CN110380433B - 基于多机并联分序控制的电能质量综合治理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多机并联分序控制的电能质量综合治理装置，采用多机并联的单机治理装置组成负序补偿机组、零序补偿机组与谐波补偿机组，实现了对负载侧负序电流、零序电流与谐波电流的分序补偿；采用分级控制器实现电能质量综合治理，通过一级控制器与二级控制器实现各相序电流独立控制与补偿。本发明应用于商业中心、矿山、岸电电源、轨道系统以及大规模充电桩等存在冲击性负载、谐波负载与系统补偿容量快速突变的复杂环境中，对负载侧的负序电流、零序电流与谐波电流进行分序检测与独立控制，避免了传统电能质量治理装置工作时出现的各相序输出不均及补偿精度低等问题，实现了对各相序电流的独立控制与补偿，提高了补偿精度与系统稳定性。

Description

基于多机并联分序控制的电能质量综合治理装置
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域中的电能质量治理装置，尤其涉及一种基于多机并联分序控制的电能质量综合治理装置。
背景技术
随着大量非线性负载、冲击性负载与单相负载接入电网，加剧了配电网的三相不平衡现状，使其成为亟待解决的问题。配电网负载侧三相不平衡将会对配电网与用电设备带来一系列严重的影响，不仅危害电网的经济运行，还会影响配电网的安全性与可靠性。三相不平衡治理方法分为静态补偿和动态补偿。静态补偿是在无功导纳中串、并入需要补偿的负荷点，从而实现对三相不对称负载的补偿，使其满足电网三相平衡要求。动态补偿最早是采用分相控制的静止无功补偿器SVC来对三相不平衡负载进行补偿。动态补偿装置主要运用晶闸管对三相不平衡负载进行动态补偿，适用于对化工生产、电力系统、交通运输、冶金制造等行业中，可以对冲击性负载或者不平衡负载进行快速补偿。
目前，电能质量治理大多在低压侧采用大电流治理方案。其中，模块化多机并联是一种有效的低压大电流治理方案，该方案扩展性强，可靠性高，是一种有效的扩容手段，可以使用冗余控制技术，有着广阔的应用前景。在三相不平衡补偿中，大多采用单台装置对负序分量与零序分量进行统一补偿，由于需要同时输出负序电流与零序电流，会出现补偿装置出力不均等现象，同时会加大装置的损耗；且在大容量场合下，负序零序出力不均可能会导致补偿装置的损坏甚至烧毁。如能对负序分量与零序分量采用多机分序补偿，可大大提高补偿装置的灵活性，降低开关损耗，避免出力不均的现象。
多机并联分序控制的关键在于多机并联子模块协调控制策略，根据指令电流的分配方式与各个模块间的耦合关系可以分为以下几种控制策略：集中控制式、主从控制式与冗余控制式。集中控制式是通过设置专门的集中控制单元对多机模块的工作性能进行统一调配，可视为弱化的单机控制器，但集中控制单元中集成了系统中的大多数功能，如果控制单元发生故障，控制系统就会崩溃，极大程度上降低了模块化系统冗余可靠性高的优点；在主从控制策略下，系统中各个子模块被分为主机模块与从机模块，主机模块与从机模块在拓扑结构上具有一致性，在逻辑层面上对主从关系进行定义，但是由于模块间需要传输指令电流信号，所以模块间的距离受到一定的限制；冗余控制策略是对主从控制策略的改进，该控制策略下子模块同样具有实现单机补偿的完整软硬件，不同的是，各模块内具有通讯单元以传递各子模块的状态信号，包括机体编号、故障类型、直流侧电压等数据，且这些信号对与实时性和信道带宽没有较高的要求，可以通过数字信号与通讯协议实现远距离传输，用于分布式拓展场合。
综上所述，现有的多机并联补偿策略存在着无法实现各相序独立补偿的问题，限制了补偿装置的灵活性与补偿精度，亟需一种可实现多机分序补偿的电能质量综合治理装置。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于多机并联分序控制的电能质量综合治理装置，以解决现有基于多机并联电能治理装置的低压大电流治理策略中无法实现各相序电流灵活补偿的缺陷，并可实现子模块的自动投切与重启，提高配电网电能质量治理补偿精度与灵活性。
