CN109390960B - 一种配电网电压暂降实时在线式综合补偿装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种配电网电压暂降实时在线式综合补偿装置及其方法。本发明通过在配电变压器高压侧或低压侧安装设备，动态调节输出电压，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补偿深度不够，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，具体涉及一种配电网电压暂降实时在线式综合补偿装置及其方法。
背景技术
电压暂降是工业领域最常见的电能质量问题，指电压有效值突然下降，然后又迅速恢复的现象。电压暂降多为偶然突发事件，发生频率高，且事故原因不易查明，电压暂降深度多在30％以内，且持续时间小于1秒钟。随着工厂自动化程度的提高和新型敏感负载的大量使用，设备因供电电压扰动而停机，造成严重的停机和停产损失。
市面上传统的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和离线并联式逆变补偿方法。采用实时在线串联补偿方式补偿电压，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，投资成本高，推广难度大。因此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装置和方法。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种配电网电压暂降实时在线式综合补偿装置，该装置包括串联变换器单元SSC、并联变换器单元PSC、直流储能单元和注入式串联变压器，所述补偿装置串联在系统电源与敏感负荷之间。其中所述串联变换器SSC主要通过注入式串联变压器来实时产生电网电压波动包括电压暂降时的补偿电压，保证敏感负荷供电端的电压稳定；并联侧变换器单元主要维持串联变换器和并联变换器单元公共直流母排的稳定，并同时可以提供负荷端无功电流、谐波电流的补偿功能；直流储能单元提供电网电压深度暂降时的能量补偿。
在电网出现频繁轻度暂降时，串联变换器单元通过注入式串联变压器来实时补偿电压，从电网获取能量，不需要从直流储能单元获取能量；当三相电源系统发生电压深度跌落时，可以从直流储能单元获取能量快速逆变电压，精确快速补偿电压。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，降低了投资成本。
优选的，所述综合补偿装置还包括注入式串联变压器，所述注入式串联变压器的副边串联于配电变压器输出和负载之间，所述串联变换器接到注入式串联变压器原边，所述并联变换器与负载侧并联或与电网侧并联。
优选的，所述直流储能单元包括DC/DC变换单元和能量存储体，直流储能单元并联在串联变换器和并联变换器的公共直流母排上，能量存储体为超级电容组或带充电功能的电池组。当电网电压出现深度暂降(电压幅值低于35％)时，直流储能单元释放出能量，维持电压深度暂降期间负荷的有功功率需要；当电网电压恢复时直流存储单元将进行充电补充能量至浮充状态。
本发明还提供了一种配电网电压暂降实时在线式补偿方法，该方法通过在配电变压器高压侧或低压侧安装设备，动态调节输出电压，其特征在于，所述方法是通过串联变换器、并联变换器、注入式串联变压器和直流储能单元来实现的。电网电压正常以及暂降时所述串联变换器输出的逆变电压通过注入式串联变压器原边实时补偿电压来维持负荷端供电电压的稳定，并联变换器维持直流母排的稳定和负荷无功电流、谐波电流的补偿。直流储能单元在电网正常或轻度暂降时通过DC/DC变换单元来进行能量存储体的充电直至达到维持浮充状态；当电网电压出现深度暂降时，直流储能单元通过DC/DC变换单元快速导通，为串联变换器和并联变换器提供能量来维持负荷有功功率的稳定，串联变换器停止运行，并联变换器转换电压逆变器为负载供电。
优选的，所述的综合补偿装置，可以在注入式串联变压器与电网之间增加快速开关单元SCR，以治理包括短时中断在内的电压跌落情况，利用直流储能单元和并联侧变换器来实现负荷端在电网电压短时中断时的供电电压稳定。
优选的，所述的综合补偿装置，其特征及方法在于，当电网电压未出现短时中断时，快速开关单元SCR保持导通状态；当出现短时中断时，快速开关单元SCR迅速断开，同时并联变换器单元迅速逆变出和电网电压中断前的电压波形来保持负荷端供电电压的稳定，串联变换器此时停止工作。当电网电压恢复时串联变换器恢复工作状态，并联变换器逆变电压和电网电压相同后快速开关单元SCR恢复导通，同时并联变换器切换到电网电压正常时的工作状态。
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，通过串联变换器来解决电压暂降补偿或短时中断问题，包括如下步骤：
(1)并联变换器以双闭环控制稳定直流电压，外环控制为直流电压环，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；
(2)通过二阶广义积分滤波得到电压基波，通过实时电压波形比对基波波形，提取电压的补偿量；
