CN113452067B - 一种电能质量调节装置及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电能质量调节技术领域，特别涉及一种电能质量调节装置及控制方法，该装置分别与电网侧三相电路依次连接的第一、第二、第三隔离开关、第一、第二、第三断路器和第一、第二、第三电抗器，分别与第一、第二、第三电抗器连接的第一、第二、第三柔性电能变换装置，第一、第二、第三柔性电能变换装置相互连接于中性点；各柔性电能变换装置包括n组级联全桥式逆变单元，n为正整数；每组全桥逆变单元包括四个IGBT，每个IGBT反并联一个二极管；每组全桥逆变单元依次连接有直流母线电容、切换开关和后备储能系统。该装置可以实现一机多能，可同时完成光伏并网、电压暂降平抑、谐波治理和无功补偿的功能。提高了用电效率，节省生产成本。

Description

一种电能质量调节装置及控制方法
技术领域
本发明属于电能质量调节技术领域，特别涉及一种电能质量调节装置及控制方法。
背景技术
随着大量新能源电站并网以及非常规用电负荷接入，其对电网的电能质量造成了巨大冲击。就目前来看，无论SVC、TCSC还是SVG，都存在拓扑结构固化、应用功能有限、治理电压暂降失效等问题。
近十年来，为解决这些难题，国内外已逐步开展利用光伏发电及其他储能装置进行电能质量调节的研究并取得了一些成果。结合现状，开展基于光伏发电系统的柔性电能变换装置正当其时。
将太阳能微电网与APF、SVG等电能调节装置进行有机结合，通过拓扑结构柔性化，控制功能复合化，场景识别智能化等关键技术实现“一机多能”、“扬长避短”，既能实现光伏并网发电，又能进行电压暂降补偿，同时兼顾谐波治理与无功补偿。
发明内容
本发明的目的是对包含太阳能微电网供储能环节的柔性电能变换装置进行研究，提供一种电能质量调节装置及控制方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种电能质量调节装置，包括电网侧三相电路；还包括分别与电网侧三相电路依次连接的第一、第二、第三隔离开关、第一、第二、第三断路器和第一、第二、第三电抗器，分别与第一、第二、第三电抗器连接的第一、第二、第三柔性电能变换装置，第一、第二、第三柔性电能变换装置相互连接于中性点；各柔性电能变换装置包括n组级联全桥式逆变单元，n为正整数；每组全桥逆变单元包括四个IGBT，每个IGBT反并联一个二极管；每组全桥逆变单元依次连接有直流母线电容、切换开关和后备储能系统。
基于电能质量调节装置的柔性控制方法，包括以下步骤：
步骤1、对电网侧电压、电流进行检测与计算；
步骤2、通过智能场景识别算法识别3种场景；场景1对应正常工作模式、场景2对应的电压暂降补偿模式、场景3对应的谐波补偿模式和无功补偿模式；
步骤3、正常工作模式下电网电压、电流均在预设的阈值范围内，切换开关闭合；调节装置既可对谐波、无功进行补偿，同时作为光伏发电单元的并网逆变器，对光伏发电装置采用MPPT控制，在控制模型内叠加一个指令电流，光伏发电装置经MPPT调节控制得到的指令电流，在电压调节环节之后加入；
步骤4、电压暂降补偿模式下电网电压下降超过阈值，切换开关闭合，光伏发电单元向直流母线电容供能，调节装置对电网电压进行补偿；采用电压暂降补偿算法将电网电压与逆变器输出电压之间的相位差通过MPPT算法调节间接控制有功电流的注入，电网电压与逆变器输出电压的幅值差确定无功功率的传递方向与大小，最后由重复控制算法生成叠加指令值；
步骤5、谐波补偿模式和无功补偿模式下若电网谐波和无功含量未超过预设的阈值，切换开关保持闭合，调节装置采用复合补偿算法对谐波、无功进行补偿，同时并网发电；若电网谐波和无功含量超过预设的阈值，切换开关分断，调节装置采用重点补偿算法对谐波、无功进行补偿。
在上述基于电能质量调节装置的柔性控制方法中，步骤2所述智能场景识别算法采用基于实时电气参数检测的智能场景识别算法，其进行识别的优选级排序依次为：电压暂降补偿场景、谐波补偿场景和无功补偿场景；具体步骤如下：