技术方案：为实现上述目的，本发明基于多机并联分序控制的电能质量综合治理装置，采用多机并联的子模块组成负序补偿机组、零序补偿机组与谐波补偿机组，并采用一级控制器和二级控制器对上述各机组进行分序控制，对负载侧的负序、零序及谐波电流进行独立控制分序补偿；采用一级控制器对网侧电压电流信息进行检测并生成补偿指令信号；采用二级控制器对补偿机组中各子模块进行控制、驱动与运行状态监测。
一级控制器包含电压电流检测模块、三相不平衡及谐波实时运算模块、补偿容量对比模块、补偿指令电流生成模块、子模块时基同步模块、网侧信息检测模块，实时检测电流中各相序分量，根据单机补偿容量计算子模块投切数量，生成各子模块参考电流。
二级控制器包含直流侧电压闭环控制模块、补偿电流跟踪控制模块、PWM驱动模块、多机并联投切模块、子模块运行状态检测模块，根据参考电流生成驱动信号与控制信号，实时监测子模块运行状态，且在发生停机故障与补偿容量激增时可自动实现子模块投切与热拔插。
一级控制器中，电压电流检测模块实时采集网侧电压电流以及负载侧电流信号，送入运算模块；三相不平衡及谐波实时运算模块，采用基于SOGI的三相不平衡基频分量解耦检测算法对不平衡分量进行检测，实时运算出负载电流中包含的负序、零序和谐波分量；补偿容量对比运算模块根据补偿电流的大小与子模块补偿容量进行比较，计算出各相序补偿所需子模块数量，将信号送入各子模块；补偿指令电流生成模块根据各相序补偿电流以及所投切子模块数量进行多机均流，生成各子模块补偿指令电流并送入各子模块；子模块时基同步模块向各投切子模块发送时基同步信号以协调各子模块同步运行；网侧信息检测模块实时监测补偿后的网侧电流信息，确认各相序电流得到有效补偿。
二级控制器中，直流侧电压闭环控制模块稳定直流侧电容电压；补偿电流跟踪控制模块采用准PR控制器对补偿电流进行跟踪确保补偿精度；PWM驱动模块控制子模块生成补偿电流；多机并联投切模块对子模块并入电网与切除；子模块运行状态检测模块，对补偿机组中各子模块进行输出功率计算并检测子模块是否正常运行，若发现故障子模块则反馈故障信号至投切模块实现故障模块的切除。
其中的三相不平衡及谐波分量补偿包含以下步骤：
步骤(1)：载入电网参数与主电路参数；电网参数包括网侧电压信号E、负载电流信号iL及其相位关系，主电路参数包括各子模块补偿容量以及备选子模块数量及运行状态；
步骤(2)：根据电网参数，运算模块采用基于SOGI的三相不平衡基频分量解耦检测算法实时运算出负载侧的正序、负序、零序以及谐波电流；补偿容量对比运算模块根据子模块补偿容量计算用于补偿的各相序子模块数量并生成均流系数，通过补偿指令电流生成模块形成各子模块补偿指令电流；
步骤(3)：各子模块根据得到的补偿指令电流，通过电压电流双环控制模块实现直流侧电压稳定与补偿电流的实时跟踪得到PWM驱动信号，PWM驱动模块根据得到的PWM驱动信号生成驱动电流，同时多机并联投切模块根据步骤(2)中得到的子模块计算信息对并网补偿的子模块进行投切，实现各相序补偿电流的注入；
步骤(4)：网侧信息检测模块实时检测网侧电流中的负序、零序、谐波分量以确保各相序电流实现补偿；子模块运行监测模块监测各子模块输出功率以确保各子模块正常工作；根据负载电流波动实时切除故障子模块以及投切备用子模块。
步骤(2)中，基于SOGI的三相不平衡基频分量解耦检测算法原理如下：
采用SOGI在两相静止坐标系下对负载电流进行正交变换，得到相位差为90°的电流分量，根据如下公式对各电流分量进行运算，实现正负序电流基频分量的解耦检测：
Figure BDA0002093619490000031
其中：
Figure BDA0002093619490000032
为所检测得到的α坐标系下的负载电流正负序电流分量，
Figure BDA0002093619490000033
为检测得到的β坐标系下的负载电流正负序电流分量；k为SOGI的自适应系数；ω为负载电流角频率；iα、iβ分别为经过坐标变换后得到的负载电流αβ分量。
步骤(2)中，基于SOGI的三相不平衡基频分量解耦检测算法步骤如下：
(21)将负载测电流从三相旋转坐标系转换至两相静止坐标系；
(22)采用SOGI对两相静止坐标系下的电流进行解耦；
(23)根据上述公式对解耦后所得电流分量进行运算，得到正负序电流αβ分量；
(24)采用平均值滤波器对所得正负序电流αβ分量进行数字滤波与反变换，得到正负序电流分量。
