CN110880766A - 一种基于统一电能质量控制器的电压跌落补偿装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于统一电能质量控制器的电压跌落补偿装置及其方法。该装置通过在系统电源与负荷之间安装统一电能质量控制器调节负载电压，在电网出现电压跌落时，通过统一电能质量控制器瞬时补偿电压。本发明可以解决工业用电普遍存在的电压暂降问题，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治理电压频繁跌落效率低，维护困难等问题，无需储能元件，特别适用于频繁电压跌落的场合；此种拓扑补偿无需做到全功率，特别适用于大容量系统场合，采用回馈能量的控制方式能够减少能耗、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

一种基于统一电能质量控制器的电压跌落补偿装置及方法

技术领域

本发明涉及配电网领域，具体涉及一种基于统一电能质量控制器的电压跌落补偿装置及方法。

背景技术

电压跌落是工业领域最常见的电能问题，主因是系统故障或系统内部倒闸操作等，持续时间约为5～30个周波，对敏感性负荷影响严重，设备因供电电压扰动而停机，造成严重的停机和停产损失。。

国内多采用动态调压器方案治理电压跌落，主要原理是利用超级电容等元件存储能量，全功率逆变器输出电压，通过快切开关切换主回路电源至逆变器。此种必须按负载的全容量配置电力电子器件和储能元件；补偿时间受限储能元件，一般只能持续0.5S～10S；对于频繁的电压跌落，不得不频繁投切，治理效率不高；另外超级电容储能元件，长时间充放电后，有可能出现均压问题。

统一电能质量控制器，将并联有源滤波和串联式调节器进行组合，综合电流补偿和电压补偿功能的优点。利用统一电能质量调节器作为控制机构，无需储能元件，特别适用于频繁电压暂降的场合；此种拓扑补偿无需做到全功率，特别适用于大容量系统场合。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种基于统一电能质量控制器的电压跌落补偿装置，该装置通过在系统电源与负荷之间安装统一电能质量控制器调节负载电压，在电网出现电压跌落时，通过统一电能质量控制器瞬时补偿电压。

优选的，所述统一电能质量控制器包括串联式隔离变压器，并联侧整流器与串联侧逆变器；串联式隔离变压器的副边接到配电变压器输出和负载之间，串联侧逆变器接到串联式隔离变压器原边，所述并联侧整流器并联负载侧线路。

优选的，所述并联侧整流器和串联侧逆变器均采用一字三电平结构，并联侧整流器为中性线引出的三相四线结构，串联侧逆变器为三相三线结构。

所述并联侧整流器主要作用在于稳定直流电压，从电网回馈或吸收能量；所述串联侧逆变器主要作用是根据给定逆变电压；所述串联式隔离变压器作用是将串联侧逆变器逆变电压叠加至电网相电压上。

为解决上述问题，本发明还提供一种基于统一电能质量控制器的电压跌落补偿方法，该方法通过在配电变压器输出端和负载之间安装设备，检测和补偿电压跌落。其特征在于，所述方法是通过统一电能质量控制器来实现的，并联侧整流器用于稳定直流电压；串联侧逆变器主要作用是根据给定逆变电压；串联式隔离变压器作用是将串联侧逆变器逆变电压叠加至电网相电压上。所述的电压跌落检测方法，利用二阶广义积分方法配合瞬时功率计算方法精确检测电压跌落事件；所述的电压跌落补偿方法，通过二阶广义积分和瞬时功率方法计算串联侧输出幅值，将串联侧逆变器逆变电压通过串联式隔离变压器叠加至电网相电压上。

优选的，通过二阶广义积分方法配合瞬时功率计算方法精确检测电压跌落事件，具体包括以下步骤：

(1)三相电压首先经过clark变换得出U_α、U_β作为输入量；

(2)通过广义二阶积分法得到正序分量U_{α_pos}、U_{β_pos}，和负序分量U_{α_neg}、U_{β_neg}；

(3)瞬时功率计算方法分解出DQ轴正序分量U_{d_pos}、U_{q_pos}，和负序分量U_{d_neg}、U_{q_neg}；

(4)U_{d_pos}代表基波峰值，U_{q_pos}接近为零，负序分量U_{d_neg}、U_{q_neg}也接近为零；当电压跌落U_{d_pos}值也瞬时改变。在单相或两相跌落时，会产生负序电压，U_{d_neg}、U_{q_neg}也会瞬时改变。当相关分量触发阈值，即可精确检测到电压跌落事件。

