CN113067338A - 一种复合控制型电能质量控制器及控制方法 - Google Patents

一种复合控制型电能质量控制器及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种复合控制型电能质量控制器及控制方法，属于电能质量控制技术领域。包括变压器、无源滤波器、控制系统和逆变器。变压器一次侧绕组一端与电源连接，另一端与非线性负载连接。二次侧绕组与逆变器的输出端连接。无源滤波器与非线性负载并联。通过对电压偏差和谐波电流分别控制生成控制信号送入逆变器。逆变器根据控制信号向变压器二次侧绕组输出交流电压信号。控制系统通过控制检测流过变压器一次侧绕组的谐波电流，使变压器一次侧阻抗对谐波呈现高阻抗，达到谐波隔离的作用。非线性负载两端的电压和参考电压的电压偏差信号作为控制系统另一个控制信号，电压偏差信号的相位通过锁相环始终与电源电压的相位保持一致，实现电压补偿作用。

Description

一种复合控制型电能质量控制器及控制方法
技术领域
本发明属于电能质量控制技术领域，更具体地，涉及一种复合控制型电能质量控制器及控制方法。
背景技术
在电力系统中，可控电抗器可以实现控制电压和补偿无功等功能，对于提高电力系统稳定性、改善供电质量具有重要的作用。根据不同的功效，可调阻抗器在电力输送配电系统中能发挥重要的作用，起到改善电力系统的潮流分布、调节无功功率平衡、柔性交流输电系统、消弧线圈、谐波抑制等各个方面都具有广泛的应用。各种可调阻抗器虽都获得了一定的研究和应用，但是存在无法同时实现电压补偿和谐波隔离的功能。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种复合控制型电能质量控制器及控制方法，通过设置特定控制参数使装置表现出对谐波隔离，补偿电压偏差的作用特性，旨在同时解决电能质量中电压波动和谐波污染的问题。
本发明一方面提出了一种复合控制型电能质量控制器，包括：变压器、无源滤波器、控制系统和逆变器。
所述变压器，其一次侧绕组可以根据系统阻抗调节的需要连接于系统非线性负载和电源之间，与电源和非线性负载构成回路，表现出的特性为四象限可调阻抗；其二次侧绕组与逆变器的输出端并联；所述无源滤波器与非线性负载并联，用于提供谐波电流的低阻抗通路；所述控制系统用于控制检测到的所述变压器一次侧绕组的谐波电流信号和非线性负载的电压偏差信号，生成控制信号，将控制信号输入逆变器；所述逆变器，根据控制系统生成的控制信号，生成与所述控制信号同频率幅值的交流电压信号加到所述变压器二次侧绕组中，使变压器一次侧绕组的等效阻抗为
Figure BDA0002964064450000021
改变α和β的值，能够控制变压器一次侧绕组的等效阻抗呈现不同的阻抗特性。
所述控制系统，由谐波电流检测单元、电压偏差检测单元、信号叠加单元和控制信号生成单元组成。其中，谐波电流检测单元是用来检测变压器一次侧绕组的谐波电流信号；电压偏差检测单元检测非线性负载两端的电压信号和参考电压的电压偏差信号，电压偏差信号的相位通过锁相环始终与电源电压的相位保持一致。信号叠加单元用于将谐波电流信号和非线性负载两端的电压偏差信号(相位与电源电压保持一致)叠加，形成控制系统的控制信号；控制信号生成单元用于将控制信号通过SPWM调制模式将其转换成开关管的PWM脉冲波，提供给逆变器，使其在逆变器端口形成对应的交流电压信号。
优选地，确定逆变器的控制信号
Figure BDA0002964064450000022
经过谐波电流检测得到的控制信号为：
Figure BDA0002964064450000023
根据该控制信号，逆变器产生一个交流电压信号
Figure BDA0002964064450000024
加在变压器二次侧绕组上。正弦脉冲宽度调制(SPWM)作为电压控制的调制方式。
Figure BDA0002964064450000025
式中，KPWM是电压源型逆变器的增益。
因此，变压器二次侧等效到一次侧的电压为：
Figure BDA0002964064450000031
式中，kT表示变压器的变比。令k＝kTKPWMk1，上式可以简化表示为：
Figure BDA0002964064450000032
式中，k为可控参数，可控电压与变压器一次侧电流谐波分量
Figure BDA0002964064450000033
同频率。
优选地，确定逆变器的控制信号
Figure BDA0002964064450000034
对于非线性负载两端电压和参考电压的电压偏差的控制信号有：
