。
(1)当检测到主路电源出现暂降或短时中断时，主路电源进线交流快速开关SCR1迅速关闭；
(2)在SCR1关闭时，并联逆变器从直流储能单元中获取能量，在迅速逆变出和主路电源正常时相同相位和幅值的电压后在短时间内(20ms-30ms左右)将相位和幅值调整到和备用电源电压相同；
(3)当两者电压相位和幅值相同时SCR2迅速导通，并联逆变器同时恢复到给直流储能单元充电至浮充的状态。
图6示出了一种低成本治理电网电压暂降和短时中断的补偿设备备用电源切换到主路电源的时序，与图4所示时序类似，不再赘述。
图7示出了一种低成本治理电网电压暂降和短时中断的补偿设备作为电压暂降补偿装置实施方式的具体控制框图。具体实现步骤如下：
(1)采样主路电源电压Uabc1和备用电源电压Uabc2，通过广义二阶积分滤波，分别提取基波电压。
广义二阶积分滤波法的具体公式如下：
其中：v是输入信号，v'是输出信号，Hd(s)为带通滤波器传递函数，Hq(s)为低通滤波器传递函数，ω为滤波器中心角频率，k为阻尼比。
电网采用工频频率，可以保持滤波器中心角频率和输入电压信号角频率相等；输入信号v经过Hd(s)，得到角频率为ω的输出电压信号v'，提取基波电压。
(2)基波电压通过锁相环PLL可以准确计算两个电网电压的相位θs1、θs2。通过基波锁相主要作用是，用以消除电压暂降或畸变、电压不平衡等对锁相环计算的影响，得到精确锁相角度。
(3)通过比对电网实际电压和基波电压确定电压波动差值，根据相位确定阈值系数，根据电压差值是否超过设定阈值，触发电压突变事件。触发电压突变事件用于开关切换控制，以及并联逆变器启动停止的控制。
(4)出现单相跌落或电压不平衡时，电网电压UABC1、UABC2分别减去基波电压，得到负序电压UABC1n、UABC2n。通过负序电压分解，得出电网电压负序补偿幅值Uαn、Uβn，消除电压单相暂降或电压不平衡。
(5)电网电压正常时并联逆变器给直流储能单元进行充电直至到浮充状态；在电网电压异常跌落时，直流储能单元作为直流电源提供能量。
(6)检测到电压暂降或短时中断事件时，并联逆变器通过双闭环控制算生成SPWM，对电压实时补偿。外环控制为电压环，内环控制为电流环，控制器可以是PI控制器也可以是其他类型的控制器。
利用锁相同步角度θs1或θs2，将VSC并联侧三相电压UABCInv和电流IABCInv变换到dq轴上，分别为Ud、Uq、Id和Iq；输出电压的给定值为
和实际电压Ud、Uq比较之后，通过PI控制器(以PI为例，根据实际情况需要可以采用其他类型的控制器)得到了d轴的电流给定，q轴的电流给定；d轴、q轴电流给定和实际电流Id、Iq比较，通过PI控制器再加上相关耦合项之后得到了变换器输出的d轴和q轴电压。d轴和q轴电压利用锁相同步角度θs1或θs2，补偿负序电压分量Uαn、Uβn，经过矢量SPWM调理之后，控制变换器的IGBT实现了闭环控制。
并联变换器的IGBT生成电压波形实现闭环控制。电流内环的添加主要为增加网侧变换器电压响应速度。
采用实时在线串联补偿方式AVC补偿电压，无需储能装置，但在电压为深度跌落或短时中断的情况下，设备无法满足补偿要求。离线并联式逆变补偿方法DVR含储能装置，通过逆变电压方式，可以做到宽范围深度补偿，但采用的储能容量需要配置较大，投资成本较高。
以上内容是结合具体的优选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，尤其是将装置应用在配电变压器高压侧的方法与本方法本质上是一致的。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，做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种低成本治理电网电压暂降和短时中断的补偿设备，其特征在于，该设备包括两路电源进线交流快速开关单元SCR1、SCR2、两路旁路机械维修开关单元、直流储能单元和并联逆变器，设备串联在系统电源与敏感负荷之间；
