CN114156897A - 一种电能质量综合调节控制系统及控制方法 - Google Patents

一种电能质量综合调节控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种电能质量综合调节控制系统及控制方法，其中，包括：顺序电连接的整流模块、逆变模块和负载，所述整流模块的交流侧与电网电连接；分别与所述整流模块、所述逆变模块和所述负载电连接的控制器，所述控制器用于采集电网电压，在判定所述电网电压超出电压设定范围时，还采集负载输入电压、负载电流和逆变器输出电流，并进行处理得到逆变驱动信号，以控制所述逆变模块工作，给所述负载提供稳定的目标电压，以解决电网电能质量差、电压不稳定导致负载无法正常工作的问题，实现保证负载安全可靠地稳定运行，避免负载受电网电压波动的影响而发生损坏。

Description

一种电能质量综合调节控制系统及控制方法
技术领域
本发明实施例涉及电能质量治理技术领域，尤其涉及一种电能质量综合调节控制系统及控制方法。
背景技术
目前，随着经济的快速发展和居民生活水平的提高，农村、城中村和城乡结合部的用电负荷激增，配电网网架薄弱发展缓慢，导致农村配电网的供电能力与用电负荷需求之间的矛盾越来越严重，导致的结果就是用户侧的电能质量很差，低电压问题频出，直接影响用户正常用电，同时给用户的设备带来安全隐患，用户的用电体验极差。
发明内容
本发明实施例提供了一种电能质量综合调节控制系统及控制方法，以解决电网电能质量差、电压不稳定导致负载无法正常工作的问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种电能质量综合调节控制系统，包括：
顺序电连接的整流模块、逆变模块和负载，所述整流模块的交流侧与电网电连接；
分别与所述整流模块、所述逆变模块和所述负载电连接的控制器，所述控制器用于采集电网电压，在判定所述电网电压超出电压设定范围时，还采集负载输入电压、负载电流和逆变器输出电流，并进行处理得到逆变驱动信号，以控制所述逆变模块工作，给所述负载提供稳定的目标电压。
第二方面，本发明实施例提供了一种电能质量综合调节控制方法，由第一方面所述的控制器执行，该控制方法包括：
采集电网电压，并在判定所述电网电压超出电压设定范围时，再采集负载输入电压、负载电流和逆变器输出电流；
对所述负载输入电压、负载电流和逆变器输出电流进行处理，得到逆变驱动信号，以控制所述逆变模块工作，给所述负载提供稳定的目标电压。
本实施例，通过实时采集电网电压，并将电网电压与预设的电压设定范围进行比较，如此，在判定电网电压超出电压设定范围后，通过采集负载输入电压、负载电流和逆变器输出电流进行控制得到逆变驱动信号，进而控制逆变模块工作并输出稳定的目标电压，并提供给负载，如此，实现了对电网电压的调压控制，保证负载稳定运行，避免负载受电网电压波动的影响而发生损坏。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种电能质量综合调节控制系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种电能质量综合调节控制系统的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种电能质量综合调节控制方法的流程图；
图4为本发明实施例提供的另一种电能质量综合调节控制方法的流程图；
图5为本发明实施例提供的又一种电能质量综合调节控制方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合本发明实施例中的附图，通过具体实施方式，完整地描述本发明的技术方案。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有其他实施例，均落入本发明的保护范围之内。
