CN112751351B - 集中式多目标电能质量治理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集中式多目标电能质量治理装置，包括背靠背变流器；所述背靠背变流器的中间直流电容与蓄电池组并联。本发明通过对感应滤波变压器的有效复用，既能保留感应滤波变压器滤波绕组进行滤波无功补偿的优势，还能复用感应滤波变压器滤波绕组以对用于电压暂降的蓄电池组进行充电，电压暂降补偿时，通过隔离变压器及变流设备将蓄电池直流电压转换为交流电压串联叠加在负荷网侧电压上，具有电压补偿响应迅速的优点。

Description

集中式多目标电能质量治理装置

技术领域

本发明涉及电力电子控制领域，特别是一种集中式多目标电能质量治理装置。

背景技术

随着工业化技术的不断快速发展，电能作为一种经济实用、清洁方便的能源，己成为经济发展及人民生活的重要基础，用户对电力电子用电设备的需求也越来越广泛，由此致使各种非线性、冲击性、波动性和不对称负载同步大量增加，造成了诸如功率因数偏低、谐波、电压暂降等大量电能质量问题。这些问题给电网带来的影响日趋严重，功率因数偏低会加大输电线路损耗，降低输电效率；谐波使得电能利用效率降低，引发电气设备过热易振、绝缘老化，继电故障，干扰电子设备，并有可能发生局部谐振，甚至烧毁电气设备；而电压暂降问题更为突出，在用户所有关于电能质量的投诉问题中，电压暂降所占比例在90％以上，其所引起故障包括用电设备停止工作或异常运行等，所造成的设备损坏及带来的经济损失相当巨大。近年来，“绿色电力电子电能变换”、“优质供电园区”、“定制电力技术”的呼声越来越高，因此，如何有效地运用电力电子电能变换技术提高电能质量是供电部门、电力设备制造商及电力用户需要共同关注的问题。

为此，各种电能质量补偿装置被安装在系统电源用户侧的公共连接点处(例如CN108923438A)，主要是针对特定用户的电能质量问题进行治理，受制于电压暂降治理装置的效率、经济性、快速性及装置电压暂降补偿能力(补偿电压暂降深度、补偿电压暂降时间)等，厂用多目标电能质量治理装置一般置于个别负荷电网侧，采取分散治理的方式，较多装置的分台列装导致电能质量治理时总蓄电池容量效率低下，经济性差，也带来了维护困难、可靠性差等众多实际问题。现有技术中，UPS(不间断电源装置，通过交流变直流，将电能先储存在蓄电池中，再通过直流到交流的电能变换为负荷提供电能，该方法由于不管电压是否发生暂降，均采用交直交的模式为负荷供电，效率较低；MPC(多功能电能补偿装置)并联于负荷用电连接点，电压暂降时，通过网侧负荷开关将网侧电源断开，由并联MPC中的蓄电池提供电能，该方法需要外加电力变压器用于装置电压电流匹配，另由于采用的是并联补偿方式，电压暂降动态补偿响应速度较慢。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种集中式多目标电能质量治理装置，及时补偿负荷电压暂降时所缺电能，并能提高电网侧电能质量。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种集中式多目标电能质量治理装置，包括背靠背变流器；所述背靠背变流器的中间直流电容与蓄电池组并联。

本发明背靠背变流器中间直流电容侧并联一组蓄电池，可以补偿负荷电压暂降时所缺电能。

所述背靠背变流器输出端通过隔离变压器接入供电线路。通过隔离变压器及变流设备将蓄电池直流电压转换为交流电压串联叠加在负荷网侧电压上，具有电压补偿响应迅速的优点。

为了改善暂降装置所补偿叠加电压的波形质量，所述背靠背变流器输出端与所述隔离变压器之间接有输出滤波模块。

所述背靠背变流器输入端接感应滤波变压器滤波侧的滤波绕组；所述感应滤波变压器负荷侧绕组接所述隔离变压器；所述感应滤波器原边绕组接三相电网。可以通过变压器滤波绕组对电网侧电流电能质量进行改善，通过隔离变压器对负荷电压暂降进行补偿。