其中交流快速开关单元SCR1、SCR2分别连接主路电源和备用电源，用于双路供电电源的切换；两路旁路机械维修开关单元分别与SCR1和SCR2并联，用于SCR1和SCR2故障时的旁路运行，防止交流快速开关故障时导致负荷供电中断；直流储能单元用于提供SCR1和SCR2在切换过程中提供给负荷的有功功率；在SCR1和SCR2切换过程中，并联逆变器需要从直流储能单元获取能量，精确快速产生和电网电压正常时同相位同幅值的逆变电压，保证负荷端电压保持稳定；
所述的两路电源进线交流快速开关单元SCR1、SCR2分别和两路旁路机械维修开关单元相连，其中SCR1进线端与主路电源连接，SCR2进线端与备用电源连接，SCR1和SCR2的出线端并接在一起，为了防止SCR1和SCR2故障和维修时导致负荷端电压中断，分别在SCR1和SCR2两端各并联一个旁路机械开关，SCR1和SCR2正常时这两路旁路机械开关均处于分闸状态，只有SCR1或SCR2出现故障时才处于旁路合闸状态；
其中，所述补偿设备采用如下控制方式进行电压暂降补偿：
(1)采样主路电源电压Uabc1和备用电源电压Uabc2，通过广义二阶积分滤波，分别提取基波电压；
广义二阶积分滤波法的具体公式如下：
其中：v是输入信号，v'是输出信号，Hd(s)为带通滤波器传递函数，Hq(s)为低通滤波器传递函数，ω为滤波器中心角频率，k为阻尼比；
电网采用工频频率，可以保持滤波器中心角频率和输入电压信号角频率相等；输入信号v经过Hd(s)，得到角频率为ω的输出电压信号v'，提取基波电压；
(2)基波电压通过锁相环PLL可以准确计算两个电网电压的相位θs1、θs2；通过基波锁相主要作用是，用以消除电压暂降或畸变、电压不平衡等对锁相环计算的影响，得到精确锁相角度；
(3)通过比对电网实际电压和基波电压确定电压波动差值，根据相位确定阈值系数，根据电压差值是否超过设定阈值，触发电压突变事件；触发电压突变事件用于开关切换控制，以及并联逆变器启动停止的控制；
(4)出现单相跌落或电压不平衡时，电网电压UABC1、UABC2分别减去基波电压，得到负序电压UABC1n、UABC2n；通过负序电压分解，得出电网电压负序补偿幅值Uαn、Uβn，消除电压单相暂降或电压不平衡；
(5)电网电压正常时并联逆变器给直流储能单元进行充电直至到浮充状态；在电网电压异常跌落时，直流储能单元作为直流电源提供能量；
(6)检测到电压暂降或短时中断事件时，并联逆变器通过双闭环控制生成SPWM，对电压实时补偿；外环控制为电压环，内环控制为电流环，控制器为PI控制器；
利用锁相同步角度θs1或θs2，将VSC并联侧三相电压UABCInv和电流IABCInv变换到dq轴上，分别为Ud、Uq、Id和Iq；输出电压的给定值为
和实际电压Ud、Uq比较之后，通过PI控制器得到了d轴的电流给定，q轴的电流给定；d轴、q轴电流给定和实际电流Id、Iq比较，通过PI控制器再加上相关耦合项之后得到了变换器输出的d轴和q轴电压；d轴和q轴电压利用锁相同步角度θs1或θs2，补偿负序电压分量Uαn、Uβn，经过矢量SPWM调理之后，控制变换器的IGBT实现了闭环控制。
2.如权利要求1所述的补偿设备，其特征在于，所述直流储能单元为超级电容组或带充电功能的电池组，所述直流储能单元的直流输出端与并联逆变器的直流母线相连接。
3.如权利要求1所述的补偿设备，其特征在于，所述并联逆变器为三相全桥逆变器拓扑或三个单相H桥逆变器组成的三相逆变器拓扑结构，其直流端都与直流储能单元连接，其交流输出端通过直接与交流负荷端连接或通过隔离变压器与负荷端相连接。
4.一种低成本治理电网电压暂降和短时中断的补偿方法，该方法通过在配电中压侧或低压侧安装设备，在电网电压暂降或短时中断期间保证负荷端稳定输出电压，其特征在于，所述方法是通过串联双路交流快速开关单元SCR1、SCR2、并联逆变器和直流储能单元来实现的；
当主路电源电压正常时主路电源进线交流快速开关SCR1保持导通，备用电源的交流进线快速开关处于关闭状态，并联逆变器器对直流储能单元进行充电，直至维持浮充状态下的直流稳定，同时可以实现负荷无功电流、谐波电流的补偿；