Figure BDA0002964064450000035
通过正弦脉冲宽度调制SPWM生成控制信号，逆变器的输出电压的控制信号可以表示为
Figure BDA0002964064450000036
变压器二次侧电压为
Figure BDA0002964064450000037
因此，变压器二次侧电压等效到一次侧的电压为：
Figure BDA0002964064450000038
通过调节电压比例系数k2，实现变压器一次侧电压连续可调，进而实现可补偿线路的电压功能。
优选地，确定变压器一次侧绕组的等效阻抗。
根据变压器等效电路可知，变压器的电压方程可以表示为：
Figure BDA0002964064450000039
Figure BDA00029640644500000310
Figure BDA00029640644500000311
将该变压器电压方程带入变压器的电压控制方程中，可以推导得到：
Figure BDA00029640644500000312
Figure BDA00029640644500000313
所以，变压器一次侧绕组和二次侧绕组的等效阻抗可以表示为：
Figure BDA0002964064450000041
Figure BDA0002964064450000042
从变压器一次侧的等效阻抗表达式可以可知，通过调节可控参数α、β，变压器一次侧阻抗ZAX是可控的，并且该可控阻抗几乎不产生谐波，值得注意的是，通过调节可控参数α、β，该阻抗具有四象限连续可调的特性。
进一步地，由于变压器一次侧漏抗Z1和换算后二次侧漏抗Z′2是远小于变压器的励磁阻抗Zm(Z1＜＜Zm，Z′2＜＜Zm)，漏抗在分析时可以忽略掉，可以将变压器一次侧绕组的等效阻抗ZAX进一步简化为：
Figure BDA0002964064450000043
简化后的变压器一次侧绕组的等效阻抗ZAX含有两个可控参数α、β。
优选地，通过设置比例控制系数α和正交控制系数β的值且满足系统稳定性条件后，可以调节可调阻抗器中变压器一次侧绕组等效阻抗，实现该阻抗的四象限连续无级可调。
本发明另一方面提供了一种电能质量的复合控制方法，其特征在于，对电力输送配电系统中使用上述的复合控制型电能质量控制器，通过调节变压器一次侧绕组的等效阻抗，改变所述复合控制型电能质量控制器对系统呈现阻抗的大小，调节电能质量中的电压波动。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
(1)相对于传统可调电抗器而言，本发明提出的一种复合控制型电能质量控制器在设定特定控制参数后，能够实现变压器一次侧绕组的等效阻抗的四象限且连续无级调节，且几乎不会给电力系统带来谐波污染。
(2)相对于传统可调电抗器而言，本发明提出的一种复合控制型电能质量控制器在设定特定控制参数后，能够实现变压器一次侧绕组电压连续调节，能够对电压进行补偿，实现对电压升降进行补偿的作用。
附图说明
图1为本发明实施例提供的电能质量控制器电路拓扑示意图；
图2为本发明实施例提供的变压器T型等效电路图；
图3为本发明实施例提供的等幅移相电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目标、技术方案和优点更加清晰明了，下面结合说明书附图，对本发明实施例进一步详细说明。需要说明，此处的实施实例仅解释此发明，但并不限于本发明。
图1所示为本发明提供的复合控制型电能质量控制器的电路拓扑框图。本发明的电能质量控制器包括：变压器1、无源滤波器2、控制系统3和逆变器4。控制系统3中包括：谐波电流检测单元3-1、电压偏差检测单元3-2、信号叠加单元3-3和控制信号生成单元3-4。图2所示为变压器T型等效电路图。
如图1和2所示，Udc代表逆变器直流侧电压；U1、U2'分别表示变压器的一次侧端口AX和二次侧端口ax电压；I1、I2'表示变压器一次侧绕组和二次侧绕组流过的电流；变压器1，一次侧绕组的等效阻抗会呈现四象限连续无级可调的阻抗。具体地，变压器1AX表示一次侧绕组端口，ax表示变压器二次侧绕组端口。变压器1二次侧绕组端口ax会因逆变器加在上面电压，而使变压器一次侧绕组的等效阻抗呈现出四象限可调阻抗的特性。
无源滤波器2，由滤波电感L3和滤波电容C3组成。根据实际谐波污染和滤波等情况需求，配置单调谐无源滤波支路。本实施例中只给出了单相电力系统中三次单调谐无源滤波器，三相系统中一般可配置五、七次或更高次单调谐无源滤波器。