所述背靠背变流器输入端通过连接电感接所述感应滤波变压器滤波侧的滤波绕组，以形成四象限可控变流装置，可实现能量的双向流动，可采用高速度、高运算能力的DSP产生PWM控制脉冲以减少无功补偿电流和蓄电池充电电流的谐波含量。

为了减少对有源背靠背变流装置的无功滤波补偿容量需求，所述连接电感与所述感应滤波变压器滤波侧的滤波绕组之间并联有滤波无功补偿支路。

当满足下式时，阻断负荷谐波电流流向网侧：

其中，

Z_10n、Z_21n、Z_20n分别为感应滤波变压器网侧与负荷侧之间短路阻抗、负荷侧与滤波侧之间短路阻抗、网侧与滤波侧之间短路阻抗；Z_0n、Z_1n、Z_2n分别为感应滤波变压器各滤波绕组的短路阻抗；Z_fn代表5、7次滤波无功补偿支路的阻抗。从而可充分利用感应滤波变压器的电磁特性，对根本上阻断负荷侧5、7次谐波电流向电网侧传播。

所述背靠背变流器输出侧的变流器的控制过程包括：

实时检测三相负荷电压V_al、V_bl、V_cl，将所述三相三相负荷电压V_al、V_bl、V_cl变换到同步d-q坐标系下，得到两相分量u_ld、u_lq；

将u_ld与理想负荷电压进行比较后，差值经电压前馈PI控制，输出d-q同步坐标下的电压调制信号；

将所述电压调制信号通过反d-q同步坐标变换，生成三相电压调制信号进行载波调制，利用载波调制信号驱动所述背靠背变流器输入侧的变流器的开关管。本发明采用电压前馈的控制方式可有效减轻PI控制的压力，整个控制策略算法较为简便，易于编程实现，结合电压暂降串联补偿结构优势，可大大提升对电压暂降补偿的响应速度。

所述背靠背变流器输入侧的变流器的控制过程包括：

1)将三相负荷电流-i_La、-i_Lb、-i_Lc分别减去5、7次滤波无功补偿支路电流i_cfa、i_cfb、i_cfc通过变压器滤波绕组侧折算到负荷绕组侧的电流分量；

2)提取经步骤1)处理后得到的电流分量的无功分量；

3)当电压暂降未发生时，通过对蓄电池的荷电量进行限幅PI控制，形成背靠背变流器输出侧的变流器的有功充电电流分量i_p，将该信号叠加在所述无功分量上；当电压暂降未发生时，使i_p＝0；

4)将步骤3)得到的叠加电流信号作为同步坐标下的变流器电流跟踪控制方法的输入，输出调制信号用以进行载波调制，驱动背靠背变流器输入侧的变流器的开关管。

本发明利用无源的5、7次滤波无功补偿支路对负荷5、7次电流谐波进行了滤除，该无源对负荷无功具备一定的补偿能力，极大减少对有源背靠背变流装置的补偿容量需求，充分结合了有源、无源补偿装置的优势，既保证了整个装置输入端对网侧电流电能质量治理的快速性，也提升了治理容量。

步骤3)中，判断电压暂降是否发生的具体实现过程包括：将u_ld输入低通滤波器滤波，得到三相负荷电压正序分量幅值，当该幅值小于0.95U^*时，判断暂降已发生；当该幅值大于或等于0.95U*时，判断暂降未发生；其中，u_ld为三相负荷电压d-q同步坐标的d轴分量值；U^*为正常负荷电压幅值大小。该方法用于暂降判断较为迅速，抗干扰性能强，易于软件实现。

综上所述，与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明通过对感应滤波变压器的有效复用，既能保留感应滤波变压器滤波绕组进行滤波无功补偿的优势，还能复用感应滤波变压器滤波绕组以对用于电压暂降的蓄电池组进行充电，电压暂降补偿时，通过隔离变压器及变流设备将蓄电池直流电压转换为交流电压串联叠加在负荷网侧电压上，具有电压补偿响应迅速的优点；相比UPS(不间断电源装置)，本发明的装置效率较高；相比MPC(多功能电能补偿装置)，该装置动态响应较迅速，经济性较高；本发明的装置置于配电网配电感应滤波变压器上，能更为集中的实现配网侧一体化、集成化多目标电能质量治理，不仅能应对大容量、高效率、较长、较深电压暂降问题，还能解决负荷功率因数偏低，谐波含量偏高的电流质量问题，从而为国家开发区、优质供电园区、光电子产业基地等电能质量敏感工业园区的供电提供坚实保障。