图1为本发明实施例提供的一种电能质量综合调节控制系统的结构示意图，如图1所示，该控制系统包括：顺序电连接的整流模块10、逆变模块20和负载30，整流模块10的交流侧与电网电连接；分别与整流模块10、逆变模块20和负载30电连接的控制器40，控制器40用于采集电网电压ug，在判定电网电压ug超出电压设定范围时，还采集负载输入电压u0、负载电流i0和逆变器输出电流iL，并进行处理得到逆变驱动信号，以控制逆变模块20工作，给负载30提供稳定的目标电压。
其中，电压设定范围指电网电压波动的电压范围，在该电压范围内，通过该控制系统可实现稳定对电压输出，即实现调压控制。此外，目标电压指负载稳定工作时的额定电压值，对于低压负载设备，目标电压可以是220V。
具体的，参考图1所示，可以理解的，整理模块10和逆变模块20串联在电网和负载30之间，整流模块10和逆变模块20可构成一个整体的调压/调频装置。在本实施例中，控制器40实时采集电网电压ug，并根据ug可以计算出其电压幅值，进而与预设的电压设定范围进行比较，当判定电网电压ug超出电压设定范围后，整流模块10和逆变模块20开始启动运行，此时，控制器40根据采集到的电网电压控制整流模块10工作并得到直流电压，将其给作为逆变模块20的直流输入电压，并且，控制器40采集负载输入电压u0、负载电流i0和逆变器输出电流iL进行控制处理，最终得到逆变模块20的逆变驱动信号，给到逆变模块20内的开关管，以控制逆变模块20工作输出稳定的目标电压并提供给负载30，进而保证负载30稳定运行，不受电网输入电压ug变化的影响。
需要说明的是，本发明实施例中的整流模块10和逆变模块20具体采用的电路结构不做特殊限定，例如整流模块采用基于绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor，IGBT)的全控整流电路实现，逆变模块20采用三电平逆变电路实现，如此可保证逆变模块20的输出电压谐波含量低，进而保证负载30工作的稳定性和安全性。
本实施例中，通过实时采集电网电压，并将电网电压与预设的电压设定范围进行比较，如此，在判定电网电压超出电压设定范围后，通过采集负载输入电压、负载电流和逆变器输出电流进行控制得到逆变驱动信号，进而控制逆变模块工作并输出稳定的目标电压，并提供给负载，如此，实现了对电网电压的调压控制，保证负载稳定运行，避免负载受电网电压波动的影响而发生损坏。
进一步的，继续参考图1所示，该控制系统还包括第一开关单元50，第一开关单元50电连接于电网与负载30之间；第一开关单元50还与控制器40电连接；控制器40还用于在判定电网电压超出电压设定范围时，控制第一开关单元50断开，且在判定电网电压未超出电压设定范围时，控制第一开关单元50导通。
参考图1所示，第一开关单元40与整流模块10和逆变模块20构成是整体并联，可以认为第一开关单元40相当于该整体的旁路开关，当控制器40根据采集到的电网电压，并判定电网电压处于电压设定范围内时，第一开关单元处于闭合状态，如此，整流模块10和逆变模块20被旁路掉，电网直接给负载30供电，及电网电压ug＝u0，当控制器40判定电网电压超出电压设定范围内时，将会控制第一开关单元40断开，如此，整流模块10和逆变模块20串入电网和负载30之间，通过整流模块10和逆变模块20的工作，实现对电网电压的调节，保证最终给负载30提供的电压稳定在目标电压，保证负载30的稳定运行。
进一步的，继续参考图1所示，该控制系统还包括第一滤波单元60和第二滤波单元70；第一滤波单元60电连接于电网与整流模块10之间，用于对整流器的交流侧电压或电流进行滤波；第二滤波单元70电连接于逆变模块20与负载30之间，用于对逆变模块20的交流侧电压或电流进行滤波。
可以理解的，第一滤波单元60和第二滤波单元70分别设置在整流模块10和逆变模块20的交流侧，用于滤除整流模块10和逆变模块20工作时产生的高频谐波，避免影响电网电压和负载电压的稳定性。
