CN109361220B - 一种即插即用串联型电能质量补偿器及补偿控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种即插即用串联型电能质量补偿器及其补偿控制方法，属于电力补偿器领域。该补偿器利用电压检测模块检测负载侧的实时电压以及通过逆变器施加电压在特制互感器二次侧后产生的反馈电压；特制互感器包括一次侧绕组和二次侧绕组，一次侧绕组作为母排接入电网，二次侧绕组沿着轴向方向紧密堆叠，并与逆变控制模块的输出端连接；逆变控制模块的输入端连接直流侧电压，逆变控制模块的控制端连接至所述电压检测模块的输出端，所述逆变控制模块用于根据参考电压信号输出用于所述互感器二次侧的反馈控制电压。本发明接入简单且对电网本身结构无影响，控制方法灵活多变，可适用于不同场景需求。

Description

一种即插即用串联型电能质量补偿器及补偿控制方法

技术领域

本发明属于电力补偿器领域，更具体地，涉及一种即插即用串联型电能质量补偿器的接入方式。

背景技术

伴随着科学技术的进步，电力事业得到了迅猛发展，用户在满足了对电能数量的要求后，对电能质量的要求也越来越高。与此同时，一方面，各种非线性负荷的使用，特别是电力电子设备的使用，带来了许多电能质量问题，极大的恶化了电网运行环境；另一方面，各种电能质量敏感设备的大量普及使得电能质量问题对生产生活的影响更加重大。在这样的背景下，研究如何消除电能质量问题对用户的影响成为了摆在电力工作者面前的一项非常迫切的任务。

串联型电能质量补偿器(Series Power Quality Compensator(SPQC))，是一种用于动态抑制电网电压所含电压跌落﹑谐波、瞬变等质量问题的新型电力电子装置，它能对大小和频率都变化的电压畸变进行实时补偿。其工作原理简述如下：首先分别检测电网各相的电压，然后将其和理想电压相比较得到电网电压中的畸变电压；根据得到的畸变电压算出所需要的补偿电压，通过逆变器产生补偿电压，从而使负载端保持为正弦的、平衡的、无谐波和闪变的理想电压。逆变器所需要的直流电压由并联在负载侧的PWM整流器提供，同时SPQC在补偿电网电压基波幅值上升和下降时，串联侧所吸收或者放出的能量由PWM整流器回馈电网或从电网吸收。

现有的串联型电能质量补偿器的研究从控制角度与装置实现的角度讲存在以下关键技术的问题：

(1)传统的有源串联补偿器结构复杂，在串联接入电网中时，需要对电网本来的结构进行改造，安装方式繁琐，不能即插即用。

(2)传统的有源串联补偿器采用较为复杂的控制算法，但是控制方式较为单一，不利于根据实际场景进行调整。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种即插即用串联型电能质量补偿器及其补偿控制方法，其目的在于，通过模块化方式搭建电能质量补偿器，以空心柱状的特制互感器铁芯构造实现即插即用，并结合负载和特制互感器的不同检测信号输出不同的控制信号，从而在简化有源串联补偿器结构及控制算法的同时，实现即插即用并提供易于调整的多样化控制手段。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种即插即用串联型电能质量补偿器，包括：电压检测模块、逆变控制模块和特制互感器；

电压检测模块包括负载电压检测器、反馈电压检测器和加法器；负载电压检测器的输入端连接至负载侧以检测负载侧的实时电压；反馈电压检测器的输入端连接至特制互感器二次侧，以检测逆变控制模块施加控制电压在特制互感器二次侧后产生的反馈电压；加法器的两个输入端分别连接负载电压检测器的输出端和反馈电压检测器的输出端，以将两个电压相加并输出参考电压信号；

逆变控制模块的输入端连接直流侧电压，逆变控制模块的控制端连接至加法器的输出端，逆变控制模块的输出端连接特制互感器的二次侧；逆变控制模块用于根据参考电压信号输出作用于互感器二次侧的控制电压；

其中，特制互感器包括一次侧绕组、二次侧绕组和铁芯，一次侧绕组作为母排接入电网，二次侧绕组沿着铁芯轴向方向绕制，并与逆变控制模块的输出端连接；铁芯为空心柱状构造，母排沿铁芯轴向穿过铁芯，铁芯的尺寸按照如下方式确定：

