CN111725817B - 一种感应混合型统一电能质量控制器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种感应混合型统一电能质量控制器及其控制方法，电能质量控制器包括串联变压器(2)、感应滤波变压器(3)、并联补偿单元(5)、串联补偿单元(6)和直流侧电容(7)；所述的串联变压器的一次绕组串接在电网和感应滤波变压器的一次绕组之间，二次绕组与串联补偿单元连接；所述的感应滤波变压器的网侧绕组采用YYD接线方式，所述的串联补偿单元包括LC滤波支路和NPC型三电平PWM变流器；所述的并联补偿单元包括双调谐滤波支路和NPC型三电平PWM变流器。本发明将感应滤波技术与电力电子装置结合，一方面能有效减少谐波污染，另一方面装置通过感应滤波变压器接入系统实现了电气隔离，提高了安全性和可靠性。

Description

一种感应混合型统一电能质量控制器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种感应混合型统一电能质量控制器及其控制方法。

背景技术

近年来，基于数字控制系统的电力电子设备(如大功率整流器、变频调速器、自动化生产线)应用日益广泛，这些设备的大规模应用一方面产生大量谐波干扰，致使供电质量下降；另一方面，自动化精密设备等负荷对电能质量要求高，几个周波的电压暂降都会导致用电设备停运，从而使企业遭受巨大的经济损失。目前，谐波污染和电压暂降等电能质量问题日益突出，改善电能质量迫在眉睫。

统一电能质量控制器(UPQC)是解决电能质量综合问题的有力方式，其由串联补偿单元和并联补偿单元构成。串联部分用来解决电压的电能质量问题，并联部分用来解决电流的电能质量问题。通过对UPQC进行多目标控制，可以实现谐波及无功的动态补偿、电压谐波及暂降的动态治理，具有较高的性价比。现有的UPQC可以安装在低压侧进行分散治理，也可以安装在中压侧对低压和中压负载进行集中治理。相比于分散治理，集中治理更加可行也更具经济性。然而，目前安装在中压侧的UPQC变流器容量相对较大导致设备成本较高，同时安装在中压侧的UPQC无法阻止谐波流经降压变压器，导致变压器内部产生谐波磁通，增大变压器损耗，不利于其推广应用。

近年来，一种基于变压器电磁感应原理的谐波抑制技术——感应滤波技术被相关学者提出。该技术在变压器中集成滤波绕组，通过滤波绕组的零阻抗设计，来抑制谐波电流及谐波磁通。该方法在变压器二次侧实现了谐波的就近抑制，有效缩短了谐波流通路径，同时其能降低变压器内部的谐波磁通，减少了谐波对变压器造成的损耗，是解决大功率整流系统谐波污染的有效方法。但是，该方法不能实现谐波动态抑制，可控性低，无法对电能质量综合问题实现灵活治理。

为达到降低UPQC变流器容量和降低变压器谐波磁通的目的，因此，有必要设计一种感应混合型统一电能质量控制器及其控制方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种感应混合型统一电能质量控制器及其控制方法，该感应混合型统一电能质量控制器及其控制方法，能减小谐波对变压器的损害，降低变流器容量，提高装置安全性和可靠性，使控制器能够在中压场合得到更好的应用。

发明的技术解决方案如下：

一种感应混合型统一电能质量控制器，包括串联变压器(2)、感应滤波变压器(3)、并联补偿单元(5)、串联补偿单元(6)和直流侧电容(7)；

所述的串联变压器的一次绕组串接在电网和感应滤波变压器的一次绕组之间，二次绕组与串联补偿单元连接；

所述的感应滤波变压器的网侧绕组采用YYD接线方式，一次侧绕组采取星形接法通过串联变压器与电网连接；二次侧绕组采取星形接法与负载相连；滤波绕组接成三角形与并联补偿单元相连；