控制系统3，用于生成逆变器的控制信号，产生相应的SPWM脉冲信号来驱动控制逆变器。
逆变器4，将三角波作为载波信号，利用正弦脉冲宽度调制SPWM调制方式，控制逆变器产生交流电压信号。对于逆变器直流侧电压Udc而言，提供方式主要由以下三种：(1)蓄电池供电；(2)直流侧并联电容器，控制逆变器以吸收系统有功功率来维持直流侧电容电压的稳定；(3)直接从电力系统整流后得到稳定直流电压。
电流检测单元3-1用于检测变压器一次侧绕组的谐波电流信号，等幅移相器电路如图3所示，其中W1为可调移相电阻器，Ca为移相电容器，Ra为跟随电阻。等幅移相电路的传递函数为：
Figure BDA0002964064450000061
幅值增益和移相角为：
Figure BDA0002964064450000062
由该式可知，幅值放大倍数为1；相移角度与W1、Ca相关。由于电位计调节比调节电容的大小更加简单，所以相移角度可以通过改变电位计W1的值，从0°到180°进行调节。当相移条件满足2πfW1Ca＝1时，延时角度是90°。至此，移相电路器完成了输入信号的等幅值且滞后90°的移相。
正弦脉冲宽度调制(SPWM)作为调制方式，逆变器的传递函数为：
Figure BDA0002964064450000063
式中，KPWM是电压源型逆变器的增益，TPWM表示电压源型逆变器的延时时间。在稳态分析中，电压源型逆变器传递函数中的小惯性环节
Figure BDA0002964064450000064
可以被忽略。另外，增益KPWM可以写成Ud/UΔ，UΔ是调制波中三角波的幅值。所以逆变器的输出电压信号可以表示为：
Figure BDA00029640644500000710
由此，变压器二次侧等效到一次侧的电压为：
Figure BDA0002964064450000071
根据变压器等效电路可知，变压器的电压方程可以表示为
Figure BDA0002964064450000072
Figure BDA0002964064450000073
Figure BDA0002964064450000074
将该变压器电压方程带入变压器的电压控制方程中，可以推导得到
Figure BDA0002964064450000075
Figure BDA0002964064450000076
其中，变压器一次侧绕组和二次侧绕组的等效阻抗可以表示为：
Figure BDA0002964064450000077
Figure BDA0002964064450000078
从变压器一次侧绕组的等效阻抗表达式可以可知，通过调节可控参数α、β，变压器一次侧阻抗ZAX是可控的，并且该可控阻抗几乎不产生谐波，控制方案是十分简单的。值得注意的是，通过调节可控参数α、β，该阻抗具有四象限连续可调的特性。
进一步地，由于变压器一次侧漏抗Z1和换算后二次侧漏抗Z′2是远小于变压器的励磁阻抗Zm，漏抗可以忽略掉，可以将阻抗ZAX进一步简化为：
Figure BDA0002964064450000079
简化后的变压器一次侧绕组的等效阻抗ZAX含有两个可控参数α、β。在不同α、β取值情况下，ZAX呈现出不同的阻抗特性。
将非线性负载两端的电压偏差信号的相位与电源电压的相位保持一致，电压偏差信号经过放大后，通过逆变器输出的电压(变压器二次侧电压)等效到一次侧的电压为：
Figure BDA0002964064450000081
通过调节比例系数k2，可以实现变压器一次侧电压连续可调，进而实现可补偿线路的电压功能。
变压器1、逆变器2以及控制系统3和和逆变器4组成了复合控制型电能质量控制器。针对该复合控制型电能质量控制器，本发明提供以下应用场景：
该装置串接在系统电源和非线性负载之间，工作时通过检测流过变压器一次侧的谐波电流和电压偏差信号将谐波电流信号和电压偏差信号叠加作为逆变器的控制信号，并采用SPWM控制策略，使得逆变器输出交流电压信号，并将该交流电压信号加在带气隙变压器的二次侧绕组两端，变压器双边励磁，其一次侧绕组的等效阻抗呈现为四象限连续无级调节的可变阻抗，变压器一次侧电压呈现连续可调，可以起到隔离谐波和补偿电压的功能等。
本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种复合控制型电能质量控制器，其特征在于，包括：变压器(1)、无源滤波器(2)、控制系统(3)和逆变器(4)；
所述变压器(1)的一次侧绕组串联在电源和非线性负载之间，与电源和非线性负载构成回路；所述变压器(1)的二次侧绕组与逆变器(4)的输出端并联；