特制互感器的一次侧等效励磁电感L为：

L＝W₁ ²μA/l

式中，W₁为特制互感器一次侧匝数，μ为铁芯的磁导率，A为铁芯截面积，l为平均磁路长度；

铁芯的壁厚及铁芯内壁与母排的距离根据母排的电缆直径和电网的设备设计标准取为定值，以此为基准，通过增大铁芯的长度，在减小磁路长度l的同时增大铁芯截面积A从而增大电感L，以使特制互感器二次侧的反馈控制电压能够驱动特制互感器一次侧产生相应的电压变化值，对电能质量进行补偿。

进一步地，特制互感器的铁芯由空心长方片密集堆叠而成。

进一步地，每个空心长方片均由两个半开口的弯折片可开合地拼接而成，同一侧的弯折片密集堆叠成为一个整体。

进一步地，为x预设一阈值，若满足使特制互感器一次侧产生相应的电压变化值的要求时对应的x超过该阈值，则将多个电压补偿器通过各自的x不超过阈值的特制电感器串联接入电网，直至能够使特制互感器一次侧产生相应的电压变化值。

进一步地，逆变控制模块包括逆变器、PWM控制驱动器和滤波器；

PWM控制驱动器的输入端连接至加法器的输出端，逆变器的输入端连接直流侧电压，逆变器的控制端连接至PWM控制驱动器的输出端，滤波器的输入端连接至逆变器的输出端，滤波器的输出端连接特制互感器二次侧；

PWM控制驱动器用于根据参考电压信号生成用于控制逆变器中各开关管导通状态的PWM波信号；逆变器在PWM波信号的控制下，将直流侧电压逆变为控制电压，经滤波器滤波后，注入特制互感器的二次侧。

为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种即插即用串联型电能质量补偿器的补偿控制方法，根据特制互感器的T型等效电路可得：

式中，

为一次绕组的电压，

为一次绕组的电流，Z₁为一次绕组的漏抗，Z_m为特制互感器的励磁阻抗，

为二次绕组的电流折算值，Z₂′为二次绕组的漏抗，

为二次绕组的电压；

如果检测一次绕组的电流

通过逆变器生成电流

并且满足条件

k为一次侧与二次侧的绕组匝数比，则：

根据上式改变参数α的值即改变铁芯的磁通，从而改变特制互感器一次侧绕组AX的等效阻抗Z_AX，进而改变电网有功功率和无功功率的分布，实现电能质量调节。

进一步地，将特制互感器的T型等效电路看作二端口网络，该二端口网络内部参数是无源且已知的，逆变器看做是一个受控电流或电压源，通过检测不同信号和设定逆变器的不同输出信号可以得到不同的补偿控制方式，分别为：

1)检测一次绕组的电流

使用逆变器生成电流

使

记为电流-电流型控制方式，此时阻抗值为Z_AX＝Z₁+(1-α)Z_m；

2)检测一次绕组电流

使用逆变器生成电压

使

记为电流-电压型控制方式，此时阻抗值为

3)检测一次绕组电压

使用逆变器生成电流

使

记为电压-电流型控制方式，此时阻抗值为

4)检测一次绕组电压

使用逆变器生成电压

使

记为电压-电压型控制方式，此时阻抗值为

总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)即插即用，采用空心柱状构造的铁芯，直接以电网母排作为一次侧绕组，铁芯可以直接在例行维护时预置入现有电网中，直接将铁芯套在电网母排外或将电网母排穿过铁芯即可正常工作，实现即插即用的同时，无需对原有电网进行改造，接入电网方便、逆变量较小、结构和控制简单且补偿效果好。

(2)采用特定的轴向绕组结合增加电流互感器铁芯长度的方式来获得一个特制的互感器结构，从而增大互感器一次侧的等效电感及等效阻抗，实现利用二次侧的电压驱动一次侧电压变化的目的，从而能够通过二次侧的电压控制来影响一次侧，以对电网的电能质量进行补偿。

