CN109873423A - 一种串联混合型电能质量控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串联混合型电能质量控制器，包括：变压器、电压源型逆变器、调制信号生成模块和简化无源滤波器；变压器的一次侧绕组串联在电源和非线性负载之间；二次侧绕组与所述电压源型逆变器的输出端并联；所述调制信号生成模块生成基波和特定次谐波调制控制信号，送入所述电压源型逆变器；所述电压源型逆变器用于生成与所述调制信号同频率的交流信号，并送入所述变压器的二次侧绕组；所述变压器一次侧绕组对基波呈现低阻抗，对特定次谐波呈现更高阻抗，对特定次以外谐波呈现高阻抗；所述简化无源滤波器对基波电流呈现高阻抗，对特定次谐波呈现低阻抗。本发明的串联混合型电能控制器成本较低，更加实用且系统稳定性和可靠性高。

Description

一种串联混合型电能质量控制器

技术领域

本发明属于电能质量治理领域，更具体地，涉及一种串联混合型电能质量控制器。

背景技术

为了实现新能源消纳、电能高效利用和灵活控制，电力电子技术在电力系统发、输、配、用、储等各个领域都获得了广泛应用，电力系统已经发展成为电力电子化电力系统。电力电子装置属于非线性装置，谐波问题在所难免，谐波对电力系统来说就是一种污染和公害。同时，近年来配电网中整流器、变频调速装置、电弧炉等非线性负荷的使用不断增加。因此，针对电网中的谐波治理的电力设备研究越来越受到重视。

传统的谐波抑制方案是无源电力滤波器，另外常规并联型有源电力滤波器也已投入应用，还有串联混合型有源滤波器，混合有源电力滤波器，电能质量控制器等。广泛使用的无源电力滤波器除了具有体积、重量大的特点之外，同时还易受电网参数影响，且只能补偿特定次数的谐波。而有源电力滤波器能够动态响应，补偿多数谐波，且不受电源侧参数变化的影响。

在有源电力滤波器中，串联混合型有源电力器通过实现对一次绕组中的基波电流呈低阻抗，即近似短路，对一次绕组中的谐波电流呈高阻抗，即近似开路，以实现谐波的隔离，发挥“谐波隔离器”的作用，具有一定的研究价值。在所有电力滤波器中，串联混合型有源电力滤波器由于能极大提高谐波阻抗进而起“谐波隔离器”作用，而引发广泛关注。

通常情况下，串联混合型电能质量控制器可以采用基于基波磁通反向补偿的控制方式，或者是基波磁通反向补偿和谐波正向全补偿的控制方式，串联混合型电能质量控制器在这两种控制方式下分别存在以下缺陷：

(1)采用基波磁通反向补偿的控制方式时串联混合型电能质量控制器仅对基波磁通进行补偿，只能降低基波等效阻抗，当所用变压器确定后，谐波等效阻抗即为变压器励磁阻抗，此时滤波性能相应确定；考虑变压器基波磁通完全没有得到补偿的极端情况，该串联变压器的设计容量为I₁为变压器一次侧电流，为提高滤波性能，应增大变压器额定容量，进而需要增大变压器励磁阻抗Z_m，会造成设备成本增加，且增加系统保护的难度。因此，串联混合型电能质量控制器采用基波磁通反向补偿的控制方式时，变压器容量与系统滤波性能之间存在冲突。

(2)采用基波磁通反向补偿和谐波正向全补偿的控制方式时，尽管采用了谐波全补偿的控制方式，在实现同等滤波效果情况下，能够减小变压器的容量；但是谐波全补偿的控制方式中，由于逆变器必须采用全频段跟踪控制，这使控制系统设计更加困难，导致逆变器系统稳定性减弱。

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串联混合型电能质量控制器，旨在解决现有串联混合型电能质量控制器采用基波磁通反向补偿和谐波正向全补偿的控制方式时，由于逆变器必须采用全频段跟踪控制，导致逆变器系统稳定性较低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种串联混合型电能质量控制器，其特征在于，包括：变压器、电压源型逆变器、调制信号生成模块和简化无源滤波器；