所述的串联补偿单元包括LC滤波支路和NPC型三电平PWM变流器；

所述的并联补偿单元包括双调谐滤波支路和NPC型三电平PWM变流器；所述的双调谐滤波器谐振频率设定在6次及12次谐波；

串联补偿单元的NPC型三电平PWM变流器和并联补偿单元的NPC型三电平PWM变流器的直流侧均与所述的直流侧电容相连。

并联补偿单元的参考电流满足：

其中，i_ra，i_rb和i_rc分别为并联补偿单元a,b和c相的参考电流；N_i1、N_i2、N_i3分别为感应滤波变压器网侧绕组、负载绕组的匝数和滤波绕组的匝数；i_la，i_lb和i_lc分别为负载a，b和c相的电流。

串联补偿单元的参考电压u_cr[a,b,c]为

其中，N₁、N₂分别为串联变压器一次侧和二次侧绕组的匝数；u_L[a,b,c] ^*为期望的正常时的负载电压，u_s[a,b,c]为电网电压。

一种感应混合型统一电能质量控制器的控制方法，采用前述的感应混合型统一电能质量控制器；

控制方法涉及SGDFT锁相环、并联补偿单元复合控制和串联补偿单元复合控制。

SGDFT锁相环由基波正序分离器、电压归一化和SRF-PLL三部分组成；

首先将采集的线电压u_sab和u_sca通过T_ln转换为相电压u_sn[a,b,c]，经过T_3s-2s转换到两相静止坐标系下，然后通过基于SGDFT滤波器和对称分量法的基波正序分离器提取出基波正序电压，然后采用电压归一化消除输入电压幅值变化对SRF-PLL的不利影响，最后由SRF-PLL计算基波正序相位θ_p。

并联补偿单元复合控制包括参考电流计算、直流电压控制、输出电流控制、电压前馈和中点电位平衡控制；

其中，负载电流经SGDFT提取出谐波分量，叠加上直流电压的PI控制器输出后进入公式

计算出参考电流i_r[a,b,c]，经T_3s-2r转换到两相旋转坐标系下后采用PR控制器来实现电流无静差调节，电流控制器输出仍需经T_2r-3s转换到三相静止坐标系下，再叠加上负载电压完成电压前馈以抑制负载电压的扰动，最后经过中点电压平衡策略后形成调制信号，PR控制器的传递函数G_idq(s)调谐在6次和12次谐波处，表达式为：

其中k_pi为PR控制器的比例系数，6次和12次控制器比例系数均取10；k_in为PR控制器的谐振系数，6次和12次控制器谐振系数分别取640和320；w_n为谐振频率，6次谐振频率为600π，12次谐振频率为1200π。串联补偿单元复合控制包括参考电压计算，输出电压控制、电流前馈控制；其中，由期望的负载线电压u_ln ^*计算期望的负载相电压u_L[a,b,c] ^*，再根据公式

结合电网电压u_s[a,b,c]计算电压参考u_cr[a,b,c]，电压控制时，在两相旋转坐标系下采用PR控制器跟踪参考电压，再叠加上电流前馈控制消除负载电流的扰动，归一化后生成调制信号。

感应混合型统一电能质量控制器包括串联变压器、串联补偿单元、并联补偿单元和感应滤波变压器；所述串联补偿单元由二极管箝位(NPC)型三电平PWM变流器和LC低通滤波器组成，并且被控成电压源，主要面向电网侧，解决电网电压暂降/暂升的问题；所述并联补偿单元由双调谐滤波器与NPC型三电平PWM变流器组成，双调谐滤波器谐振频率设定在6次及12次谐波，以保证输出电流在5次、7次、11次和13次谐波频率处具有低阻抗通路，且并联补偿单元被控成电流源，主要面向负载侧，进行负载谐波电流抑制、变压器谐波磁通抑制和无功补偿。所述感应滤波变压器利用变压器的磁动势平衡，通过控制其输出电流使负载的谐波电流和滤波绕组上的谐波电流满足谐波磁动势平衡，变压器一次侧不会感应出谐波电流，谐波电流被彻底隔离在二次侧，同时负载侧的谐波磁通与滤波绕组感应的谐波磁通抵消，变压器内部的谐波磁通得到有效抑制，从而减小谐波对变压器的损害。