(3)采用密集堆叠的铁芯构造，有效解决气隙不均的问题，防止互感器局部过热。而开口式设计则无需预置，通过开口式设计的开合操作可以随时套在母排上或者取下，从而随时接入电网或拆除。

(4)改进控制，提供了四种控制方法，通过改变一次侧检测信号以及逆变器的输出控制信号即可实现不同的控制方式，从而便于用户根据实际场景自由确定更为合适的控制方法。

(5)本发明通过在铁芯带气隙的特制互感器的二次侧采用有源的方式注入一个与一次侧频率相同、相位相反的电流或电压，改变特制互感器的二次侧注入电流或电压的大小便可实现特制互感器主磁通的连续可调，从而实现互感器一次侧阻抗的连续可调。与现有的可调电抗的互感器相比，当互感器铁芯中带有气隙时，本发明的特制互感器磁通可控、电抗可调，没有饱和现象，不产生谐波并可以实现电抗值的无级可调。

附图说明

图1为串联型电能质量补偿器通过特制互感器接入电网的单相原理电路结构示意图；

图2为本发明提出的适用于母排的细长空心长方体状铁芯密集堆叠二次的特制互感器接入方式的示意图；

图3为特制互感器T型等效电路图；

图4为特制互感器四种控制方式的表达模型。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-电网线，2-圆柱铁芯，3-二次绕组，4-母排，5-长方体铁芯。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参照图1，本发明提供的单相串联型电能质量补偿器包括：电压检测模块，逆变控制模块和特制互感器；电压检测模块用于检测负载侧的实时电压以及通过逆变器施加电压在特制互感器二次侧后产生的反馈电压；特制互感器包括一次侧绕组和二次侧绕组，其中，一次侧绕组作为母排接入电网，二次侧绕组沿着轴向方向紧密堆叠，并与逆变控制模块的输出端连接；逆变控制模块的输入端连接直流侧电压，逆变控制模块的控制端连接至电压检测模块的输出端，逆变控制模块用于根据参考电流信号输出用于控制所述互感器二次侧的反馈控制电压。

电压检测模块包括：负载电压检测器、反馈电压检测器和加法器；负载电压检测器的输入端连接至负载侧，反馈电压检测器的输入端连接至所述互感器二次侧，加法器的第一输入端连接至负载电压检测器的输出端，加法器的第二输入端连接至反馈电压检测器的输出端，加法器用于将负载电压折算值与反馈电压相加后输出所述参考电压信号。

逆变控制模块包括：逆变器、PWM控制驱动单元和LC滤波单元；PWM控制驱动单元的输入端连接至所述加法器的输出端，逆变器的输入连接直流侧电压，逆变器的控制端连接至所述PWM控制驱动单元的输出端，滤波单元的输入端连接至逆变器的输出端，滤波单元的输出端连接所述互感器二次侧；PWM控制驱动单元用于根据所述参考电压信号产生用于控制逆变器中开关管导通的PWM波信号；逆变器在所述PWM波信号的控制下，将直流侧电压逆变为所述控制电压。

特制互感器的一次侧即为电网的电力线路，连接在电网和负载之间，二次侧连接到逆变控制模块的输出端。

负载电压检测模块包括：电压互感器和负载电压检测环节。在负载侧连接电压互感器，电压互感器的输出与负载电压检测环节的输入端连接，负载电压检测器将负载电压折算值与反馈电压相加后输出参考电压信号，送入逆变控制模块的增益电路。

逆变控制模块将参考电压信号乘以一增益系数后作为其指令信号，然后电力电子逆变器产生一个磁通补偿电压施加到特制互感器的二次侧，其输出的电流经过一个LC滤波电路后通过一个特制互感器单元接入系统。LC滤波电路用于抑制逆变器产生的高频纹波。

特制互感器单元用于将逆变器控制模块输出的控制电压通过互感器产生基波补偿电压接入到系统中。

本发明的工作原理如下：通过负载电压检测器检测出负载侧的电压变换值Δu。将Δu除以特制互感器变比k＝W₁/W₂后经过加法器的运算，得到参考电压信号，用于控制逆变控制模块，逆变控制模块用于根据参考电压信号输出用于控制所述互感器二次侧产生补偿电压所对应的控制电压，在特制互感器的一次侧变会产生响应的动态补偿电压，从而使负载端保持为正弦的、平衡的、无谐波和闪变的理想电压，同时串联侧所吸收或者放出的能量由PWM整流器回馈电网。