所述变压器的一次侧绕组串联在电源和非线性负载之间，与电源和非线性负载构成回路；二次侧绕组与所述电压源型逆变器的输出端并联；所述电压源型逆变器的输入端与所述调制信号生成模块的输出端连接；

所述调制信号生成模块用于检测所述变压器一侧次的电流信号，生成调制信号I_ref，并送入所述电压源型逆变器；

所述电压源型逆变器用于生成与所述调制信号I_ref同频率的交流信号，并送入所述变压器的二次侧绕组；

所述变压器在所述交流信号的作用下，一次侧绕组对基波呈现低阻抗，对特定次谐波呈更高阻抗，对特定次以外谐波呈现高阻抗；

所述简化设计的无源滤波器对基波电流呈现高阻抗，对谐波呈现低阻抗。

进一步地，所述调制信号生成模块包括：基波电流检测单元、基波电流放大单元、特定次谐波电流检测单元、特定次谐波电流放大单元和控制信号叠加单元；

所述基波电流检测单元，用于从流过所述变压器一次侧绕组的电流I₁中提取并检测基波电流

所述特定次谐波电流检测单元，用于从流过所述变压器一次侧绕组的电流I₁中提取并检测特定次谐波电流

所述基波电流放大单元，用于对提取的基波电流进行反向放大；

所述特定次谐波电流放大单元，用于对提取的特定次谐波电流进行正向放大；

所述控制信号叠加单元，用于将反向放大后的基波电流与正向放大的特定次谐波电流叠加，生成所述调制信号I_ref。

进一步地，所述调制信号I_ref表示为：

其中，I₁为流过变压器一次侧绕组的电流，为流过变压器一次侧绕组的基波电流分量，为流过变压器一次测绕组的n次谐波分量，k_i为测量流过变压器一次侧绕组电流的电流互感器的增益，k₁为所述基波电流放大单元的反向放大倍数，k₂为所述特定次谐波电流放大单元的正向放大增益，n为特定次谐波的次数，n>0，且n≠1，n在三相电力系统中一般取值为6k±1，n在单相系统中一般取值为2k+1，k＝1,2,3…。

进一步地，所述变压器一次侧绕组对基波等效阻抗为：

其中，Z₁为变压器的一次侧漏抗，Z_m为变压器的励磁阻抗，α为基波控制系数，k_T为变压器的耦合变比，K_PWM为电压源型逆变器等效增益。

优选地，当时，所述变压器一次侧绕组对基波分量等效短路。

进一步地，所述变压器一次侧绕组对特定次n次谐波等效阻抗为：

其中，β为特定次谐波控制系数，

优选地，通过设置β，使所述变压器一次侧绕组对特定次谐波分量等效开路。

进一步地，所述简化无源滤波器200包括：第一电感L_c1、第二电感L_c2和电容C_c1；

所述第一电感L_c1与电容C_c1并联后与第二电感L_c2串联。

进一步地，所述无源滤波单元的并联部分在基波频率处发生并联谐振，即1/ωC_c1＝ωL_c1，基波等效阻抗无穷大，对基波相当于开路；

所述无源滤波单元的串联部分在m次谐波频率处发生串联谐振，对m次谐波阻抗接近为零，针对m次谐波，简化无源滤波器的阻抗为：

其中，m为谐波次数，m≥3。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

(1)本发明采用基波磁通反向补偿和特定次谐波正向补偿的混合控制方式，使变压器一次侧对基波呈现低阻抗或近似短路，且对特定次谐波呈现更高阻抗，对特定次以外谐波呈现高阻抗，通过合理设计基波控制系数α和特定次谐波补偿控制系数β，使得本发明的电能质量控制器与现有电能质量控制器相比，在同等滤波性能下，所需的变压器漏抗和励磁阻抗更小，减小了变压器的设计容量，降低了设备成本，更加实用。