步骤2.1、检测电网电压下降是否超过阈值，如果没有超过，则检测谐波含量是否超过阈值，如果没有超过，则检测功率因数是否超过阈值，如果没有超过，则工作于正常工作场景；
步骤2.2、检测电网电压下降超过阈值，则开始进行时间累计；如果补偿电压下降时间超过阈值，调节装置报警并进行处理；如果补偿电压下降时间没有超过阈值，则工作在电压暂降补偿场景；
步骤2.3、检测电网电压下降没有超过阈值，但谐波含量超过阈值1，则开始进行时间累计；如果消除谐波时间超过阈值，则工作在谐波重点补偿场景；如果消除谐波时间没有超过阈值，则再次检测谐波含量是否超过阈值2，如果没有超过，则工作在谐波复合补偿场景；如果谐波含量超过阈值2，则再次进行时间累计；如果消除谐波时间没有超过阈值，则工作在谐波重点补偿场景；如果消除谐波时间超过阈值，调节装置报警并进行处理；
步骤2.4、检测电网电压下降没有超过阈值，谐波含量没有超过阈值1，但功率因数超过阈值1，则开始进行时间累计；如果功率因数时间超过阈值1，则工作在无功重点补偿场景；如果功率因数时间没有超过阈值1，则再次检测功率因数是否超过阈值2，如果没有超过，则工作在无功复合补偿场景，如果功率因数超过阈值2，则再次进行时间累计，检测功率因数时间是否超过阈值2，如果超过，识别装置报警并进行处理，如果没有超过，则工作在无功重点补偿场景。
基于电能质量调节装置智能场景识别的柔性补偿方法，该方法基于目标最优理论对各补偿电流进行柔性分配；具体步骤如下：
S1.根据智能场景识别算法识别场景补偿的优选级；
S2.识别是否优先补偿谐波；如果优先补偿谐波，根据
Figure BDA0003125997510000031
进行补偿，其中
Figure BDA0003125997510000032
为补偿总电流向量；kh为谐波补偿系数，
Figure BDA0003125997510000033
谐波补偿电流向量；kv为无功补偿系数，
Figure BDA0003125997510000034
为无功补偿电流向量；kd为电压补偿系数，
Figure BDA0003125997510000035
为电压补偿电流向量；kh、kv、kd的取值范围为[0,1]；令kh＝1，kd的取值在[0,1]范围内变化，求出最优kv；否则进行S3；
S3.识别是否优先补偿无功；如果优先补偿无功，则根据
Figure BDA0003125997510000036
进行补偿，其中
Figure BDA0003125997510000037
为补偿总电流向量；kh为谐波补偿系数，
Figure BDA0003125997510000038
为谐波补偿电流向量；kv为无功补偿系数，
Figure BDA0003125997510000039
为无功补偿电流向量；kd为电压补偿系数，
Figure BDA00031259975100000310
为电压补偿电流向量；kh、kv、kd的取值范围为[0,1]；令kv＝1，kd的取值在[0,1]范围内变化，求出最优kh；否则进行S4；
S4.识别是否优先补偿电压暂降；如果优先补偿电压暂降，则根据
Figure BDA00031259975100000311
进行补偿，其中
Figure BDA00031259975100000312
为补偿总电流向量；kh为谐波补偿系数，
Figure BDA00031259975100000313
为谐波补偿电流向量；kv为无功补偿系数，
Figure BDA00031259975100000314
为无功补偿电流向量；kd为电压补偿系数，
Figure BDA00031259975100000315
为电压补偿电流向量；kh、kv、kd的取值范围为[0,1]；令kd＝1，kv的取值在[0,1]范围内变化，求出最优kd；否则进行S1；
S5.输出最优kv、kh和kd。
与现有技术相比，本发明对无功、谐波、失衡、电压暂降等问题进行综合治理，可以实现一机多能，通过硬件耦合方式及软件功能模块的柔性可重构，并融合智能场景识别算法和柔性补偿算法，使本发明调节装置可同时完成光伏并网、电压暂降平抑、谐波治理和无功补偿的功能。从而提高用电效率，节省生产成本。