为了更进一步的说明本发明提供的即插即用串联型电能质量补偿器及其接入方式，下面结合附图及具体实例详细具体地对串联型电能质量补偿器原理和特制互感器进一步说明：

如图1、2所示，设在特制互感器铁芯上一次侧绕组AX的匝数为W₁，二次侧绕组的匝数为W₂，则一次侧与二次侧的匝比k＝W₁/W₂。由于一次侧绕组为母排，W₁＝1，一般二次侧绕组都为多匝。

若将此特制互感器的一次侧AX串联接在电网和一个负载之间，则在其一次侧产生的动态电压Δu₁即为所需的补偿电压。通过负载电压检测器检测负载侧电压的变化Δu，然后经过折算之后输出比值

至加法器，并采用一个电压型逆变器跟踪此电压从而产生一个电压差值Δu₂，将Δu₂反相位注入特制互感器的二次侧，从而会在特制互感器的一次侧产生电压的变化，变化值Δu₁＝ku₂＝Δu，在特制互感器的一次侧变会产生补偿电压，从而使负载端保持为正弦的、平衡的、无谐波和闪变的理想电压，同时串联侧所吸收或者放出的能量由PWM整流器回馈电网。

由于基于基波磁通补偿的有源串联补偿器串联在线路中，接入线路不方便，所以提出使用特制的互感器代替串联变压器。图2为适用于母排的细长空心长方体状铁芯密集堆叠二次的特制互感器接入方式的示意图，互感器二次侧绕组在沿铁芯轴向进行堆叠。由于特制互感器的一次侧仅有系统线路一匝，电感L＝W₁ ²μA/l，(其中W₁为特制互感器一次侧匝数，μ为铁芯的磁导率，A为铁芯截面积，l为平均磁路长度)如果用普通铁芯，电网侧等效电感太小，所以将图示特制互感器的铁芯为细长空心长方体状密集堆叠，从而有效解决气隙不均的问题，防止互感器局部过热。并可以减小平均磁路长度，增大铁芯截面积，从而增大电感L。

如图3为特制互感器的T型等效电路图。根据T型等效电路可得到

如果检测一次绕组的电流

并将其作为参考信号，通过控制使逆变器生成电流

并且满足条件

则

改变参数α的值即可改变特制互感器一次绕组AX对外呈现的阻抗值Z_AX，也就实现了电抗器阻抗可调，特制互感器的二次绕组相当于控制绕组，改变α实质上改变的是铁芯的磁通，此即为该磁通控制型可调电抗器的基本原理。

如图4所示，由于特制互感器一、二次侧还有电压量，可以对这些信号量进行组合，从而得到不同形式的可调电抗器的阻抗表达式。具体地，可以将特制互感器的T型等效电路看作基本的二端口网络来进行分析。该二端口网络内部参数(即变压器的参数)是无源且已知的，逆变器看做是一个受控电流或电压源，根据不同的控制方式，可以分别得到以下的可调电抗器值的阻抗表达式，他们分别是：

1)检测一次绕组的电流

使用逆变器生成电流

使

记为电流-电流型控制方式，此时阻抗值为Z_AX＝Z₁+(1-α)Z_m；

2)检测一次绕组电流

使用逆变器生成电压

使

记为电流-电压型控制方式，此时阻抗值为

3)检测一次绕组电压

使用逆变器生成电流

使

记为电压-电流型控制方式，此时阻抗值为

4)检测一次绕组电压

使用逆变器生成电压

使

记为电压-电压型控制方式，此时阻抗值为

基于上述四种阻抗表达式，可以在实际应用中充分结合应用场景，根据不同的控制方式实现的难易程度、控制系统的稳定性和阻抗调节的范围，有针对性的选择控制方案。

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 (6)