串联变压器一次绕组串接在电网和负载之间，二次绕组与串联补偿单元连接；感应滤波变压器采用YYD接线方式，即一次侧绕组采取星形接法通过串联变压器与电网连接；二次侧绕组采取星形接法与负载相连；滤波绕组接成三角形与并联补偿单元相连以抑制三次谐波；串联补偿单元和并联补偿单元通过直流侧电容背靠背式耦合连接。

感应混合型统一电能质量控制器采用SGDFT锁相环与电网同步，SGDFT锁相环由基波正序分离器、电压归一化和三相同步锁相环(SRF-PLL)三部分组成。

感应混合型统一电能质量控制器串联补偿单元采用PI控制器维持直流电压稳定，在两相旋转坐标系下采用6及12次的PR控制器来实现电流无静差调节，采用电压前馈控制消除电网电压扰动；并联补偿单元在两相旋转坐标系下采用6和12次的PR控制器跟踪参考电压，采用电流前馈控制消除负载电流的扰动。

有益效果：

本发明的感应混合型统一电能质量控制器及其控制方法，本发明中的感应混合型统一电能质量控制器主要包括串联变压器、串联补偿单元、并联补偿单元和感应滤波变压器；所述并联补偿单元包括双谐调滤波器与二极管箝位(NPC)型三电平PWM变流器，所述串联补偿单元包括LC滤波支路与NPC型三电平PWM变流器，所述并联补偿单元包括双调谐滤波器与NPC型三电平PWM变流器；根据所述感应混合型统一电能质量控制器的结构特点，提出其复合控制策略，实现电流和电压谐波的动态补偿、电压暂降和暂升的治理。本发明根据现有统一电能质量控制器存在的问题，将感应滤波技术与电力电子装置结合，一方面有效减少了传统统一电能质量控制器中大功率整流系统的谐波污染问题，减少了谐波对变压器造成的损耗，另一方面装置通过感应滤波变压器接入系统实现了电气隔离，提高了安全性和可靠性。

附图说明

图1为感应混合型统一电能质量控制器拓扑结构图；

图2为感应混合型统一电能质量控制器的电磁分析模型图；

图3为感应混合型统一电能质量控制器整体控制方案图；

图4为并联补偿单元复合控制示意图；

图5为串联补偿单元复合控制示意图；

图6为电网、负载和补偿单元等处的波形；其中，图6(a)电网电压波形；图6(b)负载电压波形；图6(c)串联补偿单元输出电压波形；图6(d)负载电流波形；图6(e)电网电流波形；图6(f)串联补偿单元输出电流波形；图6(g)分裂电容上电压；

图7为补偿前后畸变率THD对比；其中，图7(a)补偿前后电网电压THD，图7(b)补偿前后负载电流THD；

图8为补偿不对称电压暂降的仿真波形；其中图8(a)电网电压波形；图8(b)串联补偿单元输出电压波形；图8(c)负载电压波形；图8(d)分裂电容上电压；

图9为补偿不对称电压暂降和暂升的仿真波形；其中，图9(a)电网电压波形，图9(b)串联补偿单元输出电压波形，图9(c)负载电压波形，图9(d)分裂电容上电压。

标号说明：1：电网，2：串联变压器，3：感应滤波变压器，4：非线性负载及敏感负荷，5：并联补偿单元，6：串联补偿单元，7：直流侧电容；

13：基波正序分离器，14：SRF-PLL；

15：参考电流计算，16：直流电压控制，17：输出电流控制，18：电压前馈控制；

19：参考电压计算，20：输出电压控制，21：电流前馈控制。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1：如图1所示，图中示出了一种感应混合型统一电能质量控制器的拓扑结构，包括串联变压器2、感应滤波变压器3、并联补偿单元5和串联补偿单元6；所述的串联补偿单元包括了LC滤波支路和NPC型三电平PWM变流器；所述的并联补偿单元包括了双调谐滤波支路和NPC型三电平PWM变流器；所述的双调谐滤波器谐振频率设定在6次及12次谐波，以保证输出电流在5次、7次、11次和13次谐波频率处具有低阻抗通路。