附图说明
图1为本发明一个实施例柔性电能变换装置拓扑图；
图2为本发明一个实施例2H桥式逆变单元结构框图；
图3为本发明一个实施例柔性拓扑变换控制算法原理图；
图4为本发明一个实施例智能场景识别算法的基本流程示意图；
图5为本发明一个实施例电流向量图；
图6为本发明一个实施例柔性补偿算法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
1、软硬件柔性可重构；
本实施例一种电能质量调节装置，拓扑结构如图1所示。采用了模块化设计思路，其中：usu、usv、usw为网侧三相输入电压，网侧频率为50Hz；U、V、W三相电路中每相都接入隔离开关和断路器；uu、uv、uw和iu、iv、iw为三相电路中每相级联的输出电压和补偿电流；Lu、Lv、Lw为三相电路中每相的连接电感；Cu为直流母线电容；K为切换开关；BBU为后备储能系统。
图1中柔性电能调节装置由n个级联全桥逆变单元构成，每个全桥逆变单元由四组IGBT反并联二极管连接而成。相比传统的全桥级联结构，在每1个级联全桥逆变单元增加了1套切换开关K和1组后备储能系统，(简称BBU)，从而实现硬件拓扑结构的不同组合方式。每个全桥逆变单元如图2所示。
本实施例的BBU采用太阳能微电网供储能环节。在接入光伏发电单元后，其切换控制是决定装置性能的一个重要因素。采用的控制方案如图3所示。
从图3可知，本实施例调节装置可划分为3种场景或者4种工作模式。分别是：场景1、场景2、场景3或正常工作模式、电压暂降补偿模式、谐波补偿模式、无功补偿模式。
1)场景1：正常工作模式：
此时电网电压、电流等参数均在预设的阈值范围内，系统进入正常工作模式，切换开关K闭合，装置既可对谐波、无功等进行补偿，亦可同时作为光伏发电单元的并网逆变器，此时对光伏发电装置采用MPPT控制，其等效为在控制模型内叠加一个指令电流，光伏发电装置经MPPT调节控制得到的指令电流仅影响有功分量，且其在电压调节环节之后加入，不会对谐波、无功以及母线电压调节产生不利影响。
2)场景2：电压暂降补偿模式：
此时电网电压下降超过阈值，切换开关K闭合，光伏发电单元向直流母线电容供能，装置对电网电压进行补偿；本实施例提出一种主要应对中小功率场合的电压暂降补偿算法，其以补偿电压暂降为主要目的，同时兼顾谐波治理功能。
主要过程是电网电压与逆变器输出电压之间的相位差通过MPPT算法调节从而间接控制有功电流的注入，两者的幅值差则决定了无功功率的传递方向与大小，最后由重复控制算法生成叠加指令值。
3)场景3：谐波和无功补偿模式：
此时电网谐波和无功较大，若其含量未超过预设的阈值，开关K仍可保持闭合，系统采用复合补偿算法，既可对谐波、无功等进行补偿，同时仍可并网发电；若其含量已超过预设的阈值，将开关分断，系统采用重点补偿算法，快速对谐波、无功等进行补偿。
在复合补偿模式下，光伏发电装置仍投入使用，但MPPT调节需做优化，例如采用变步长等方式来减少对接入处谐波/无功的影响，但该算法会使控制系统负荷增大，需在后续研究中进一步进行优化。
在重点补偿模式下，可以根据谐波实际含量及补偿需求自动调整相关参数，达到补偿目标。
2、智能场景识别算法；
通过上述软硬件柔性可重构技术，可以实现“一机多能”，使得调节装置可以工作在不同的场景或模式下。在实际工作中，不同的工作场景如居民区、工厂、地铁等其电气参数不同，要求的补偿方式也不尽相同，因此本实施例提出了一种基于实时电气参数检测的智能场景识别算法，使得识别装置可以自动识别不同的工作场景并自动切换至最合适的工作模式，实现较好的补偿效果。该智能场景识别算法的流程图如图4所示，其工作流程如下：
①检测电压下降是否超过阈值，如果没有超过，则检测谐波含量是否超过阈值，如果没有超过，则检测功率因数是否超过阈值，如果没有超过，则工作在正常工作场景；
②如果检测电压下降超过阈值，则开始进行时间累计，如果补偿电压下降时间超过阈值，则装置会报警并进行相关处理，如果补偿电压下降时间没有超过阈值，则工作在电压暂降补偿场景；