1.一种即插即用串联型电能质量补偿器，其特征在于，包括：电压检测模块、逆变控制模块和特制互感器；

电压检测模块包括负载电压检测器、反馈电压检测器和加法器；负载电压检测器的输入端连接至负载侧以检测负载侧的实时电压；反馈电压检测器的输入端连接至特制互感器二次侧，以检测逆变控制模块施加控制电压在特制互感器二次侧后产生的反馈电压；加法器的两个输入端分别连接负载电压检测器的输出端和反馈电压检测器的输出端，以将两个电压相加并输出参考电压信号；

逆变控制模块的输入端连接直流侧电压，逆变控制模块的控制端连接至加法器的输出端，逆变控制模块的输出端连接特制互感器的二次侧；逆变控制模块用于根据参考电压信号输出作用于互感器二次侧的控制电压；

其中，特制互感器包括一次侧绕组、二次侧绕组和铁芯，一次侧绕组作为母排接入电网，二次侧绕组沿着铁芯轴向方向绕制，并与逆变控制模块的输出端连接；铁芯为空心柱状构造，母排沿铁芯轴向穿过铁芯，铁芯的尺寸按照如下方式确定：

特制互感器的一次侧等效励磁电感L为：

式中，W ₁为特制互感器一次侧匝数，μ为铁芯的磁导率，A为铁芯截面积，l为平均磁路长度；

铁芯的壁厚及铁芯内壁与母排的距离根据母排的电缆直径和电网的设备设计标准取为定值，以此为基准，通过增大铁芯的长度，在减小磁路长度l的同时增大铁芯截面积A从而增大电感L，以使特制互感器二次侧的反馈控制电压能够驱动特制互感器一次侧产生相应的电压变化值，对电能质量进行补偿。

2.如权利要求1所述的一种即插即用串联型电能质量补偿器，其特征在于，特制互感器的铁芯由空心长方片密集堆叠而成。

3.如权利要求2所述的一种即插即用串联型电能质量补偿器，其特征在于，每个空心长方片均由两个半开口的弯折片可开合地拼接而成，同一侧的弯折片密集堆叠成为一个整体。

4.如权利要求1~3任意一项所述的一种即插即用串联型电能质量补偿器，其特征在于，逆变控制模块包括逆变器、PWM控制驱动器和滤波器；

PWM控制驱动器的输入端连接至加法器的输出端，逆变器的输入端连接直流侧电压，逆变器的控制端连接至PWM控制驱动器的输出端，滤波器的输入端连接至逆变器的输出端，滤波器的输出端连接特制互感器二次侧；

PWM控制驱动器用于根据参考电压信号生成用于控制逆变器中各开关管导通状态的PWM波信号；逆变器在PWM波信号的控制下，将直流侧电压逆变为控制电压，经滤波器滤波后，注入特制互感器的二次侧。

5.如权利要求1~4任意一项所述的即插即用串联型电能质量补偿器的补偿控制方法，其特征在于，根据特制互感器的T型等效电路可得：

式中，

为一次绕组的电压，

为一次绕组的电流，Z₁为一次绕组的漏抗，Z_m为特制互感器的励磁阻抗，

为二次绕组的电流折算值，

为二次绕组的漏抗，

为二次绕组的电压；

如果检测一次绕组的电流

，通过逆变器生成电流

，并且满足条件

，k为一次侧与二次侧的绕组匝数比，则：

根据上式改变参数α的值即改变铁芯的磁通，从而改变特制互感器一次侧绕组AX的等效阻抗Z _AX，进而改变电网有功功率和无功功率的分布，实现电能质量调节。

6.如权利要求5所述的补偿控制方法，其特征在于，将特制互感器的T型等效电路看作二端口网络，该二端口网络内部参数是无源且已知的，逆变器看做是一个受控电流或电压源，通过检测不同信号和设定逆变器的不同输出信号可以得到不同的补偿控制方式，分别为：

1）检测一次绕组的电流

，使用逆变器生成电流

，使

，记为电流-电流型控制方式，此时阻抗值为

；

2）检测一次绕组电流

，使用逆变器生成电压

，使

，记为电流-电压型控制方式，此时阻抗值为

；

3）检测一次绕组电压

，使用逆变器生成电流

，使

，记为电压-电流型控制方式，此时阻抗值为

；

4）检测一次绕组电压

，使用逆变器生成电压

，使

，记为电压-电压型控制方式，此时阻抗值为

。

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