优选地，通过统一电能质量控制器串联侧解决电压跌落补偿问题，通过如下步骤实现：

(1)通过广义二阶积分法得到正序瞬时功率计算方法提取DQ轴正负序电压电流，提取电压的补偿量，超过阈值触发补偿；

(2)串联侧通过直接给定加PI控制器闭环的方法，计算占空比，控制IGBT生成SPWM，实现电压瞬时补偿；控制器可是PI控制器也可是其他控制器。

本发明具有如下优点：

(1)本发明提供了一种基于统一电能质量控制器的电压跌落补偿的方案，可以瞬时补偿电压暂降，保护敏感性负载；可靠性高，即使电力电子功率设备故障，不会造成负载设备停电。

(2)本发明无需部署任何储能单元，电能回馈方式可以补偿80％以上电压暂降事件，自身电能损耗极低，设备体积小；

(3)本发明无需投切开关，为无缝调压，特别适用于频繁电压暂降的场合；

(4)本发明无需按负载全功率配置电力电子等器件，只需补偿电压幅值降低的部分功率，设备低，特别适用于大容量系统场合。

附图说明

图1示出了本发明的一种基于统一电能质量控制器的电压跌落补偿装置的具体结构图。

图2示出了本发明的广义二阶积分控制器的结构框图；

图3示出了本发明的利用二阶广义积分配合瞬时功率计算检测电压跌落的控制框图；

图4示出了本发明的一种基于统一电能质量控制器的电压跌落补偿的串联侧逆变器控制方式。

具体实施方式

图1示出了一种基于统一电能质量控制器的电压跌落补偿装置的具体结构图，该装置的统一电能质量控制器包括串联式隔离变压器，并联侧整流器与串联侧逆变器；串联式隔离变压器的副边接到配电变压器输出和负载之间，串联侧逆变器接到串联式隔离变压器原边，并联侧整流器并联负载侧线路。并联侧整流器和串联侧逆变器均采用一字三电平结构，并联侧整流器为中性线引出的三相四线结构，串联侧逆变器为三相三线结构；并联侧整流器主要作用在于稳定直流电压，从电网回馈或吸收能量；串联侧逆变器主要作用是根据给定逆变电压；串联式隔离变压器作用是将串联侧逆变器逆变电压叠加至电网相电压上。

图2示出了广义二阶积分控制器结构

广义二阶积分法具体传递函数如下：

式(1)(2)中：v为输入信号；v'、qv'为一组正交输出信号；k为阻尼比；w为滤波器中心角，D(s)为v'对应的传递函数，Q(s)为qv'对应的传递函数。

D(s)为带通滤波传递函数，Q(s)为低通传递函数；D(s)和Q(s)的频率响应，当输入信号频率在滤波器中心角时，|D(jω)|＝0,|Q(jω)|＝0；表明输入信号均跟随频率变换，幅值保证不变。

当系统所含基波意外的谐波分量，衰减越大。而基波分量不受影响，其相位不会随滤波引起相位偏移，基波的正序负序检查精度可以保证。

D(s)和Q(s)的带宽可以通过阻尼比k调节，且不会随中心角频率影响，合适的角频率可以保证滤波延时和响应速度。

图3示出了利用广义二阶积分检测电压跌落的方法，具体包括以下步骤

(1)三相电压首先经过clark变换得出U_α、U_β作为输入量；

(2)通过广义二阶积分法得到旋转坐标下正序分量U_{α_pos}、U_{β_pos}，和负序分量U_{α_neg}、U_{β_neg}；

(3)正序分量U_{d_pos}、U_{q_pos}，和负序分量U_{d_neg}、U_{q_neg}经过瞬时功率计算方法分解出DQ轴正序分量U_{d_pos}、U_{q_pos}，和负序分量U_{d_neg}、U_{q_neg}；

(4)U_{d_pos}代表基波峰值，U_{q_pos}接近为零，负序分量U_{d_neg}、U_{q_neg}也接近为零；当电压跌落U_{d_pos}值也瞬时改变。在单相或两相跌落时，会产生负序电压，U_{d_neg}、U_{q_neg}也会瞬时改变。当相关分量触发阈值，即可精确检测到电压跌落事件。