所述无源滤波器(2)与非线性负载并联，用于提供谐波电流的低阻抗通路；
所述控制系统(3)用于控制检测到的所述变压器(1)一次侧绕组的谐波电流信号和非线性负载的电压偏差信号，生成控制信号，将控制信号输入逆变器(4)；
所述逆变器(4)受控制系统(3)的控制，用于生成与所述控制系统(3)的控制信号同频率的交流电压信号。
2.根据权利要求1所述的复合控制型电能质量控制器，其特征在于，所述控制系统(3)包括：谐波电流检测单元(3-1)、电压偏差检测单元(3-2)、信号叠加单元(3-3)和控制信号生成单元(3-4)；所述谐波电流检测单元(3-1)和电压偏差检测单元(3-2)的输出端与所述信号叠加单元(3-3)的输入端相连，所述信号叠加单元(3-3)的输出端与所述控制信号生成单元(3-4)的输入端相连；
所述谐波电流检测环节(3-1)用于检测流过所述变压器(1)一次侧绕组的谐波电流信号；
所述电压偏差检测单元(3-2)用于检测非线性负载两端的电压信号和参考电压的电压偏差信号，再乘以控制系数，电压偏差信号的相位通过锁相环始终与电源电压的相位保持一致；
所述信号叠加单元(3-3)用于将检测到的流过所述变压器(1)的一次侧绕组的谐波电流信号和电压偏差检测单元(3-2)检测到的电压偏差信号叠加；
所述控制信号生成单元(3-4)用于通过SPWM控制生成逆变器的控制信号。
3.如权利要求2所述的复合控制型电能质量控制器，其特征在于，所述控制系统的控制信号
Figure FDA0002964064440000021
用公式表示如下：
Figure FDA0002964064440000022
Figure FDA0002964064440000023
Figure FDA0002964064440000024
ΔU＝|Uref-UL|
式中，k1表示谐波抑制控制系数，k2表示电压偏差控制系数，
Figure FDA0002964064440000025
为变压器一次侧绕组的谐波电流信号，
Figure FDA0002964064440000026
为电压偏差检测单元得到的电压偏差信号，ΔU为
Figure FDA0002964064440000027
的幅值，Uref为预设的220v参考电压，UL为非线性负载两端的电压。
4.如权利要求3所述的复合控制型电能质量控制器，其特征在于，变压器的电压方程为：
Figure FDA0002964064440000028
Figure FDA0002964064440000029
逆变器交流侧输出控制电压方程为：
Figure FDA00029640644400000210
式中，Z1表示变压器一次侧绕组漏电抗，Zm表示变压器励磁电抗，Z2′表示换算到变压器一次侧的二次侧绕组漏电抗，
Figure FDA00029640644400000211
分别为变压器一次侧绕组端口电压和换算到变压器一次侧的二次侧绕组端口电压；
Figure FDA00029640644400000212
分别为一次侧绕组电流和换算到变压器一次侧的二次侧绕组电流，α表示比例控制系数，β表示正交控制系数；
联立变压器的电压方程和逆变器交流侧输出控制电压方程，变压器一次侧绕组的等效阻抗表示为：
Figure FDA0002964064440000031
式中，通过调节可控参数α、β，变压器一次侧阻抗ZAX实现可控；
当Z1＜＜Zm，Z′2＜＜Zm时，变压器一次侧绕组的等效阻抗ZAX进一步简化为：
Figure FDA0002964064440000032
简化后的变压器一次侧绕组的等效阻抗ZAX含有两个可控参数α、β。
5.如权利要求4所述的复合控制型电能质量控制器，其特征在于，若α≥0，β≤0时，一次侧绕组阻抗ZAX表现为正电阻+感性电抗；若α≥0，β＞0时，阻抗ZAX表现为正电阻+容性电抗；若α＜0，β＜0时，阻抗ZAX表现为负电阻+感性电抗；若α＜0，β≥0时，阻抗ZAX表现为负电阻+容性电抗。
6.如权利要求4或5所述的复合控制型电能质量控制器，其特征在于，变压器一次侧绕组的等效阻抗发挥谐波隔离作用，且自身不产生谐波，同时一次侧绕组等效为可控电压源补偿系统的电压偏差。
7.一种电能质量的复合控制方法，其特征在于，对电力输送配电系统中使用权利要求1至6任一项所述的复合控制型电能质量控制器，通过调节变压器一次侧绕组的等效阻抗，改变所述复合控制型电能质量控制器对系统呈现阻抗的大小，调节电能质量中的电压波动。
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