CN110048432A - 基于三电平变流器的多功能电能质量控制装置及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于三电平变流器的多功能电能质量控制装置及控制方法，其主电路由三电平二极管箝位变流器及其滤波电路组成；控制单元主要由指令电流计算环节、电流跟踪控制环节等组成；控制方法上采用了复合型重复控制的策略，该控制策略综合了PI控制策略和重复控制策略的优点，设计了基于PI控制与重复控制的串联型复合电流跟踪控制器。本发明可用于同时解决功率因数低、谐波电流、三相不平衡及中线电流等多种低压配电网中所常见的电能质量问题，还能提高电能的传输效率，减少配电网中的电能损耗，实现经济效益的最大化。

Description

基于三电平变流器的多功能电能质量控制装置及控制方法
技术领域
本发明涉及电能质量控制技术领域，具体涉及一种基于电力电子变流器及其控制策略的装置，以同时解决低压电网中功率因数、谐波电流、三相平衡、中线电流等电能质量问题；具体涉及一种基于三电平变流器的多功能电能质量控制装置及控制方法。
背景技术
随着电力电子技术和现代工业技术的飞速发展，各种各样的电力电子设备应运而生，这些非线性负载会导致大量的谐波。在我国的低压配电网中，还大量存在着单相负载、感性无功负载等多种负载，这些负载用电的随机性，给配电网造成了严重的电能质量问题，简单概括为：功率因数低、谐波电流超标、三相不平衡、中线电流大等问题。
目前，在低压配电网电能质量的治理过程中，只是单纯地针对某一方面或者某几个方面进行治理，并没有一种系统可以同时治理系统中的无功、谐波、三相不平衡、负序、零序等电能质量问题。单纯的谐波补偿、无功治理或三相不平衡治理已经不能满足现实需要。在当代低压配电网中，非常需要一种具有多功能的电能质量优化系统，这种多功能系统，能够实现综合调控，大大降低了配电网补偿设备的复杂程度。所以，对这一类系统进行研究具有非常深远的意义。
统一潮流控制器(Unified Power Flow Controler,UPFC)和统一电能质量控制器(Unifued Power Quality Controller,UPQC)能够综合解决系统的功率因数低、谐波、三相不平衡以及中线电流等电能质量问题，但是，它们存在着设备投入和维护成本高、技术不够成熟等缺点，因而它们目前在低压配电网中并没有得到广泛应用。电能质量综合优化系统(Multifunction Electricity Controller&Optimizer,MEC)具有与有源电力滤波器(Active Power Filter,APF)、静止无功发生器(Static Var Generator,SVG)相同的主电路结构，它集成了APF与SVG的无功治理、谐波补偿、不平衡补偿、中线电流补偿等功能。但目前对MEC的研究还处于起步阶段，与之相关的文献和工程实例并不多。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出的是一种基于三电平变流器的多功能电能质量控制装置及控制方法，本发明可以同时治理低压配电网中无功、谐波、三相不平衡、负序、零序等电能质量问题。
基于三电平变流器的多功能电能质量控制装置，主电路由三电平二极管箝位变流器及其滤波电路组成；控制单元由指令电流计算环节、电流跟踪控制环节组成，控制方法上采用了复合型重复控制的方法。
作为优选，所述的直流单元采用电容中分式，六个桥臂的上、下桥臂各有两个功率开关管接成二极管箝位型，每一相的上、下两个桥臂的功率开关管与两个箝位二极管组成三电平双向电流回路。
作为优选，所述的滤波电路采用LCL滤波器。
基于三电平变流器的多功能电能质量控制装置的控制方法，具体为：通过电流传感器检测到补偿对象中的负载电流，在通过指令电流计算环节后，得到了由非零序谐波电流、基波无功电流和零序电流共同组成的指令电流；指令电流与从另一个电流传感器在装置主电路输出端检测到的采样电流一起送入电流控制器，通过电流控制器内置复合型重复控制的策略，得到参考调制波，参考调制波经过SPWM调制形成变流器中开关器件的门极驱动信号，门极驱动信号驱动变流器中的开关器件，使主电路产生一个与指令电流幅值相等、相位相同的补偿电流，补偿电流被注入到电网中，抵消负载电流中的谐波、基波无功分量与零序电流，使电网只提供基波有功电流，达到功率因数校正、谐波补偿、三相不平衡补偿及中线电流消除的目的，从而实现电网侧电能质量的净化。
补偿电流能否被准确迅速地检测出来，直接关系到该系统的工作性能。电流跟踪控制环节是整个控制系统中最重要的组成部分，它决定了该装置能否综合解决功率因数、谐波电流、三相不平衡、中线电流等电能质量问题。
本发明既可用于同时解决功率因数低、谐波电流、三相不平衡及中线电流等多种低压配电网中所常见的电能质量问题，还能提高电能的传输效率，减少配电网中的电能损耗，实现经济效益的最大化。
附图说明
图1：本发明主回路图；
图2：本发明工作原理图；
图3：本发明复合型控制策略框图；
图4(a)为系统投入前的仿真结果；
图4(b)为系统投入后的仿真结果；
图5(a)为系统投入前的三相电流的仿真结果；
图5(b)系统投入后的三相电流的仿真结果。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明作进一步说明。
本发明的主回路见图1，它由三电平电容中分式二极管箝位型电压源变流器和LCL滤波电路组成。该变流器拓扑每个桥臂的上、下桥臂各有两个功率开关管接成二极管箝位型，每一相的上、下两个桥臂的功率开关管与两个箝位二极管组成三电平双向电流回路。在正常情况下，该拓扑的直流母线的上下两个电容的电压相等，即直流母线的两个电容分别承受一半的直流母线电压。
具体实施原理如下：
参照图2，系统通过电流传感器检测到补偿对象中的负载电流iL，iL在通过指令电流计算电路后，得到了由非零序谐波电流iLh、基波无功电流iLfq和零序电流iL0共同组成的指令电流ic*，见方程式(1)。指令电流ic*与另一个电流传感器在系统主电路输出端检测到的采样电流ic，送入电流控制器后(内置复合型重复控制的策略)，得到参考调制波，参考调制波经过SPWM调制，形成变流器中IGBT的门极驱动信号。门极驱动信号驱动变流器中的IGBT按一定规律开关，使系统主电路产生一个与指令电流ic*幅值相等、相位相同的补偿电流ic。把补偿电流注入到电网中，抵消电网电流中的基波无功分量、谐波、与零序电流，使电网只提供基波有功电流is，最终达到功率因数校正、谐波补偿、三相不平衡补偿及中线电流消除的目的。
系统的工作原理可以用方程组(1)描述：
为了使系统具有良好的电能质量优化性能，必须使补偿电流精确快速地跟踪补偿电流指令信号，本发明的电流控制器(即电流指令信号的跟踪控制)选用PI控制器与重复控制器串联的复合型控制结构，见图3。将重复控制器应用于本系统的电流环跟踪控制，是针对电流内环的频率特性而进行的全方位设计，以确保整个系统的精确跟踪能力以及稳定运行能力。
通过仿真实验我们可以得出一系列的结果。见图4，在补偿装置投入系统前，配电网中存在大量的谐波，并且电源电流相位滞后于电源电压，存在感性无功，功率因数为0.78，因电流的畸变影响了电源电压的波形；投入系统后，谐波被大幅滤除，电流总畸变率降低，配电网的感性无功被补偿，功率因数接近于1，并且中线电流得到了很好的消除。由图5可知，系统的投入使配电网的感性无功电流、三相不平衡和中线电流得到了很好的补偿，从而降低了三相电流的不平很度，由三相电流不平衡导致的电压不平衡，也得到了很好的补偿。