可选的，继续参考图1所示，第一滤波单元60和第二滤波单元70包括电感L和电容C构成的LC滤波，具体的，由电感L和电容C构成的LC二阶低通滤波单元，可实现对高频谐波的滤除，且对控制系统稳定的影响较小。
可选的，图2为本发明实施例提供的另一种电能质量综合调节控制系统的结构示意图，如图2所示，控制器40包括采集单元401和运算处理单元402；采集单元401，用于采集电网电压ug、负载输入电压u0、负载电流i0和逆变器输出电流iL；运算处理单元402，用于根据获取到的电网电压ug进行判断处理，以及在判定电网电压ug超出电压设定范围时，还根据获取到的负载输入电压u0、负载电流i0和逆变器输出电流iL，进行处理得到逆变驱动信号。
可以理解的，控制器40可以是基于数字信号处理器(Digital Signal Process，DSP)和现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)进行控制实现的，此外，控制器40还包括信号采集电路及信号处理电路等。在本实施例中，采集单元401用于采集整个系统的电参数，例如电网电压ug、负载输入电压u0、负载电流i0和逆变器输出电流iL等，并进行处理(例如滤波，防止噪声干扰等)发送给运算处理单元402，如此，运算处理单元402根据获取到的电网电压ug、负载输入电压u0、负载电流i0和逆变器输出电流iL进行控制处理，并输出逆变驱动信号，进而，控制器40将逆变驱动信号给到逆变模块20，以驱动开关管的导通或关闭，使得逆变模块20工作并输出目标电压，给负载供电。
需要说明的是，运算处理单元402包括DSP，或者DSP与FPGA的组合，其DSP或FPGA的具体型号本发明实施例不做特殊限定。
基于同一构思，本发明实施例还提供了一种电能质量综合调节控制方法，有上述任一实施例中的控制器执行，图3为本发明实施例提供的一种电能质量综合调节控制方法的流程图，该控制方法包括：
S301、采集电网电压，并在判定电网电压超出电压设定范围时，再采集负载输入电压、负载电流和逆变器输出电流。
S302、对负载输入电压、负载电流和逆变器输出电流进行处理，得到逆变驱动信号，以控制逆变模块工作，给负载提供稳定的目标电压。
本实施例中，通过实时采集电网电压，并将电网电压与预设的电压设定范围进行比较，如此，在判定电网电压超出电压设定范围后，通过采集负载输入电压、负载电流和逆变器输出电流进行控制得到逆变驱动信号，进而控制逆变模块工作并输出稳定的目标电压，并提供给负载，如此，实现了对电网电压的调压控制，保证负载稳定运行，避免负载受电网电压波动的影响而发生损坏。
可选的，电压设定范围为198V～242V，目标电压为220V。
具体的，对于低电压系统，负载的供电电压一般为220V，如此，与负载直接相连接的电网电压额定值为220V，但是，由于电网系统的不稳定，电网电压会存在一定的波动，电压波动量最大为额定电压的10％，如此，电网电压波动在198V～242V范围内，可认为电网电压正常，进而要求负载在此范围内能够继续保持正常运行。进一步的，设定电压设定范围为198V～242V，目标电压为220V，如此，在检测到电网电压超过电压设定范围时，通过整流模块和逆变模块的调压，使得逆变模块最终输出电压稳定在目标电压220V，以保证负载的稳定运行。
需要说明的是，上述电压设定范围仅为判断电网电压是否正常的预设范围，对于电网电压超出此电压预设范围后，在整流模块和逆变模块正常工作实现调压控制的情况下，整流模块输入侧的异常电压范围本实施例不做特殊限定，例如在电网输入电压130V-280V的范围内，均可实现200V-235V之间任意目标电压设定值的有效输出的优良效果。
进一步可选的，图4为本发明实施例提供的另一种电能质量综合调节控制方法的流程图，如图4所示，其中，对负载输入电压、负载电流和逆变器输出电流进行处理，以得到逆变驱动信号，主要包括以下步骤：