③如果检测电压下降没有超过阈值，但谐波含量超过阈值1，则开始进行时间累计，如果消除谐波时间超过阈值，则工作在谐波重点补偿场景，如果消除谐波时间没有超过阈值，则再次检测谐波含量是否超过阈值2，如果没有超过，则工作在谐波复合补偿场景，如果谐波含量超过阈值2，则再次进行时间累计，如果消除谐波时间没有超过阈值，则工作在谐波重点补偿场景，如果消除谐波时间超过阈值，则装置会报警并进行相关处理；
④如果检测电压下降没有超过阈值，谐波含量没有超过阈值1，但功率因数超过阈值1，则开始进行时间累计，如果功率因数时间超过阈值1，则工作在无功重点补偿场景，如果功率因数时间没有超过阈值1，则再次检测功率因数是否超过阈值2，如果没有超过，则工作在无功复合补偿场景，如果功率因数超过阈值2，则再次进行时间累计，再次检测功率因数时间是否超过阈值2，如果超过，则装置会报警并进行相关处理，如果没有超过，则工作在无功重点补偿场景。
从图4中可以看出，本实施例识别装置在进行场景识别时有优先级排序，其顺序为先是电压暂降补偿场景，然后是谐波补偿场景，最后是无功补偿场景。
在实际生产活动中，除上述基本规则外，还要结合用户的具体需求进行适当调整，这就要求在软件设计过程中也采用“柔性可重构”的思路，用户可以根据自己要求对场景的优先级和识别结构进行组合搭配。对于本识别装置而言，“硬件拓扑柔性可变换”与“软件功能柔性可重构”结合起来，为“一机多能”，高效低成本的解决多种电能智能问题奠定了基础。
3、柔性补偿算法；
通过上述软硬件结构柔性可变技术和智能场景识别算法，可以实现“一机多能”。但受到开关器件性能如最大工作电流等的限制，实际识别装置的输出功率(电流)是有限的，因此可能无法实现所有补偿目标最大化。为此，本实施例提出了一种适用于智能场景识别的柔性补偿算法，基于目标最优理论对各补偿电流进行柔性分配。
假设补偿的公式为：
Figure BDA0003125997510000071
其中
Figure BDA0003125997510000072
为补偿总电流向量；kh为谐波补偿系数，
Figure BDA0003125997510000073
为谐波补偿电流向量；kv为无功补偿系数，
Figure BDA0003125997510000074
为无功补偿电流向量；kd为电压补偿系数，
Figure BDA0003125997510000075
为电压补偿电流向量。kh、kv、kd的取值范围为[0,1]。随着补偿系数的改变，电流向量的大小和方向也是在不断改变的，电流向量图如图5所示。
根据智能场景识别算法，对场景进行识别出补偿的优先级，如果该场景对谐波补偿级别较高，则按kh＝1，kd的取值在[0,1]范围内变化，求出最优kv；如果该场景对无功补偿级别较高，则按kv＝1，kd的取值在[0,1]范围内变化，求出最优kh；如果该场景对电压补偿级别较高，则按kd＝1，kv的取值在[0,1]范围内变化，求出最优kd。
该柔性补偿算法的流程图如下图6所示：一种适用于智能场景识别的柔性补偿算法包括以下步骤：
⑴根据智能场景识别算法识别场景补偿的优选级；
⑵识别是否优先补偿谐波；如果优先补偿谐波，根据
Figure BDA0003125997510000076
进行补偿，其中
Figure BDA0003125997510000077
为补偿总电流向量；kh为谐波补偿系数，
Figure BDA0003125997510000078
为谐波补偿电流向量；kv为无功补偿系数，
Figure BDA0003125997510000079
为无功补偿电流向量；kd为电压补偿系数，
Figure BDA00031259975100000710
为电压补偿电流向量；kh、kv、kd的取值范围为[0,1]；令kh＝1，kd的取值在[0,1]范围内变化，求出最优kv；否则进行S3；
⑶识别是否优先补偿无功；如果优先补偿无功，则根据
Figure BDA0003125997510000081
进行补偿，其中