(3)串联换器通过闭环控制算生成SPWM，对电压实时补偿；控制器可以是PI控制器也可以是其他类型的控制器。
优选的，通过直流储能单元和并联侧控制器进行深度电压补偿问题，包括如下步骤：
(1)检测到电压暂降事件，其深度超过串联变换器补偿能力，检测直流电电压低于阈值；
(2)通过DC/DC单元投入，直流侧投入储能装置，DC/DC单元维持直流母排稳定；
(3)串联侧控制器停止运行；当检测电压短时中断时，快速开关单元SCR断开；
(4)并联变换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，控制器可是PI控制器也可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)本发明解决了目前传统AVC方案存在不能治理电网电压深度暂降的问题，本发明的功能更为强大。
(2)本发明解决了传统AVC方案不能治理电压短时中断的问题，使其更符合满足频繁电压短时中断的场合。
(3)相对于现有的DVR技术方案，本发明大大减少了储能电源的备份时间，减少了投资成本。
附图说明
图1示出了本发明的一种配电网电压暂降实时在线式综合补偿装置的具体结构图；
图2示出了本发明的另一种配电网电压暂降实时在线式综合补偿装置的具体结构图；
图3示出了本发明的一种配电网电压暂降实时在线式综合补偿装置对轻度电压跌落进行补偿的控制框图；
图4示出了本发明的一种配电网电压暂降实时在线式综合补偿装置对深度电压跌落进行补偿的控制框图。
具体实施方式
图1示出了一种配电网电压暂降实时在线式综合补偿装置的具体结构图，该装置包括四象限变流器、注入式串联变压器以及直流储能单元。
四象限变流器的串联变换器接到注入式串联变压器原边，四象限变流器的并联变换器与负载侧并联，注入式变压器串联于配电变压器输出和负载之间，直流储能单元通过快速开关并联于四象限变流器直流侧。
直流储能单元包括DC/DC变换单元和能量存储体，直流储能单元并联在串联变换器和并联变换器的公共直流母排上，能量存储体为超级电容组或带充电功能的电池组。
电压暂降轻度补偿时，并联变换器用于稳定直流电压，所述串联变换器通过注入式变压器逆变电压，用于实时补偿电压。
电压暂降深度补偿时，直流储能单元快速导通，为串联变换器提供能量，串联变换器停止运行，负载侧的并联变换器转换电压逆变器为负载供电。
图2示出了本发明的另一种配电网电压暂降实时在线式综合补偿装置的具体结构图。为了满足应对配电网电压短时中断的情况，在图1所述结构的基础上，在隔离变压器与负载之间增加三相快速开关单元SCR，电网电压未出现短时中断时，快速开关单元保持导通状态；当出现短时中断时，快速开关单元迅速断开，同时并联变换器单元迅速逆变出和电网电压中断前的电压波形来保持负荷端供电电压的稳定，串联变换器此时停止工作。当电网电压恢复时，串联变换器恢复工作状态，并联变换器逆变电压和电网电压相同后快速开关单元SCR恢复导通，同时并联变换器切换到电网电压正常时的工作状态。
图3示出了以四象限变流器补偿装置作为本发明的一种电压暂降补偿装置实施方式的具体控制框图。通过如下步骤实现：
(1)通过广义二阶积分法提取基波电压。
广义二阶积分法具体公式如下：
式中：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。
当输入电压信号角频率与滤波器中心角频率一致时，输入信号v经过Hd(s)，得到角频率为ω的输出电压信号v'，从而实现基波电压提取。
(2)通过锁相环PLL和基波电压us得到电网电压的相位θs。通过对基波锁相可以消除电压暂降或畸变相关干扰，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θs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。
(4)并联侧变换器详细控制方式如下：
利用锁相同步角度θs将并联侧三相电流Iabc变换到dq轴上，分别为Id和Iq；直流电压的给定值为
和实际电压Udc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轴的电流给定为0；d轴、q轴电流给定和实际正序电流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。并联侧变换器输出电压的给定值经过矢量SPWM调理之后，控制变换器的IGBT实现了闭环控制。
(5)串联侧变换器详细控制方式如下：
利用电网实际电压和基波电压差值作为串联侧相电压补偿量
给定值，和实际串联变换器输出电压Ua、Ub、Uc比较，通过PI控制器得到了变换器输出A相B相C相电压，输出电压的给定值经过SPWM调理之后直接控制变换器的IGBT生成电压波形，经过注入式串联变压器形成叠加电压，实现闭环调压。
图4示出了以四象限变流器补偿装置作为本发明的一种电压暂降深度补偿装置实施方式的具体控制框图。通过如下步骤实现：
(1)广义二阶积分法求取锁相角度和电压暂降触发事件，方法与图3电压轻度补偿描述一致，不再赘述。
(2)直流侧储能单元通过晶闸管(以晶闸管作为快速开关为例)快速投入，串联变换器IGBT全部关断状态。