当检测到主路电源出现暂降或短时中断时，主路电源进线交流快速开关SCR1迅速关闭，备用电源的进线交流快速开关SCR2在检测到SCR1完全关闭后迅速导通；
在SCR1关闭时，并联逆变器从直流储能单元中获取能量，在迅速逆变出和主路电源正常时相同相位和幅值的电压后在短时间内将相位和幅值调整到和备用电源电压相同，当两者电压相位和幅值相同时SCR2迅速导通，并联逆变器同时恢复到给直流储能单元充电至浮充的状态；
当检测到主路电源恢复正常时，备用电源的进线交流快速开关SCR2将在短时间内关闭，并联逆变器从直流储能单元中获取能量，同时迅速逆变出和备用电源相同相位和幅值的电压，后在短时间内将相位和幅值调整到和主路电源电压相同，当两者电压相位和幅值相同时SCR1迅速导通，并联逆变器同时恢复到给直流储能单元充电至浮充的状态，并补偿负荷无功电流和谐波电流；
其中，所述补偿设备采用如下控制方式进行电压暂降补偿：
(1)采样主路电源电压Uabc1和备用电源电压Uabc2，通过广义二阶积分滤波，分别提取基波电压；
广义二阶积分滤波法的具体公式如下：
其中：v是输入信号，v'是输出信号，Hd(s)为带通滤波器传递函数，Hq(s)为低通滤波器传递函数，ω为滤波器中心角频率，k为阻尼比；
电网采用工频频率，可以保持滤波器中心角频率和输入电压信号角频率相等；输入信号v经过Hd(s)，得到角频率为ω的输出电压信号v'，提取基波电压；
(2)基波电压通过锁相环PLL可以准确计算两个电网电压的相位θs1、θs2；通过基波锁相主要作用是，用以消除电压暂降或畸变、电压不平衡等对锁相环计算的影响，得到精确锁相角度；
(3)通过比对电网实际电压和基波电压确定电压波动差值，根据相位确定阈值系数，根据电压差值是否超过设定阈值，触发电压突变事件；触发电压突变事件用于开关切换控制，以及并联逆变器启动停止的控制；
(4)出现单相跌落或电压不平衡时，电网电压UABC1、UABC2分别减去基波电压，得到负序电压UABC1n、UABC2n；通过负序电压分解，得出电网电压负序补偿幅值Uαn、Uβn，消除电压单相暂降或电压不平衡；
(5)电网电压正常时并联逆变器给直流储能单元进行充电直至到浮充状态；在电网电压异常跌落时，直流储能单元作为直流电源提供能量；
(6)检测到电压暂降或短时中断事件时，并联逆变器通过双闭环控制生成SPWM，对电压实时补偿；外环控制为电压环，内环控制为电流环，控制器为PI控制器；
利用锁相同步角度θs1或θs2，将VSC并联侧三相电压UABCInv和电流IABCInv变换到dq轴上，分别为Ud、Uq、Id和Iq；输出电压的给定值为
和实际电压Ud、Uq比较之后，通过PI控制器得到了d轴的电流给定，q轴的电流给定；d轴、q轴电流给定和实际电流Id、Iq比较，通过PI控制器再加上相关耦合项之后得到了变换器输出的d轴和q轴电压；d轴和q轴电压利用锁相同步角度θs1或θs2，补偿负序电压分量Uαn、Uβn，经过矢量SPWM调理之后，控制变换器的IGBT实现了闭环控制。
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Denomination of invention: A Low Cost Equipment and Method for Controlling Voltage Sags and Short Interruptions in Power Networks Effective date of registration: 20221024 Granted publication date: 20200403 Pledgee: Bank of Nanjing Jiangbei District branch of Limited by Share Ltd. Pledgor: NANJING HEXI ELECTRIC CO.,LTD. Registration number: Y2022320000642 |
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