Figure BDA0003125997510000082
为补偿总电流向量；kh为谐波补偿系数，
Figure BDA0003125997510000083
为谐波补偿电流向量；kv为无功补偿系数，
Figure BDA0003125997510000084
为无功补偿电流向量；kd为电压补偿系数，
Figure BDA0003125997510000085
为电压补偿电流向量；kh、kv、kd的取值范围为[0,1]；令kv＝1，kd的取值在[0,1]范围内变化，求出最优kh；否则进行S4；
⑷识别是否优先补偿电压暂降；如果优先补偿电压暂降，则根据
Figure BDA0003125997510000086
进行补偿，其中
Figure BDA0003125997510000087
为补偿总电流向量；kh为谐波补偿系数，
Figure BDA0003125997510000088
为谐波补偿电流向量；kv为无功补偿系数，
Figure BDA0003125997510000089
为无功补偿电流向量；kd为电压补偿系数，
Figure BDA00031259975100000810
为电压补偿电流向量；kh、kv、kd的取值范围为[0,1]；令kd＝1，kv的取值在[0,1]范围内变化，求出最优kd；否则进行S1；
⑸输出最优kv、kh和kd。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种电能质量调节装置的柔性控制方法，该装置包括电网侧三相电路；其特征在于：还包括分别与电网侧三相电路依次连接的第一、第二、第三隔离开关、第一、第二、第三断路器和第一、第二、第三电抗器，分别与第一、第二、第三电抗器连接的第一、第二、第三柔性电能变换装置，第一、第二、第三柔性电能变换装置相互连接于中性点；各柔性电能变换装置包括n组级联全桥式逆变单元，n为正整数；每组全桥逆变单元包括四个IGBT，每个IGBT反并联一个二极管；每组全桥逆变单元依次连接有直流母线电容、切换开关和后备储能系统；其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、对电网侧电压、电流进行检测与计算；
步骤2、通过智能场景识别算法识别3种场景；场景1对应正常工作模式、场景2对应的电压暂降补偿模式、场景3对应的谐波补偿模式和无功补偿模式；
步骤3、正常工作模式下电网电压、电流均在预设的阈值范围内，切换开关闭合；调节装置既可对谐波、无功进行补偿，同时作为光伏发电单元的并网逆变器，对光伏发电装置采用MPPT控制，在控制模型内叠加一个指令电流，光伏发电装置经MPPT调节控制得到的指令电流，在电压调节环节之后加入；
步骤4、电压暂降补偿模式下电网电压下降超过阈值，切换开关闭合，光伏发电单元向直流母线电容供能，调节装置对电网电压进行补偿；采用电压暂降补偿算法将电网电压与逆变器输出电压之间的相位差通过MPPT算法调节间接控制有功电流的注入，电网电压与逆变器输出电压的幅值差确定无功功率的传递方向与大小，最后由重复控制算法生成叠加指令值；
步骤5、谐波补偿模式和无功补偿模式下若电网谐波和无功含量未超过预设的阈值，切换开关保持闭合，调节装置采用复合补偿算法对谐波、无功进行补偿，同时并网发电；若电网谐波和无功含量超过预设的阈值，切换开关分断，调节装置采用重点补偿算法对谐波、无功进行补偿。
2.根据权利要求1所述电能质量调节装置的柔性控制方法，其特征在于：步骤2所述智能场景识别算法采用基于实时电气参数检测的智能场景识别算法，其进行识别的优选级排序依次为：电压暂降补偿场景、谐波补偿场景和无功补偿场景；具体步骤如下：
步骤2.1、检测电网电压下降是否超过阈值，如果没有超过，则检测谐波含量是否超过阈值，如果没有超过，则检测功率因数是否超过阈值，如果没有超过，则工作于正常工作场景；
步骤2.2、检测电网电压下降超过阈值，则开始进行时间累计；如果补偿电压下降时间超过阈值，调节装置报警并进行处理；如果补偿电压下降时间没有超过阈值，则工作在电压暂降补偿场景；