步骤4中，根据负载电流波动实时切除故障子模块以及投切备用子模块按照如下步骤进行：
(41)当信息监测模块检测到负载侧某相序电流激增时，输出信号反馈至运行监测模块，监测对应相序补偿机组是否存在故障子模块；
(42)若存在故障子模块，则自动对故障子模块进行重启，重启后该相序侧电流无变化则切除故障子模块并投切对应数量的备用子模块；
(43)若无故障子模块，则判断为补偿容量增加情况，实时计算需要投切的备用子模块数量反馈值步骤(2)中的补偿容量对比运算模块，投切备用子模块。
有益效果：与现有技术相比，本发明提供的基于多机并联分序控制的电能质量综合治理装置具有以下优点：
(1)利用本发明提供的基于多机分序策略的电能质量综合治理装置，可以在复杂负载环境下对负载侧电流中存在的负序、零序、谐波分量进行独立控制及补偿，提高系统灵活性与补偿精度；
(2)本发明通过对补偿容量进行自动检测并计算出各相序需要投入使用的子模块数量，实时控制子模块投切，提高了系统在负载突变环境下的适应性与补偿能力；
(3)本发明通过对子模块的输出功率检测各子模块的运行状态，与网侧电流信息检测模块相结合判断是否存在故障子模块，并对故障子模块进行重启，若仍无法正常工作则进行子模块切除并投切备用子模块，提高系统的稳定性。
(4)本发明可应用于商业中心、矿山、岸电电源、轨道系统以及大规模充电桩等存在冲击性负载、谐波负载与系统补偿容量快速突变的复杂环境中，对负载侧的负序电流、零序电流与谐波电流进行分序检测与独立控制，避免了传统电能质量治理装置工作时出现的各相序输出不均及补偿精度低等问题，实现了对各相序电流的独立控制与补偿，提高了补偿精度与系统稳定性。
附图说明
图1为本发明提出的电能质量综合治理装置控制系统框图；
图2为本发明采用的基于SOGI的三相不平衡基频分量解耦检测算法原理图；
图3为不平衡与谐波分量综合补偿仿真结果图；
图4为补偿装置子模块热拔插仿真结果图。
具体实施方式
如图1所示，本发明采用多机并联的单机补偿装置组成负序补偿机组、零序补偿机组与谐波补偿机组，采用一级控制器和二级控制器对各机组进行分序控制，对负载侧的负序、零序、谐波电流进行独立控制分序补偿。
其中的一级控制器包含电压电流检测模块、三相不平衡及谐波实时运算模块、补偿容量对比运算模块、补偿指令电流生成模块、子模块时基同步模块和网侧信息检测模块，实时检测电流中各相序分量，根据单机补偿容量计算子模块投切数量，生成各子模块参考电流。
其中的二级控制器包含直流侧电压闭环控制模块、补偿电流跟踪控制模块、PWM驱动模块、多机并联投切模块、子模块运行状态检测模块，根据参考电流生成驱动信号与控制信号，实时监测子模块运行状态，且在发生停机故障与补偿容量激增时自动实现子模块投切与热拔插。
一级控制器中，电压电流检测模块实时采集网侧电压电流以及负载侧电流信号，送入运算模块；三相不平衡及谐波实时运算模块，采用基于SOGI的三相不平衡基频分量解耦检测算法对不平衡分量进行检测，实时运算出负载电流中包含的负序、零序和谐波分量；补偿容量对比运算模块根据补偿电流的大小与子模块补偿容量进行比较，计算出各相序补偿所需子模块数量，将信号送入各子模块；补偿指令电流生成模块根据各相序补偿电流以及所投切子模块数量进行多机均流，生成各子模块补偿指令电流并送入各子模块；子模块时基同步模块向各投切子模块发送时基同步信号以协调各子模块同步运行；网侧信息检测模块实时监测补偿后的网侧电流信息，确认各相序电流得到有效补偿。
二级控制器中，直流侧电压闭环控制模块稳定直流侧电容电压；补偿电流跟踪控制模块采用准PR控制器对补偿电流进行跟踪确保补偿精度；PWM驱动模块控制子模块生成补偿电流；多机并联投切模块对子模块并入电网与切除；子模块运行状态检测模块，对补偿机组中各子模块进行输出功率计算并检测子模块是否正常运行，若发现故障子模块则反馈故障信号至投切模块实现故障模块的切除。
其中的三相不平衡及谐波分量补偿包含以下步骤：
步骤(1)：载入电网参数与主电路参数。电网参数包括网侧电压信号E、负载电流信号iL及其相位关系，主电路参数包括各子模块补偿容量以及备选子模块数量及运行状态；