(2)本发明中由于变压器对特定次谐波等效阻抗大大增加，在不影响滤波效果的前提下，使得无源滤波器结构得以简化，大大减小了无源滤波器的容量和体积，进一步减小了设备成本，提高了经济效益。

(3)本发明通过特定次谐波补偿的控制方式，由于逆变器只需要对特定次谐波频率段进行跟踪控制，使得控制系统设计得以简化，提高了逆变器系统稳定性和可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的串联混合型电能质量控制器装置接入单相系统示意图；

图2为本发明简化设计的无源电力滤波器电路图；

图3为本发明实施例提供的串联混合型电能质量控制器装置接入三相系统的电路示意图；

其中，101为变压器，102为电压源型逆变器，103为调制信号生成模块，113为基波电流检测单元，123为特定次谐波电流检测单元，133为基波电流放大单元，143为特定次谐波电流放大单元，153为控制信号叠加单元，200为简化无源滤波器。

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。

如图1所示，本发明的串联混合型电能质量控制器包括：变压器101、电压源型逆变器102、调制信号生成模块103和简化无源滤波器200；

调制信号生成模块103包括：基波电流检测单元113、基波电流放大单元133、比例谐振(Proportionalresonant，PR)控制单元和控制信号叠加单元153，其中，PR控制单元，包括特定次谐波电流检测单元123、特定次谐波电流放大单元143；

基波电流检测单元113，用于从流过变压器一次侧绕组的电流I₁中提取并检测基波电流

特定次谐波电流检测单元123，用于从流过变压器一次侧绕组的电流I₁中提取并检测特定次谐波电流

基波电流放大单元133，用于对提取的基波电流信号进行反向放大；

特定次谐波电流放大单元143，用于对提取的特定次谐波电流信号进行正向放大；

控制信号叠加单元153，用于将反向放大后的基波电流与正向放大的特定次谐波电流叠加，生成调制信号。

调制信号生成模块103用于生成逆变器102的调制信号I_ref，I_ref由反向放大后的一次侧基波电流和正向放大后的一次侧PR控制得到的特定次谐波电流之和叠加生成，具体地，I_ref可表示为：

其中，I₁为流过变压器一次侧绕组的电流，为流过变压器一次侧绕组的基波电流分量，为流过变压器一次测绕组的n次谐波分量，k_i为测量流过变压器一次侧绕组电流的电流互感器的增益，k₁为基波电流放大单元的反向放大倍数，k₂为特定次谐波电流放大单元的正向放大增益，n为特定次谐波的次数，n>0，且n≠1，n在三相电力系统中一般取值为6k±1，n在单相系统中一般取值为2k+1，k＝1,2,3…。

电压源型逆变器102与变压器101的二次侧绕组并联；

电压源型逆变器直流侧电压U_d有三种来源方式：(1)直流侧接一个电容器，通过控制逆变器使得直流侧电压稳定；(2)直流侧接一个蓄电池，通过控制逆变器得到稳定的直流侧电压；(3)通过电力系统感应取电，经过整流得到稳定的直流侧电压，本发明可针对不同的应用情况进行选取直流侧电压U_d的来源，不限于某一种。

电压源型逆变器102以三角波为载波，采用正弦脉冲带宽调制SPWM控制策略，用于产生将U_d提供的直流电压转变成与I_ref同频率的交流电流信号I₂，I₂经过由C_d和L_d组成的LC滤波器滤除开关纹波后，送入变压器的二次侧绕组，使变压器的一次侧绕组对基波呈现低阻抗或近似短路，二次侧绕组对指定次谐波呈现高阻抗或近似开路；

将电压源型逆变器102等效为一阶小惯性环节，其传递函数为：其中，K_PWM为逆变器的增益，T_PWM为逆变器的延时，s为s域算子，为简化分析，忽略逆变器的延时，则逆变器可等效为增益为K_PWM的比例环节。