S401、将负载输入电压与目标电压作差，得到第一差值，并将第一差值经过比例积分调节控制，得到电流参考信号。
S402、将电流参考信号与逆变器输出电流作差，得到第二差值，并将第二差值经过比例谐振调节控制得到第一电压信号。
S403、将负载电流与预设的第一控制系数相乘得到负载电流前馈信号，并将负载电流前馈信号与第一电压信号叠加，得到第一调制信号，根据第一调制信号经过脉冲宽度调制生成逆变驱动信号。
可以理解的，逆变模块的控制主要采用双环控制策略，电压环为外环，电流环为内环，其中，对于电压外环控制，设定目标电压为逆变模块控制输出电压的给定参考值，通过采集负载输入电压并将其与目标电压进行作差得到第一差值，并将第一差值通过比例积分调节控制得到电流内环的参考值，即电流参考信号，同时，电流内环主要对逆变模块的输出电流进行控制，如此，控制器采集逆变器输出电流，即第二滤波单元的电感电流，作为电流内环控制的反馈信号，将电流参考信号与逆变器输出电流作差得到第二差值，并通过比例谐振调节控制得到第一电压信号，即用于控制逆变模块工作的控制电压，进一步的，控制器还采集负载电流，并使负载电流与第一控制系数相乘作为控制环路中的负载电流前馈信号，以实现抗负载扰动的效果，如此，第一电压控制信号与电流负载前馈信号叠加得到第一调制信号，进而，根据第一调制信号采用合适的脉冲宽度调制策略生成逆变驱动信号，如此，逆变模块根据你接收到的逆变驱动信号控制开关管的导通或关闭，实现逆变输出，并且输出电压值稳定在目标电压，保证提供给负载的电压是稳定的，使得负载安全可靠的运行。
需要说明的是，本实施例中的电压调节控制和电流调节控制并不局限于比例积分调节控制和比例谐振调节控制，还可以是其他控制方法，例如采用重复控制器。此外，脉冲宽度调制策略可以是控制矢量调制或者载波调制，本实施例也不做特殊限定。
此外，在上述实施例的基础上，图5为本发明实施例提供的又一种电能质量综合调节控制方法的流程图，如图5所示，在判定电网电压超出电压设定范围时，该控制方法还包括：将电网电压进行整流得到直流电压信号，使直流电压信号作为逆变单元的直流输入电压，具体包括以下步骤：
S501、采集电网电压，并在判定电网电压超出电压设定范围时，再采集负载输入电压、负载电流和逆变器输出电流。
S502、将电网电压进行整流得到直流电压信号，使直流电压信号作为逆变单元的直流输入电压。
S503、对负载输入电压、负载电流和逆变器输出电流进行处理，得到逆变驱动信号，以控制逆变模块工作，给负载提供稳定的目标电压。
可以理解的，整流模块的直流侧与逆变模块的直流为共用的同一直流端，在电网电压超出电压设定范围时，控制器将获取到的电网电压进行整流控制，并控制整流模块输出直流电压信号，如此，该直流电压信号可直接作为逆变模块的直流输入电压，进而控制器再控制逆变模块工作。
需要说明的是，控制器控制整流模块工作的具体控制策略本发明实施例不做特殊限定，可采用现有技术方案实现，进一步的，直流电压的目标参考值本实施例也不做特殊限定，可根据设备的容量以及整理模块内部开关管的耐压等级等综合考虑进行设定。
可选的，在判定电网电压未超出电压设定范围时，控制整流模块工作在逆变状态，以补偿负载引入的无功电流。
具体的，当控制器根据采集到的电网电压确定电网电压未超出电压设定范围时，第一开关单元将继续处于闭合状态，此时，整流模块和逆变模块无需进行调压控制，考虑到负载的多样性和复杂性，可能会产生谐波电流，当谐波电流流入电网系统后，将会严重影响电网的电能质量，进而威胁到其他用电负荷的安全。
如此，在本实施例中，当第一开关单元处于闭合状态时，控制器将控制整流模块工作在逆变状态，即作为无功发生器或者有源滤波器进行工作，根据采集到的负载电流，可以提取出负载电流中的无功电流分量，将此无功电流分量作为电流控制环路中的参考电流，同时采集整理模块交流侧输出电流为反馈电流，如此控制整流模块输出与无功电流分量相反的无功补偿电流，以补偿负载引入的无功电流，改善电网的电能质量，提高电网系统的功率因数以及降低损耗，同时，保证负载设备的安全、稳定运行。