所述的串联变压器2一次绕组串接在电网和感应滤波变压器一次绕组之间，二次绕组与串联补偿单元连接；所述的感应滤波变压器3网侧绕组采用YYD接线方式，即一次侧绕组采取星形接法通过串联变压器与电网连接；二次侧绕组采取星形接法与负载相连；滤波绕组接成三角形与并联补偿单元相连以抑制三次谐波。通过将非线性负载和并联补偿单元等效为电流源，将串联补偿单元等效为电压源，根据系统拓扑建立等效电路模型来阐述谐波电流抑制原理和电压补偿原理。(1)谐波抑制原理

由图2，根据基尔霍夫电流、电压定理、变压器磁势平衡原理和多绕组变压器电压传递公式，可以推导出网侧电流的表达式：

其中，N_i1、N_i2、N_i3分别为感应滤波变压器网侧绕组、负载绕组的匝数、滤波绕组的匝数；Z₁、Z₂、Z₃为感应滤波变压器网侧绕组、负载绕组以及滤波绕组的等值阻抗；Z₀为并联补偿单元的等效输出阻抗；i_l[a,b,c]为负载电流；i_r[a,b,c]为并联补偿单元的参考电流；i_s[a,b,c]为电网电流；u_[a,b,c]n1为感应滤波变压器网侧绕组的电压。

由式(1)可知，假设电网侧谐波电压完全补偿，为保证负载谐波电流不传递到网侧，并联补偿单元的参考电流应满足：

同时，为了消除Z₃对滤波性能和稳定性的不利影响，通过调整感应滤波变压器三个绕组的绝缘距离，设计网侧绕组与滤波绕组的绝缘距离加上负载绕组与滤波绕组的绝缘等于网侧绕组与负载绕组的绝缘距离时，Z₃接近于零阻抗。此时，得到参考电流为：

该谐波抑制原理利用了感应滤波变压器的磁动势平衡，通过控制并联补偿单元的输出电流使负载的谐波电流和滤波绕组上的谐波电流满足谐波磁动势平衡，因此感应滤波变压器一次侧不会感应出谐波电流，谐波电流被彻底隔离在二次侧，同时负载侧的谐波磁通与滤波绕组感应的谐波磁通抵消，变压器内部的谐波磁通能被有效抑制。

图1中的主电路变流器为背靠背的三电平二极管箝位型变流器，串联部分采用LC低通滤波器，其低通滤波器的参数设计需要综合考虑其带宽和滤波效果。并联部分为双调谐滤波器，谐振频率设置在6次及12次，用于对含量超标的5、7、11、13次谐波形成低阻抗通路，同时为无功负载提供固定的补偿容量。另外其承受大量的基波电压，减低系统有源部分的直流电压要求，提高器件的耐受能力。系统参数如下表：

(2)电压补偿原理

根据电磁感应原理和基尔霍夫电压定理，得到串联补偿单元的参考电压u_cr[a,b,c]为：

其中，N₁、N₂分别为串联变压器一次侧和二次侧绕组的匝数；N_i1、N_i2分别为感应滤波变压器网侧绕组、负载绕组的匝数，u_L[a,b,c] ^*为期望的正常时的负载电压，u_s[a,b,c]为电网电压。

由式(4)可知，一旦电网电压偏离额定值，串联补偿单元可通过控制补偿电压的幅值和相位来保证负载端电压维持在额定值。

下面说明感应混合型统一电能质量控制器的控制策略。

控制策略主要分为三个部分：SGDFT锁相环、并联补偿单元复合控制和串联补偿单元复合控制。

(1)SGDFT锁相环：如图3所示，SGDFT锁相环由基波正序分离器、电压归一化和SRF-PLL三部分组成。首先将采集的线电压u_sab和u_sca通过T_ln转换为相电压u_sn[a,b,c]，经过T_3s-2s转换到两相静止坐标系下，然后通过基于SGDFT滤波器和对称分量法的基波正序分离器提取出基波正序电压，然后采用电压归一化消除输入电压幅值变化对SRF-PLL(synchronousreference frame PLL)的不利影响，最后由SRF-PLL计算基波正序相位θ_p。