附图说明

图1为本发明实施例装置拓扑结构图；

图2为本发明实施例拓扑结构等效电路图；

图3为本发明实施例拓扑结构等效电路图；

图4为本发明实施例电压暂降支撑向量图；

图5为本发明实施例装置控制框图。

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例拓扑结构中，背靠背变流器中间直流电容侧并联一组蓄电池以补偿负荷电压暂降时所缺电能，背靠背变流器一端通过隔离变压器将输出电压串联于供电线路中以补偿负荷电压暂降，另一端通过连接电感连接于感应滤波变压器滤波绕组以用于背靠背变流器直流侧所并联蓄电池组的充电及负荷无功的动态补偿，拓扑结构在感应滤波变压器的滤波绕组中并联无源的滤波无功补偿支路以减少对有源背靠背变流器的无功滤波补偿容量需求。整个装置充分发挥了感应滤波变压器的优点，且融入储能设备使该装置能应对电网侧较长、较深、较大容量的电压暂降，通过有效利用感应滤波变压器滤波绕组的电磁潜能从而达到一体化、集成化、集中化的多目标电能质量治理目标。因此，该装置具有较高的经济效率，尤其适用于对电能质量要求日益严格的高新技术工企业的综合电能质量治理。

本发明实施例基于感应滤波变压器的集中式多目标电能质量治理装置拓扑结构图如图1所示，图1中，i_A、i_B、i_C为10kV配网侧的三相网侧线电流，i_sa、i_sb、i_sc为10kV配网感应滤波变压器的原边绕组电流即相电流，i_La、i_Lb、i_Lc为感应滤波变压器380V负荷侧三相电流，i_cfa、i_cfb、i_cfc为感应滤波变压器滤波绕组中无源支路的三相电流，i_Ca1、i_Cb1、i_Cc1与i_Ca2、i_Cb2、i_Cc2分别为背靠背变流设备中变流器1与变流器2的输出电流。L为变流器1与滤波绕组连接的连接电感，L_f与C_f分别为变流器2输出电压的滤波电感与滤波电容，背靠背变流设备中直流侧缓冲电容为C，其直流电压大小为u_dc。

图1拓扑结构的等效电路如图2所示，图2中，V_sn(n＝a,b,c)为10kV网侧各相电压，Z_sn代表10kV网侧阻抗，Z_fn代表无源滤波支路阻抗，N_s、N₁、N₂为感应滤波变压器10kV网侧原边、380V负荷侧副边及690V滤波侧绕组匝数，i_sn、i_1n、i_2n即为各侧对应各相的电流，V_SC为变流器2的等效相电源，其输出各相电流为i_cn2，负荷电流用电流源i_Ln等效。由电路KCL可得：

将图2用于各频次谐波分析时，上述图中电流各字母分别代表其中的各频次谐波电流含量，由于变流器2不对负荷电流谐波进行治理，因此i_cn2＝0，有变压器谐波电流磁势平衡方程：

N_si_sn+N₁i_1n+N₂i_2n＝0 (2)

图2中，V_0n、V_1n、V_2n分别代表感应滤波变压器各绕组端电压，有：

式(3)中，由于电网侧电源谐波含量为0，所以V_sn＝0，根据感应滤波三绕组变压器等效电路，折算到负荷侧则有KVL式4：

式(4)中，Z_10n、Z_21n、Z_20n分别为感应滤波变压器网侧与负荷侧之间短路阻抗、负荷侧与滤波侧之间短路阻抗、网侧与滤波侧之间短路阻抗，Z_0n、Z_1n、Z_2n分别为感应滤波变压器各绕组短路阻抗，各短路阻抗可以通过变压器短路实验得知，并有：