Claims (4)

1.基于三电平变流器的多功能电能质量控制装置，其特征在于：主电路由三电平二极管箝位变流器及其滤波电路组成；控制单元由指令电流计算环节、电流跟踪控制环节组成，控制方法上采用了复合型重复控制的方法。
2.根据权利要求1所述的基于三电平变流器的多功能电能质量控制装置，其特征在于：所述的直流单元采用电容中分式，六个桥臂的上、下桥臂各有两个功率开关管接成二极管箝位型，每一相的上、下两个桥臂的功率开关管与两个箝位二极管组成三电平双向电流回路。
3.根据权利要求1所述的基于三电平变流器的多功能电能质量控制装置，其特征在于：所述的滤波电路采用LCL滤波器。
4.根据权利要求1所述的基于三电平变流器的多功能电能质量控制装置的控制方法，其特征在于：通过电流传感器检测到补偿对象中的负载电流，在通过指令电流计算环节后，得到了由非零序谐波电流、基波无功电流和零序电流共同组成的指令电流；指令电流与从另一个电流传感器在装置主电路输出端检测到的采样电流一起送入电流控制器，通过电流控制器内置复合型重复控制的策略，得到参考调制波，参考调制波经过SPWM调制形成变流器中开关器件的门极驱动信号，门极驱动信号驱动变流器中的开关器件，使主电路产生一个与指令电流幅值相等、相位相同的补偿电流，补偿电流被注入到电网中，抵消负载电流中的谐波、基波无功分量与零序电流，使电网只提供基波有功电流，达到功率因数校正、谐波补偿、三相不平衡补偿及中线电流消除的目的，从而实现电网侧电能质量的净化。
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