图4示出了本发明的一种基于统一电能质量控制器的电压跌落补偿方法的串联侧逆变具体控制方式。通过如下步骤实现：

(1)采集电网系统电压，通过广义二阶积分滤波得出基波电压，进行锁相环运算；同时利用瞬时无功计算方法计算电压跌落事件方法与图3相同，分解出DQ轴正序分量U_{d_pos}、U_{q_pos}，和负序分量U_{d_neg}、U_{q_neg}；

(2)通过电网电压U_{d_pos}和设定值U_{d_ref}折算到串联侧逆变器的给定电压U_{d_inv_ref}；

(3)逆变只采用直接U_{d_inv_ref}电压给定和U_{d_inv_ref}、U_{d_inv_pos}闭环PI给定方式。以电流流入模块方向为正，I_{igbt_d}，I_{igbt_q}分别乘以电抗器等效阻抗ωL，补偿串联侧滤波电抗对应的压降。控制器可是PI控制器也可是其他控制器；

(4)计算占空比，控制IGBT生成SPWM，实现电压瞬时补偿。

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 (7)

1.一种基于统一电能质量控制器的电压跌落补偿装置，该装置通过在系统电源与负荷之间安装统一电能质量控制器调节负载电压，在电网出现电压跌落时，通过统一电能质量控制器瞬时补偿电压。

2.如权利要求1所述的电压跌落补偿装置，其特征在于，所述统一电能质量控制器包括串联式隔离变压器，并联侧整流器与串联侧逆变器；串联式隔离变压器的副边接到配电变压器输出和负载之间，串联侧逆变器接到串联式隔离变压器原边，所述并联侧整流器并联负载侧线路。

3.如权利要求1所述的电压跌落补偿装置，其特征在于，所述并联侧整流器和串联侧逆变器均采用一字三电平结构，并联侧整流器为中性线引出的三相四线结构，串联侧逆变器为三相三线结构。

4.如权利要求2所述的电压跌落补偿装置，其特征在于，所述并联侧整流器主要作用在于稳定直流电压，从电网回馈或吸收能量；所述串联侧逆变器主要作用是根据给定逆变电压；所述串联式隔离变压器作用是将串联侧逆变器逆变电压叠加至电网相电压上。

5.一种基于统一电能质量控制器的电压跌落补偿方法，该方法通过在配电变压器输出端和负载之间安装设备，检测和补偿电压跌落，其特征在于，所述方法是通过统一电能质量控制器来实现的，并联侧整流器用于稳定直流电压；串联侧逆变器主要作用是根据给定逆变电压；串联式隔离变压器作用是将串联侧逆变器逆变电压叠加至电网相电压上，所述的电压跌落检测方法，利用二阶广义积分方法配合瞬时功率计算方法精确检测电压跌落事件；所述的电压跌落补偿方法，通过二阶广义积分和瞬时功率方法计算串联侧输出幅值，将串联侧逆变器逆变电压通过串联式隔离变压器叠加至电网相电压上。

6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，通过二阶广义积分方法配合瞬时功率计算方法精确检测电压跌落事件，具体包括以下步骤：

(1)三相电压首先经过clark变换得出U_α、U_β作为输入量；

(2)通过广义二阶积分法得到正序分量U_{α_pos}、U_{β_pos}，和负序分量U_{α_neg}、U_{β_neg}；

(3)瞬时功率计算方法分解出dq轴正序分量U_{d_pos}、U_{q_pos}，和负序分量U_{d_neg}、U_{q_neg}；

(4)U_{d_pos}代表基波峰值，U_{q_pos}接近为零，负序分量U_{d_neg}、U_{q_neg}也接近为零；当电压跌落U_{d_pos}值也瞬时改变，在单相或两相跌落时，会产生负序电压，U_{d_neg}、U_{q_neg}也会瞬时改变，当相关分量触发阈值，即可精确检测到电压跌落事件。

7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，通过统一电能质量控制器串联侧解决电压跌落补偿问题，通过如下步骤实现：

(1)通过广义二阶积分法得到正序瞬时功率计算方法提取DQ轴正负序电压电流，提取电压的补偿量，超过阈值触发补偿；

(2)串联侧通过直接给定加PI控制器闭环的方法，计算占空比，控制IGBT生成SPWM，实现电压瞬时补偿；控制器可是PI控制器也可是其他控制器。

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