通过连列式(2)、式(3)、式(4)共5个方程，可解得：

式(6)中，i_1n＝i_Ln，为负荷电流中的各频次谐波电流分量，i_sn为网侧电流中的各频次谐波电流分量。将V_sn＝0代入式(6)中，有：

式(7)为负荷谐波电流传递到网侧电网中的传递表达式。式中可以看出，只需要满足式(8)，即可阻断负荷谐波电流流向网侧。

式(8)中第一个表达式可以通过对感应滤波变压器各绕组短路阻抗设计实现，第二个表达式只需无源滤波支路在各需要滤波的谐波频次下保持阻抗为0(指定次谐波调谐)即可。

本发明实施例装置的无功补偿原理如下：

图1所示拓扑进行基频无功补偿a相向量图如图3所示，图中，V_a1、V_b1、V_c1为负荷电压矢量，-i_La为流入负荷基频电流，i_Ca为流入变流器2与5、7次FC支路电流之和，即：无功补偿电流。该补偿电流超前V_a1电压向量90°，无功补偿电流i_Ca与负荷基频电流-i_La向量和为i_a，即为感应滤波变压器等效总负荷电流，若i_Ca＝0，-i_La＝i_a，从向量图中可以看出，通过滤波绕组无功补偿电流i_Ca的注入，变压器等效总负荷电流功率因素得以显著提高。

图1拓扑结构中，蓄电池可通过变流器2向滤波绕组汲取有功电流分量以用于蓄电池充电，具体控制框图见图5中有功电流分量i_p，若电压暂降算法(见《PWM整流器及其控制》.张兴)检测到网侧电压暂降发生，蓄电池电能亦可以经变流器1通过线路串联变压器输出暂降电压分量以支撑负荷电压，其具体向量图如图4所示，图4中，V_g、V_L为网侧电压暂降前的正常网侧电压与负荷电压，V_g'为电压暂降后的网侧电压，V_c为装置经变流器1通过线路串联变压器输出的补偿电压，V_L'为最终负荷电压，从图4中可以看出，网侧电压发生暂降后，负荷电压得以有效支撑。本发明实施例装置控制策略框图如图5所示，变流器2主要用于支撑负荷电压暂降。

(1)实时检测三相负荷电压V_al、V_bl、V_cl，将所述三相三相负荷电压V_al、V_bl、V_cl变换到同步d-q坐标系下，得到两相分量u_ld、u_lq；

(2)将u_ld与理想负荷电压进行比较后，差值经电压前馈PI控制，输出d-q同步坐标下的电压调制信号；

(3)d-q同步坐标下的电压调制信号通过反d-q同步坐标变换以生成三相电压调制信号用以进行载波调制，最后运用载波调制信号驱动变流器2的开关管。

变流器1主要用于对负荷无功补偿和蓄电池充电控制。无功补偿时，由于负荷无功电流部分分量已由变压器滤波绕组无源支路进行补偿，变流器1只需补偿所剩余的部分负荷无功电流分量，因此，如图5所示：

(1)负荷电流-i_La、-i_Lb、-i_Lc减去滤波绕组无源支路电流i_cfa、i_cfb、i_cfc所折算到负荷绕组侧的电流分量，得到无功电流检测算法的输入电流量。

(2)运用无功电流检测算法(见王兆安等编著的《谐波抑制和无功功率补偿》)对输入电流量进行无功分量提取。

(3)蓄电池充电控制信号叠加，SOC_T ^*为蓄电池理想荷电状态，SOC_T为蓄电池实际荷电状态，通过限幅PI控制形成变流器1的有功充电电流分量i_p，将该信号叠加在无功分量提取信号上以进行电流跟踪。其中控制中用限幅PI以防止充电电流过载。另充电控制中，蓄电池充电应发生在网侧并未发生电压暂降时间段，一般电网侧电压暂降次数一个月在3次左右，因此，控制算法中有足够的非电压暂降时间为蓄电池进行充电。因此需对电压暂降进行检测判断，以判断电压暂降是否发生，进而决定蓄电池充电控制信号是否叠加，即通过对u_ld经低通滤波后的值的大小进行判断，可通过设置该值的阈值得以实现，如当该值幅值小于0.95U^*时，判断暂降已发生，此时，i_p与0进行相乘，即不进行蓄电池充电控制信号叠加，如当该值幅值大于0.95U*时，判断暂降未发生，此时，i_p与1进行相乘，可进行蓄电池充电控制信号叠加(其他更优的暂降判断方法可以参考《PWM整流器及其控制》.张兴)。