(3)利用锁相同步角度θs将并联变换器输出侧三相电压Uabc、三相电流Iabc变换到dq轴上，分别为Ud Uq和Id Iq；逆变电压的给定值为
和实际电压Ud Uq比较之后到了d轴q轴的电流给定，一般
设置为0；d轴、q轴电流给定和实际电流分析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；并联变换器输出电压的给定值经过矢量SPWM调理之后，控制变换器的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。
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，尤其是将装置串联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 (6)
1.一种配电网电压暂降实时在线式综合补偿装置，其特征在于，该装置包括串联变换器单元(SSC)、并联变换器单元(PSC)、直流侧储能单元和注入式串联变压器，所述补偿装置串联在系统电源与敏感负荷之间；
其中，所述串联变换器单元(SSC)通过注入式串联变压器来实时产生电网电压波动包括电压暂降时的补偿电压，保证敏感负荷供电端的电压稳定；并联变换器单元(PSC)主要维持串联变换器单元(SSC)和并联变换器单元(PSC)公共直流母排电压的稳定，并同时提供负荷端无功电流、谐波电流的补偿功能；
直流侧储能单元提供电网电压深度暂降时的能量补偿；
在电网出现频繁轻度暂降时，串联变换器单元(SSC)通过注入式串联变压器来实时补偿电压，从电网获取能量，不需要从直流侧储能单元获取能量；
当三相电源系统发生电压深度跌落时，从直流侧储能单元获取能量快速逆变电压，精确快速补偿电压；
所述注入式串联变压器的副边串联于配电变压器输出和负载之间，所述串联变换器单元接到注入式串联变压器原边，所述并联变换器单元(PSC)与负载侧并联或与电网侧并联；
其中，所述综合补偿装置采用如下方式实现电压暂降补偿：
(1)通过广义二阶积分法提取基波电压
广义二阶积分法具体公式如下：
式中：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；
当输入电压信号角频率与滤波器中心角频率一致时，输入信号v经过Hd(s)，得到角频率为ω的输出信号v'，从而实现基波电压提取；
(2)通过锁相环PLL和基波电压us得到电网电压的相位θs，通过对基波锁相可以消除电压暂降或畸变相关干扰，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θs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；
(4)并联变换器单元控制方式如下：
利用相位θs将并联侧三相电流Iabc变换到dq轴上，分别为Id和Iq；直流电压的给定值为
和实际电压Udc比较之后，通过PI控制器得到d轴的电流给定，q轴的电流给定为0；d轴、q轴电流给定和实际正序电流Id、Iq比较，通过PI控制器再加上相关耦合项之后得到了并联变换器单元输出的d轴和q轴电压；并联侧变换器输出电压的给定值经过矢量SPWM调理之后，控制并联变换器单元的IGBT实现了闭环控制；
(5)串联变换器单元控制方式如下：
利用电网实际电压和基波电压差值作为串联侧相电压补偿量
给定值，和实际串联变换器单元输出电压Ua、Ub、Uc比较，通过PI控制器得到了串联变换器单元输出A相B相C相电压，输出电压的给定值经过SPWM调理之后直接控制串联变换器单元的IGBT生成电压波形，经过注入式串联变压器形成叠加电压，实现闭环调压；
其中，如需进行深度补偿，所述补偿装置的四象限变流器执行如下步骤：
1)广义二阶积分法求取锁相角度和电压暂降触发事件，具体方法同上述步骤(1)-(3)；
2)直流侧储能单元通过晶闸管快速投入，串联变换器单元的IGBT全部关断状态；
3)利用相位θs将并联变换器单元输出侧三相电压Uabc、三相电流Iabc变换到dq轴上，分别为Ud Uq和Id Iq；逆变电压的给定值为
和实际电压Ud Uq比较之后到了d轴q轴的电流给定，一般
设置为0；d轴、q轴电流给定和实际正序电流Id、Iq比较，通过PI控制器再加上相关耦合项之后得到了并联变换器单元输出的d轴和q轴电压；并联变换器单元输出电压的给定值经过矢量SPWM调理之后，控制并联变换器单元的IGBT生成电压波形实现闭环控制。
2.如权利要求1所述的综合补偿装置，其特征在于，所述直流侧储能单元包括DC/DC变换单元和能量存储体，直流侧储能单元并联在串联变换器单元和并联变换器单元的公共直流母排上，能量存储体为超级电容组或带充电功能的电池组；
当电网电压出现深度暂降时，直流侧储能单元释放出能量，维持电压深度暂降期间负荷的有功功率需要；当电网电压恢复时直流存储单元将进行充电补充能量至浮充状态。
3.一种配电网电压暂降实时在线式补偿方法，该方法通过在配电变压器高压侧或低压侧安装设备，动态调节输出电压，其特征在于，所述方法是通过串联变换器单元、并联变换器单元、注入式串联变压器和直流侧储能单元来实现的；