在图3中，T_ln用于实现线电压到相电压的变换，其表达式为：

用于坐标变换的T_3s-2s和T_2s-2r分别为：

SGDFT滤波器表达式为：

其中k为频率指数，N为采样数。

基波正序电压u_α ⁺和u_β ⁺提取公式为：

对基波正序电压进行归一化，归一化后两相静止坐标系下电压正序分量u_α1和u_β1为：

然后通过SRF-PLL获得基波电压正序分量的相位θ_p。

(2)并联补偿单元复合控制：如图4所示，该部分包括参考电流计算、直流电压控制、输出电流控制、电压前馈和中点电位平衡控制。其中，负载电流经SGDFT提取出谐波分量，叠加上直流电压的PI控制器输出后进入公式(3)计算出参考电流i_r[a,b,c]，经T_3s-2r转换到两相旋转坐标系下后采用PR控制器来实现电流无静差调节，电流控制器输出仍需经T_2r-3s转换到三相静止坐标系下，再叠加上负载电压完成电压前馈以抑制负载电压的扰动，最后经过中点电压平衡策略后形成调制信号。在图4中，PR控制器的传递函数G_idq(s)调谐在6次和12次谐波处，表达式为：

(3)串联补偿单元复合控制：如图5所示，该部分包括参考电压计算，输出电压控制、电流前馈控制。其中，由期望的负载线电压u_ln ^*计算期望的负载相电压u_L[a,b,c] ^*，再根据公式(4)结合电网电压u_s[a,b,c]计算电压参考u_cr[a,b,c]，电压控制同样在两相旋转坐标系下采用PR控制器跟踪参考电压，再叠加上电流前馈控制消除负载电流的扰动，归一化后生成调制信号。

这三种控制技术均是现有技术。

最后，为了验证所提系统的有效性，利用Matlab/Simulink在10kV/0.4kV配电网中进行了仿真。仿真包括：感应混合型电能质量统一控制器对畸变的电网电压和负载电流进行谐波补偿，以及对不对称电压暂降和暂升的补偿。

A.对畸变的电网电压和负载电流进行谐波补偿

在这种情况下，电网电压中引入了5次、7次、11次和13次谐波成分，而负载采用不可控整流从而负载电流中含有谐波。畸变的电网电压和负载电流波形分别如图6(a)和(d)所示。从图6(b)和(e)可以看出，随着感应混合型电能质量统一控制器的运行，电源电流和负载电压变得平滑和正弦。在图6(g)中还可以看到，分裂电容上的电压被调节在参考值200V。为了更好地显示补偿性能，对电网电压和负载电流的进行傅立叶变换(FFT)分析。从图7可以看出，5次、7次、11次和13次谐波几乎消除，电网电压和负载电流的总谐波畸变率(THD)分别从13.51％降至2.53％、25.78％和4.64％。

B.不对称电压暂降和暂升的补偿

补偿不对称电压暂降和暂升的仿真分别如图8和9所示。在不对称电压暂降补偿中，在0.4s处引入A和C相20％的电压暂降、B相10％的电压暂降。类似地，对于电压暂升的情况，在0.4s处引入A相20％的电压暂升、B相和C相10％的电压暂升。在这两种情况下考虑纯电阻载荷。如图8(b)和图9(b)所示，感应混合型电能质量统一控制器在电压暂降/暂升发生后立即动作注入补偿电压。因此，负载电压被调节在额定值，如图8(c)和图9(c)。在图8(d)和图9(d)中，分裂电容上的电压在两个周期中都保持在参考值200V，且超调量不超过3％。

以上结果表明，所提出的感应混合型电能质量统一控制器能实现电流和电压谐波的动态补偿、电压暂降和暂升的治理。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不局限于此。在不脱离本发明原理的前提下，还可对相关技术做出改进或替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种感应混合型统一电能质量控制器，其特征在于，包括串联变压器(2)、感应滤波变压器(3)、并联补偿单元(5)、串联补偿单元(6)和直流侧电容(7)；所述的串联变压器的一次绕组串接在电网和感应滤波变压器的一次绕组之间，二次绕组与串联补偿单元连接；