(4)运用同步坐标下的变流器电流跟踪控制方法输出调制信号用以进行载波调制，最后运用载波调制信号驱动变流器1的开关管。(见王兆安等编著的《谐波抑制和无功功率补偿》)。

Claims (4)

1.一种集中式多目标电能质量治理装置，包括背靠背变流器；其特征在于，所述背靠背变流器的中间直流电容与蓄电池组并联；所述背靠背变流器输出端通过隔离变压器接入供电线路；所述背靠背变流器输出端与所述隔离变压器之间接有输出滤波模块；所述背靠背变流器输入端接感应滤波变压器滤波侧的滤波绕组；所述感应滤波变压器负荷侧绕组接所述隔离变压器；所述感应滤波器原边绕组接三相电网；所述背靠背变流器输入端通过连接电感接所述感应滤波变压器滤波侧的滤波绕组；所述连接电感与所述感应滤波变压器滤波侧的滤波绕组之间并联有滤波无功补偿支路；

所述背靠背变流器输出侧的变流器的控制过程包括：

1)将三相负荷电流-i_La、-i_Lb、-i_Lc分别减去5、7次滤波无功补偿支路电流i_cfa、i_cfb、i_cfc通过变压器滤波绕组侧折算到负荷绕组侧的电流分量；

2)提取经步骤1)处理后得到的电流分量的无功分量；

3)当电压暂降未发生时，通过对蓄电池的荷电量进行限幅PI控制，形成背靠背变流器输出侧的变流器的有功充电电流分量i_p，将该信号叠加在所述无功分量上；当电压暂降未发生时，i_p与1进行相乘，进行蓄电池充电控制信号叠加；

4)将步骤3)得到的叠加电流信号作为同步坐标下的变流器电流跟踪控制方法的输入，输出调制信号用以进行载波调制，驱动背靠背变流器输入侧的变流器的开关管。

2.根据权利要求1所述的集中式多目标电能质量治理装置，其特征在于，当满足下式时，阻断负荷谐波电流流向网侧：

其中，

Z_10n、Z_21n、Z_20n分别为感应滤波变压器网侧与负荷侧之间短路阻抗、负荷侧与滤波侧之间短路阻抗、网侧与滤波侧之间短路阻抗；Z_0n、Z_1n、Z_2n分别为感应滤波变压器各滤波绕组的短路阻抗；Z_fn代表5、7次滤波无功补偿支路的阻抗。

3.根据权利要求1或2所述的集中式多目标电能质量治理装置，其特征在于，所述背靠背变流器输入侧的变流器的控制过程包括：

实时检测三相负荷电压V_al、V_bl、V_cl，将所述三相负荷电压V_al、V_bl、V_cl变换到同步d-q坐标系下，得到两相分量u_ld、u_lq；

将u_ld与理想负荷电压进行比较后，差值经电压前馈PI控制，输出d-q同步坐标下的电压调制信号；

将所述电压调制信号通过反d-q同步坐标变换，生成三相电压调制信号进行载波调制，利用载波调制信号驱动所述背靠背变流器输入侧的变流器的开关管。

4.根据权利要求1所述的集中式多目标电能质量治理装置，其特征在于，步骤3)中，判断电压暂降是否发生的具体实现过程包括：

将u_ld输入低通滤波器滤波，得到三相负荷电压正序分量幅值，当该幅值小于0.95U^*时，判断暂降已发生；当该幅值大于或等于0.95U*时，判断暂降未发生；其中，u_ld为三相负荷电压d-q同步坐标的d轴分量值；U^*为正常负荷电压幅值大小。

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