步骤(2)：根据电网参数，运算模块采用基于SOGI的三相不平衡基频分量解耦检测算法实时运算出负载侧的正序、负序、零序以及谐波电流。补偿容量对比运算模块根据子模块补偿容量计算用于补偿的各相序子模块数量并生成均流系数，通过补偿指令电流生成模块形成各子模块补偿指令电流；
步骤(3)：各子模块根据得到的补偿指令电流，通过电压电流双环控制模块实现直流侧电压稳定与补偿电流的实时跟踪得到PWM驱动信号，PWM驱动模块根据得到的PWM驱动信号生成驱动电流，同时多机并联投切模块根据步骤2中得到的子模块计算信息对并网补偿的子模块进行投切，实现各相序补偿电流的注入；
步骤(4)：网侧信息检测模块实时检测网侧电流中的负序、零序、谐波分量以确保各相序电流实现补偿；子模块运行监测模块监测各子模块输出功率以确保各子模块正常工作；根据负载电流波动实时切除故障子模块以及投切备用子模块。
如图2所示，本发明采用SOGI在两相静止坐标系下对负载电流进行正交变换，得到相位差为90°的电流分量，根据如下公式对各电流分量进行运算，实现正负序电流基频分量的解耦检测。
Figure BDA0002093619490000061
其中：
Figure BDA0002093619490000062
为所检测得到的α坐标系下的负载电流正负序电流分量；
Figure BDA0002093619490000063
为所检测得到的β坐标系下的负载电流正负序电流分量；k为SOGI的自适应系数；ω为负载电流角频率；iα、iβ分别为经过坐标变换后得到的负载电流αβ分量。
其中步骤(2)中的基于SOGI的三相不平衡基频分量解耦检测算法步骤如下：
(21)将负载测电流从三相旋转坐标系转换至两相静止坐标系；
(22)采用SOGI对两相静止坐标系下的电流进行解耦；
(23)根据上述公式对解耦后所得电流分量进行运算，得到正负序电流αβ分量；
(24)采用平均值滤波器对所得正负序电流αβ分量进行数字滤波与反变换，得到正负序电流分量。
步骤(4)中，根据负载电流波动实时切除故障子模块以及投切备用子模块按照如下步骤进行：
(41)当信息监测模块检测到负载侧某相序电流激增时，输出信号反馈至运行监测模块，监测对应相序补偿机组是否存在故障子模块；
(42)若存在故障子模块，则自动对故障子模块进行重启，重启后该相序侧电流无变化则切除故障子模块并投切对应数量的备用子模块；
(43)若无故障子模块，则判断为补偿容量增加情况，实时计算需要投切的备用子模块数量反馈值步骤二中的补偿容量对比运算模块，投切备用子模块。
从图3中可以看出，在电能质量综合治理装置接入之前三相电流呈现出强烈的不平衡度，且0.4s之后网侧电流出现了严重的畸变。治理装置接入补偿后，三相电流在极短的时间内恢复平衡状态，在负载突变与谐波负载接入时也呈现出很好的动态响应速度，三相电流重新趋于平衡，三相不平衡分量和谐波分量得到了较好的补偿。
如图4所示，在0.1s前采用单个子模块进行负序电流补偿，在0.1s时切除该子模块，将两个并联子模块接入电网，接替单个子模块进行负序电流补偿。可以看出，在0.1s时，网侧电流发生振荡并出现细微的畸变，在0.11s时电流恢复稳定，三相不平衡电流得补偿效果较好，验证了多机并联控制下子模块因故障切除时其余模块的响应能力与投切后的补偿速度，提高了系统的稳定性。

Claims (4)

1.一种基于多机并联分序控制的电能质量综合治理装置，其特征在于：采用多机并联的子模块组成负序补偿机组、零序补偿机组与谐波补偿机组，并采用一级控制器和二级控制器对上述各机组进行分序控制，对负载侧的负序、零序及谐波电流进行独立控制分序补偿；采用一级控制器对网侧电压电流信息进行检测并生成补偿指令信号；采用二级控制器对补偿机组中各子模块进行控制、驱动与运行状态监测；
所述一级控制器包括电压电流检测模块、三相不平衡及谐波实时运算模块、补偿容量对比运算模块、补偿指令电流生成模块、子模块时基同步模块和网侧信息检测模块，所述一级控制器实时检测电流中各相序分量，根据单机补偿容量计算子模块投切数量，生成各子模块参考电流；
所述三相不平衡及谐波实时运算模块所实现的三相不平衡及谐波分量补偿包含以下步骤：
步骤(1)：载入电网参数与主电路参数；电网参数包括网侧电压信号E、负载电流信号iL及其相位关系，主电路参数包括各子模块补偿容量以及备选子模块数量及运行状态；