所述的感应滤波变压器的网侧绕组采用YYD接线方式，一次侧绕组采取星形接法通过串联变压器与电网连接；二次侧绕组采取星形接法与负载相连；滤波绕组接成三角形与并联补偿单元相连；

所述的串联补偿单元包括LC滤波支路和NPC型三电平PWM变流器；

所述的并联补偿单元包括双调谐滤波支路和NPC型三电平PWM变流器；所述的双调谐滤波支路谐振频率设定在6次及12次谐波；

串联补偿单元的NPC型三电平PWM变流器和并联补偿单元的NPC型三电平PWM变流器的直流侧均与所述的直流侧电容相连；

并联补偿单元的参考电流满足：

其中，i_ra，i_rb和i_rc分别为并联补偿单元a,b和c相的参考电流；N_i1、N_i2、N_i3分别为感应滤波变压器网侧绕组、负载绕组的匝数和滤波绕组的匝数；i_la，i_lb和i_lc分别为负载a，b和c相的电流。

2.根据权利要求1所述的感应混合型统一电能质量控制器，其特征在于，串联补偿单元的参考电压u_cr[a,b,c]为

其中，N₁、N₂分别为串联变压器一次侧和二次侧绕组的匝数；u_L[a,b,c] ^*为期望的正常时的负载电压，u_s[a,b,c]为电网电压。

3.一种感应混合型统一电能质量控制器的控制方法，其特征在于，采用权利要求1～2任一项所述的感应混合型统一电能质量控制器；

控制方法涉及SGDFT锁相环、并联补偿单元复合控制和串联补偿单元复合控制。

4.根据权利要求3所述的感应混合型统一电能质量控制器的控制方法，其特征在于，SGDFT锁相环由基波正序分离器、电压归一化和SRF-PLL三部分组成；首先将采集的线电压u_sab和u_sca通过T_ln转换为相电压u_sn[a,b,c]，经过T_3s-2s转换到两相静止坐标系下，然后通过基于SGDFT滤波器和对称分量法的基波正序分离器提取出基波正序电压，然后采用电压归一化消除输入电压幅值变化对SRF-PLL的不利影响，最后由SRF-PLL计算基波正序相位θ_p。

5.根据权利要求4所述的感应混合型统一电能质量控制器的控制方法，其特征在于，并联补偿单元复合控制包括参考电流计算、直流电压控制、输出电流控制、电压前馈和中点电位平衡控制；

其中，负载电流经SGDFT提取出谐波分量，叠加上直流电压的PI控制器输出后进入公式

计算出参考电流i_r[a,b,c]，经T_3s-2r转换到两相旋转坐标系下后采用PR控制器来实现电流无静差调节，电流控制器输出仍需经T_2r-3s转换到三相静止坐标系下，再叠加上负载电压完成电压前馈以抑制负载电压的扰动，最后经过中点电压平衡策略后形成调制信号，PR控制器的传递函数G_idq(s)调谐在6次和12次谐波处，表达式为：

其中k_pi为PR控制器的比例系数，6次和12次控制器比例系数均取10；k_in为PR控制器的谐振系数，6次和12次控制器谐振系数分别取640和320；w_n为谐振频率，6次谐振频率为600π，12次谐振频率为1200π。

6.根据权利要求5所述的感应混合型统一电能质量控制器的控制方法，其特征在于，串联补偿单元复合控制包括参考电压计算，输出电压控制、电流前馈控制；其中，由期望的负载线电压u_ln ^*计算期望的负载相电压u_L[a,b,c] ^*，再根据公式

结合电网电压u_s[a,b,c]计算电压参考u_cr[a,b,c]，电压控制时，在两相旋转坐标系下采用PR控制器跟踪参考电压，再叠加上电流前馈控制消除负载电流的扰动，归一化后生成调制信号。

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