电网电压正常以及暂降时所述串联变换器单元输出的逆变电压通过注入式串联变压器原边实时补偿电压来维持负荷端供电电压的稳定，并联变换器单元维持直流母排的稳定和负荷无功电流、谐波电流的补偿；
直流侧储能单元在电网正常或轻度暂降时通过DC/DC变换单元来进行能量存储体的充电直至达到维持浮充状态；当电网电压出现深度暂降时，直流侧储能单元通过DC/DC变换单元快速导通，为串联变换器单元和并联变换器单元提供能量来维持负荷有功功率的稳定，串联变换器单元停止运行，并联变换器单元转换电压逆变器为负载供电；
在注入式串联变压器与电网之间增加快速开关单元SCR，以治理包括电压短时中断在内的情况，利用直流侧储能单元和并联侧变换器来实现负荷端在电网电压短时中断时的供电电压稳定；
其中，所述在线式补偿方法具体包括如下步骤：
(1)通过广义二阶积分法提取基波电压
广义二阶积分法具体公式如下：
式中：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；
当输入电压信号角频率与滤波器中心角频率一致时，输入信号v经过Hd(s)，得到角频率为ω的输出信号v'，从而实现基波电压提取；
(2)通过锁相环PLL和基波电压us得到电网电压的相位θs，通过对基波锁相可以消除电压暂降或畸变相关干扰，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θs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；
(4)并联变换器单元控制方式如下：
利用相位θs将并联侧三相电流Iabc变换到dq轴上，分别为Id和Iq；直流电压的给定值为
和实际电压Udc比较之后，通过PI控制器得到d轴的电流给定，q轴的电流给定为0；d轴、q轴电流给定和实际正序电流Id、Iq比较，通过PI控制器再加上相关耦合项之后得到了并联变换器单元输出的d轴和q轴电压；并联侧变换器输出电压的给定值经过矢量SPWM调理之后，控制并联变换器单元的IGBT实现了闭环控制；
(5)串联变换器单元控制方式如下：
利用电网实际电压和基波电压差值作为串联侧相电压补偿量
给定值，和实际串联变换器单元输出电压Ua、Ub、Uc比较，通过PI控制器得到了串联变换器单元输出A相B相C相电压，输出电压的给定值经过SPWM调理之后直接控制串联变换器单元的IGBT生成电压波形，经过注入式串联变压器形成叠加电压，实现闭环调压；
其中，如需进行深度补偿，所述补偿装置的四象限变流器执行如下步骤：
1)广义二阶积分法求取锁相角度和电压暂降触发事件，具体方法同上述步骤(1)-(3)；
2)直流侧储能单元通过晶闸管快速投入，串联变换器单元IGBT全部关断状态；
3)利用相位θs将并联变换器单元输出侧三相电压Uabc、三相电流Iabc变换到dq轴上，分别为Ud Uq和Id Iq；逆变电压的给定值为
和实际电压Ud Uq比较之后到了d轴q轴的电流给定，一般
设置为0；d轴、q轴电流给定和实际正序电流Id、Iq比较，通过PI控制器再加上相关耦合项之后得到了并联变换器单元输出的d轴和q轴电压；并联变换器单元输出电压的给定值经过矢量SPWM调理之后，控制并联变换器单元的IGBT生成电压波形实现闭环控制。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，当电网电压未出现短时中断时，快速开关单元SCR保持导通状态；
当出现短时中断时，快速开关单元SCR迅速断开，同时并联变换器单元迅速逆变出和电网电压中断前的电压波形相同的波形来保持负荷端供电电压的稳定，串联变换器单元此时停止工作；
当电网电压恢复时串联变换器单元恢复工作状态，并联变换器单元逆变电压和电网电压相同后快速开关单元SCR恢复导通，同时并联变换器单元切换到电网电压正常时的工作状态。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，通过串联变换器单元来解决电压暂降补偿或短时中断问题，包括如下步骤：
(1)并联变换器单元以双闭环控制稳定直流电压，外环控制为直流电压环，内环控制为电流环，控制器是PI控制器或是其他类型的控制器；
(2)通过广义二阶积分滤波得到电压基波，通过实时电压波形比对基波波形，提取电压的补偿量；
(3)串联变换器单元通过闭环控制算生成SPWM，对电压实时补偿；控制器是PI控制器或是其他类型的控制器。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，通过直流侧储能单元和并联侧控制器进行深度电压补偿，包括如下步骤：
(1)检测到电压暂降事件，其深度超过串联变换器单元补偿能力，检测直流电电压低于阈值；
(2)通过DC/DC变换单元投入，直流侧投入直流侧储能单元，DC/DC变换单元维持直流母排稳定；
(3)串联侧控制器停止运行；当检测电压短时中断时，快速开关单元SCR断开；
(4)并联变换器单元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，控制器是PI控制器或是其他类型的控制器。
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