变压器101的一次侧绕组串联在电源和非线性负载之间，与电源和非线性负载构成回路；

变压器一次侧绕组电压U₁为：

U₁＝Z₁I₁+Z_m(I₁+I₂′)

其中，Z₁为变压器的一次侧漏抗，Z_m为变压器的励磁阻抗；

变压器二次侧绕组的电流I₂可表示为：

变压器二次侧绕组电流等效到变压器一次侧的电流I₂′为：

其中，k_T为变压器的耦合变比，α为基波控制系数，β为特定次谐波控制系数，

变压器一次侧绕组基波电压为：

U₁ ⁽¹⁾＝Z₁ ⁽¹⁾I₁ ⁽¹⁾+Z_m ⁽¹⁾(I₁ ⁽¹⁾+I₂′⁽¹⁾)

其中，Z₁ ⁽¹⁾为变压器的一次侧相对基波的漏抗，Z₁ ⁽¹⁾＝Z₁，Z_m ⁽¹⁾为变压器相对基波的励磁阻抗，Z_m ⁽¹⁾＝Z_m，I₂′⁽¹⁾为变压器二次侧绕组电流等效到变压器一次侧的电流中的基波分量，

联立以上各式推导得到变压器一次侧绕组的基波等效阻抗为：

若基波等效阻抗控制系数则变压器一次绕组基波等效阻抗因此，变压器一次侧绕组对基波分量等效短路。

变压器一次侧绕组的特定次n次谐波电压

其中，Z₁ ⁽ⁿ⁾为变压器的一次侧相对第n次谐波的漏抗，Z₁ ⁽ⁿ⁾＝nZ₁，Z_m ⁽ⁿ⁾为变压器相对特定次n次谐波的励磁阻抗，Z_m ⁽ⁿ⁾＝nZ_m，I₂′⁽ⁿ⁾为变压器二次侧绕组电流等效到变压器一次侧的电流中的特定次n次谐波分量，

变压器一次侧绕组特定次n次谐波等效阻抗为：

若合理设置特定次谐波等效阻抗控制系数β的取值，使β尽可能大，使得变压器一次侧特定次数谐波分量的等效阻抗为高阻抗，此时变压器一次侧绕组对特定次谐波分量近似等效开路。

变压器对特定次谐波等效阻抗大大增加了，典型的无源支路设计，即5、7次单调谐滤波器和高通滤波器(针对三相系统而言)，就会造成无源设计浪费的问题，根据这一特点重新设计无源滤波器，使其结构得以简化。

简化无源滤波器200与非线性负载并联，与非线性负载构成回路，用于分流非线性负载中的谐波电流；

如图2所示，简化无源滤波器200包括：第一电感L_c1、第二电感L_c2和电容C_c1；第一电感L_c1与电容C_c1并联后与第二电感L_c2串联；

变压器101、电压源型逆变器102、调制信号生成模块103组成有源滤波单元，工作时，有源滤波单元对基波表现为低阻抗，无源滤波单元的并联部分的L_c1和C_c1在基波频率处发生并联谐振，即1/ωC_c1＝ωL_c1，基波等效阻抗无穷大，对基波相当于开路，使得基波能顺利流过有源滤波单元；

有源滤波单元对高次谐波表现为高阻抗，无源滤波单元的串联部分在m次谐波频率处发生串联谐振，串联电感L_c2为：

对m次谐波阻抗接近为零，对m次谐波相当于短路，起到吸收m次谐波电流的作用，针对m次谐波，吸收谐波电流的阻抗为

因此，无源滤波单元对谐波表现为低阻抗，谐波便从无源滤波单元流通，不会流入电网中，实现滤除谐波的功能，m为谐波次数，m≥3。

本发明的串联混合型电能质量控制器实现了变压器隔离谐波(特定次和其他次谐波)，迫使谐波电流流入简化的无源滤波单元，完成了谐波的抑制；同时特定次谐波补偿和简化无源设计，实现了高可靠性和实用化的电能质量控制器。