步骤2.3、检测电网电压下降没有超过阈值，但谐波含量超过阈值1，则开始进行时间累计；如果消除谐波时间超过阈值，则工作在谐波重点补偿场景；如果消除谐波时间没有超过阈值，则再次检测谐波含量是否超过阈值2，如果没有超过，则工作在谐波复合补偿场景；如果谐波含量超过阈值2，则再次进行时间累计；如果消除谐波时间没有超过阈值，则工作在谐波重点补偿场景；如果消除谐波时间超过阈值，调节装置报警并进行处理；
步骤2.4、检测电网电压下降没有超过阈值，谐波含量没有超过阈值1，但功率因数超过阈值1，则开始进行时间累计；如果功率因数时间超过阈值1，则工作在无功重点补偿场景；如果功率因数时间没有超过阈值1，则再次检测功率因数是否超过阈值2，如果没有超过，则工作在无功复合补偿场景，如果功率因数超过阈值2，则再次进行时间累计，检测功率因数时间是否超过阈值2，如果超过，识别装置报警并进行处理，如果没有超过，则工作在无功重点补偿场景。
3.一种电能质量调节装置智能场景识别的柔性补偿方法，该装置包括电网侧三相电路；还包括分别与电网侧三相电路依次连接的第一、第二、第三隔离开关、第一、第二、第三断路器和第一、第二、第三电抗器，分别与第一、第二、第三电抗器连接的第一、第二、第三柔性电能变换装置，第一、第二、第三柔性电能变换装置相互连接于中性点；各柔性电能变换装置包括n组级联全桥式逆变单元，n为正整数；每组全桥逆变单元包括四个IGBT，每个IGBT反并联一个二极管；每组全桥逆变单元依次连接有直流母线电容、切换开关和光伏发电单元；其特征在于：该方法基于目标最优理论对各补偿电流进行柔性分配；具体步骤如下：
S1.根据智能场景识别算法识别场景补偿的优选级；
S2.识别是否优先补偿谐波；如果优先补偿谐波，根据
Figure FDA0003658448770000021
进行补偿，其中
Figure FDA0003658448770000022
为补偿总电流向量；kh为谐波补偿系数，
Figure FDA0003658448770000023
为谐波补偿电流向量；kv为无功补偿系数，
Figure FDA0003658448770000024
为无功补偿电流向量；kd为电压补偿系数，
Figure FDA0003658448770000025
为电压补偿电流向量；kh、kv、kd的取值范围为[0,1]；令kh＝1，kd的取值在[0,1]范围内变化，求出最优kv；否则进行S3；
S3.识别是否优先补偿无功；如果优先补偿无功，则根据
Figure FDA0003658448770000026
进行补偿，其中
Figure FDA0003658448770000027
为补偿总电流向量；kh为谐波补偿系数，
Figure FDA0003658448770000028
为谐波补偿电流向量；kv为无功补偿系数，
Figure FDA0003658448770000031
为无功补偿电流向量；kd为电压补偿系数，
Figure FDA0003658448770000032
为电压补偿电流向量；kh、kv、kd的取值范围为[0,1]；令kv＝1，kd的取值在[0,1]范围内变化，求出最优kh；否则进行S4；
S4.识别是否优先补偿电压暂降；如果优先补偿电压暂降，根据
Figure FDA0003658448770000033
进行补偿，其中
Figure FDA0003658448770000034
为补偿总电流向量；kh为谐波补偿系数，
Figure FDA0003658448770000035
为谐波补偿电流向量；kv为无功补偿系数，
Figure FDA0003658448770000036
为无功补偿电流向量；kd为电压补偿系数，
Figure FDA0003658448770000037
为电压补偿电流向量；kh、kv、kd的取值范围为[0,1]；令kd＝1，kv的取值在[0,1]范围内变化，求出最优kd；否则进行S1；
S5.输出最优kv、kh和kd。
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