需要说明的是，整流模块作为无功发生装置工作在逆变状态时的具体控制策略，本实施例不做特殊说明，可采用现有控制方案。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种电能质量综合调节控制系统，其特征在于，包括：
顺序电连接的整流模块、逆变模块和负载，所述整流模块的交流侧与电网电连接；
分别与所述整流模块、所述逆变模块和所述负载电连接的控制器，所述控制器用于采集电网电压，在判定所述电网电压超出电压设定范围时，还采集负载输入电压、负载电流和逆变器输出电流，并进行处理得到逆变驱动信号，以控制所述逆变模块工作，给所述负载提供稳定的目标电压。
2.根据权利要求1所述的电能质量综合调节控制系统，其特征在于，还包括第一开关单元，所述第一开关单元电连接于所述电网与所述负载之间；所述第一开关单元还与所述控制器电连接；
所述控制器还用于在判定所述电网电压超出电压设定范围时，控制所述第一开关单元断开，且在判定所述电网电压未超出所述电压设定范围时，控制所述第一开关单元导通。
3.根据权利要求1所述的电能质量综合调节控制系统，其特征在于，还包括第一滤波单元和第二滤波单元；
所述第一滤波单元电连接于所述电网与所述整流模块之间，用于对所述整流器的交流侧电压或电流进行滤波；
所述第二滤波单元电连接于所述逆变模块与所述负载之间，用于对所述逆变模块的交流侧电压或电流进行滤波。
4.根据权利要求3所述的电能质量综合调节控制系统，其特征在于，所述第一滤波单元和所述第二滤波单元包括电感L和电容C构成的LC滤波。
5.根据权利要求1所述的电能质量综合调节控制系统，其特征在于，所述控制器包括采集单元和运算处理单元；
所述采集单元，用于采集电网电压、负载输入电压、负载电流和逆变器输出电流；
所述运算处理单元，用于根据获取到的所述电网电压进行判断处理，以及在判定所述电网电压超出电压设定范围时，还根据获取到的所述负载输入电压、所述负载电流和所述逆变器输出电流，进行处理得到逆变驱动信号。
6.一种电能质量综合调节控制方法，其特征在于，由权利要求1-4任一所述的控制器执行，该控制方法包括：
采集电网电压，并在判定所述电网电压超出电压设定范围时，再采集负载输入电压、负载电流和逆变器输出电流；
对所述负载输入电压、负载电流和逆变器输出电流进行处理，得到逆变驱动信号，以控制所述逆变模块工作，给所述负载提供稳定的目标电压。
7.根据权利要求6所述的电能质量综合调节控制方法，其特征在于，对所述负载输入电压、负载电流和逆变器输出电流进行处理，以得到逆变驱动信号，包括：
将所述负载输入电压U0与所述目标电压作差，得到第一差值，并将所述第一差值经过比例积分调节控制，得到电流参考信号；
将所述电流参考信号与所述逆变器输出电流作差，得到第二差值，并将所述第二差值经过比例谐振调节控制得到第一电压信号；
将所述负载电流与预设的第一控制系数相乘得到负载电流前馈信号，并将所述负载电流前馈信号与所述第一电压信号叠加，得到第一调制信号，根据所述第一调制信号经过脉冲宽度调制生成逆变驱动信号。
8.根据权利要求6所述的电能质量综合调节控制方法，其特征在于，在判定所述电网电压超出电压设定范围时，还包括：
将所述电网电压进行整流得到直流电压信号，使所述直流电压信号作为所述逆变单元的直流输入电压。
9.根据权利要求6所述的电能质量综合调节控制方法，其特征在于，还包括：在判定所述电网电压未超出所述电压设定范围时，控制所述整流模块工作在逆变状态，以补偿所述负载引入的无功电流。
10.根据权利要求6所述的电能质量综合调节控制方法，其特征在于，所述电压设定范围为198V～242V，所述目标电压为220V。
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