如图3所示，将本发明的串联混合型电能质量控制器接入三相系统中，参考在单相系统下的工作方式，在每一相上单独使用采用小容量变压器的基于基波和谐波磁通混合补偿的串联有源电力滤波器，三相线路上各放大器单独控制，发生故障时互不影响。

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)

1.一种串联混合型电能质量控制器，其特征在于，包括：变压器(101)、电压源型逆变器(102)、调制信号生成模块(103)和简化无源滤波器(200)；

所述变压器(101)的一次侧绕组串联在电源和非线性负载之间，与电源和非线性负载构成回路；二次侧绕组与所述电压源型逆变器(102)的输出端并联；所述电压源型逆变器(102)的输入端与所述调制信号生成模块(103)的输出端连接；

所述调制信号生成模块(103)用于检测所述变压器(101)一侧次的电流信号，生成调制信号I_ref，并送入所述电压源型逆变器(102)；

所述电压源型逆变器(102)用于生成与所述调制信号I_ref同频率的交流信号，并送入所述变压器(101)的二次侧绕组；

所述变压器(101)在所述交流信号的作用下，一次侧绕组对基波呈现低阻抗，对特定次谐波呈现更高阻抗，对特定次以外谐波呈现高阻抗；

所述简化无源滤波器(200)对基波电流呈现高阻抗，对谐波呈现低阻抗。

2.根据权利要求1所述的一种串联混合型电能质量控制器，其特征在于，所述调制信号生成模块(103)包括：基波电流检测单元(113)、基波电流放大单元(133)、特定次谐波电流检测单元(123)、特定次谐波电流放大单元(143)和控制信号叠加单元(153)；

所述基波电流检测单元(113)，用于从流过所述变压器(101)一次侧绕组的电流I₁中提取并检测基波电流

所述特定次谐波电流检测单元(123)，用于从流过所述变压器(101)一次侧绕组的电流I₁中提取并检测特定次谐波电流

所述基波电流放大单元(133)，用于对提取的基波电流进行反向放大；

所述特定次谐波电流放大单元(143)，用于对提取的特定次谐波电流进行正向放大；

所述控制信号叠加单元(153)，用于将反向放大后的基波电流与正向放大的特定次谐波电流叠加，生成所述调制信号I_ref。

3.根据权利要求2所述的一种串联混合型电能质量控制器，其特征在于，所述调制信号I_ref表示为：

其中，I₁为流过变压器一次侧绕组的电流，为流过变压器一次侧绕组的基波电流分量，为流过变压器一次测绕组的n次谐波分量，k_i为测量流过变压器一次侧绕组电流的电流互感器的增益，k₁为所述基波电流放大单元的反向放大倍数，k₂为所述特定次谐波电流放大单元的正向放大增益，n为特定次谐波的次数，n>0，且n≠1。

4.根据权利要求3所述的一种串联混合型电能质量控制器，其特征在于，所述变压器一次侧绕组对基波等效阻抗为：

其中，Z₁为变压器的一次侧漏抗，Z_m为变压器的励磁阻抗，α为基波控制系数，k_T为变压器的耦合变比，K_PWM为电压源型逆变器等效增益；

设置使所述变压器一次侧绕组对基波分量等效短路。

5.根据权利要求3所述的一种串联混合型电能质量控制器，其特征在于，所述变压器一次侧绕组对特定次n次谐波等效阻抗为：

其中，β为特定次谐波控制系数，

通过设置β，使所述变压器一次侧绕组对特定次谐波分量等效开路。

6.根据权利要求1-5任一项所述的串联混合型电能质量控制器，其特征在于，所述简化无源滤波器200包括：第一电感L_c1、第二电感L_c2和电容C_c1；

所述第一电感L_c1与所述电容C_c1并联后与所述第二电感L_c2串联。

7.根据权利要求6所述的串联混合型电能质量控制器，其特征在于，所述无源滤波单元的并联部分在基波频率处发生并联谐振，对基波呈现高阻抗；所述无源滤波单元的串联部分对谐波呈现低阻抗。