步骤(2)：根据电网参数，运算模块采用基于SOGI的三相不平衡基频分量解耦检测算法实时运算出负载侧的正序、负序、零序以及谐波电流；补偿容量对比运算模块根据子模块补偿容量计算用于补偿的各相序子模块数量并生成均流系数，通过补偿指令电流生成模块形成各子模块补偿指令电流；
所述基于SOGI的三相不平衡基频分量解耦检测算法步骤如下：
步骤(21)，将负载侧电流从三相旋转坐标系转换至两相静止坐标系；
步骤(22)，采用SOGI对两相静止坐标系下的电流进行解耦；具体过程为：
采用SOGI在两相静止坐标系下对负载电流进行正交变换，得到相位差为90°的电流分量，根据如下公式对各电流分量进行运算，实现正负序电流基频分量的解耦：
Figure FDA0003526454640000011
其中：
Figure FDA0003526454640000012
为所检测得到的α坐标系下的负载电流正负序电流分量，
Figure FDA0003526454640000013
为检测得到的β坐标系下的负载电流正负序电流分量；k为SOGI的自适应系数；ω为负载电流角频率；iα、iβ分别为经过坐标变换后得到的负载电流αβ分量；
步骤(23)，对解耦后所得电流分量进行运算，得到正负序电流αβ分量；
步骤(24)，采用平均值滤波器对所得正负序电流αβ分量进行数字滤波与反变换，得到正负序电流分量；
步骤(3)：各子模块根据得到的补偿指令电流，通过电压电流双环控制模块实现直流侧电压稳定与补偿电流的实时跟踪得到PWM驱动信号，PWM驱动模块根据得到的PWM驱动信号生成驱动电流，同时多机并联投切模块根据步骤(2)中得到的子模块计算信息对并网补偿的子模块进行投切，实现各相序补偿电流的注入；
步骤(4)：网侧信息检测模块实时检测网侧电流中的负序、零序、谐波分量以确保各相序电流实现补偿；子模块运行监测模块监测各子模块输出功率以确保各子模块正常工作；根据负载电流波动实时切除故障子模块以及投切备用子模块，包括以下步骤：
步骤(41)，当信息监测模块检测到负载侧某相序电流激增时，输出信号反馈至运行监测模块，监测对应相序补偿机组是否存在故障子模块；
步骤(42)，若存在故障子模块，则自动对故障子模块重启，重启后该相序侧电流无变化则切除故障子模块并投切对应数量的备用子模块；
步骤(43)，若无故障子模块，则判断为补偿容量增加情况，实时计算需要投切的备用子模块数量反馈值步骤(2)中的补偿容量对比运算模块，投切备用子模块。
2.根据权利要求1所述的基于多机并联分序控制的电能质量综合治理装置，其特征在于：所述二级控制器包括直流侧电压闭环控制模块、补偿电流跟踪控制模块、PWM驱动模块、多机并联投切模块、子模块运行状态检测模块，根据参考电流生成驱动信号与控制信号，实时监测子模块运行状态，且在发生停机故障与补偿容量激增时，其子模块自动投切与热拔插。
3.根据权利要求1所述的基于多机并联分序控制的电能质量综合治理装置，其特征在于：所述一级控制器中，电压电流检测模块实时采集网侧电压电流及负载侧电流信号，送入运算模块；三相不平衡及谐波实时运算模块，采用基于SOGI的三相不平衡基频分量解耦检测算法对不平衡分量检测，实时运算出负载电流中的负序、零序和谐波分量；补偿容量对比运算模块根据补偿电流的大小与子模块补偿容量比较，计算出各相序补偿所需子模块数量，将信号送入各子模块；补偿指令电流生成模块根据各相序补偿电流及所投切子模块数量进行多机均流，生成各子模块补偿指令电流并送入各子模块；子模块时基同步模块向各投切子模块发送时基同步信号以协调各子模块同步运行；网侧信息检测模块实时监测补偿后的网侧电流信息，确认各相序电流得到有效补偿。
4.根据权利要求2所述的基于多机并联分序控制的电能质量综合治理装置，其特征在于：所述二级控制器中，直流侧电压闭环控制模块稳定直流侧电容电压；补偿电流跟踪控制模块采用准PR控制器对补偿电流进行跟踪确保补偿精度；PWM驱动模块控制子模块生成补偿电流；多机并联投切模块对子模块并入电网与切除；子模块运行状态检测模块对补偿机组中各子模块进行输出功率计算并检测子模块是否运行，若发现故障子模块则反馈故障信号至投切模块实现故障模块的切除。
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