CN114597897A - 电能质量补偿装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种电能质量补偿装置及其控制方法，电能质量补偿装置电连接于电网及非线性负载，且包含电流控制器、变换器、纹波预测器、处理单元及电压控制器。电流控制器接收指令电流，并输出开关控制信号。变换器根据开关控制信号输出输出电流及实际直流母线电压。纹波预测器接收中间电压及第一电流，并输出预测纹波电压，其中该中间电压为电网与非线性负载间的公共连接点上的电压。处理单元根据实际直流母线电压、预测纹波电压及参考直流母线电压输出处理结果。电压控制器接收处理结果并输出电压控制信号至电流控制器。

Description

电能质量补偿装置及其控制方法
技术领域
本公开涉及一种电能质量补偿装置及其控制方法，特别是涉及一种可补偿电网中的谐波及无功电流的电能质量补偿装置及其控制方法。
背景技术
在各个用电领域中，随着接入电网的非线性负载的数量增加，非线性负载所产生的谐波和无功将影响电能质量，进而对电网中的电力设备造成危害。现有技术中多利用有源电力滤波器(APF，Active Power Filter)或静止无功发生器(SVG，Static VarGenerator)补偿电网中由非线性负载所产生的谐波和无功，从而提高电能质量。
一般而言，APF/SVG通过提取负载电流中的谐波和无功分量，产生与之大小相等且方向相反的电流，借此提高最终流入电网的电流质量。为了较好地补偿谐波和无功电流，APF/SVG一般采用电压外环和电流内环的双环控制方式，其中电流内环用以实现输出电流对指令电流的跟踪，电压外环用以确保将母线电压的平均值稳定在一特定范围内。为确保母线电压的平均值稳定，通常会对母线电压进行采样和低通滤波，并且设计较低的电压环带宽，导致电压环响应速慢、母线电压波动大、母线电压波动超出保护值等问题。
因此，如何发展一种可改善上述现有技术的电能质量补偿装置及其控制方法，实为目前迫切的需求。
发明内容
本公开的目的在于提供一种电能质量补偿装置及其控制方法，其是对母线电压中的纹波进行预测，并据此对电能质量进行补偿。借此，可提升母线电压环的响应速度，实现对母线电压的优化控制。
为达上述目的，本公开提供一种电能质量补偿装置，电连接于电网及非线性负载，且包含电流控制器、变换器、纹波预测器、处理单元及电压控制器。电流控制器接收指令电流，并输出开关控制信号。变换器电性耦接于电流控制器，用于根据开关控制信号输出输出电流及实际直流母线电压。纹波预测器用于接收中间电压及第一电流，并输出预测纹波电压，其中该中间电压为电网与非线性负载间的公共连接点上的电压。处理单元电连接于纹波预测器及变换器，用于根据实际直流母线电压、预测纹波电压及参考直流母线电压而输出处理结果。电压控制器电性耦接于处理单元与电流控制器之间，接收上述处理结果并输出电压控制信号至电流控制器。
为达上述目的，本公开提供一种控制方法，适用于电能质量补偿装置，电能质量补偿装置电连接于电网及非线性负载，控制方法包含：利用电流控制器接收指令电流并输出开关控制信号；利用变换器依据开关控制信号输出输出电流以及实际直流母线电压；利用纹波预测器依据中间电压以及第一电流输出预测纹波电压，其中所述中间电压为电网与非线性负载间的公共连接点上的电压；利用处理单元根据实际直流母线电压、预测纹波电压以及参考直流母线电压输出处理结果；以及利用电压控制器依据处理结果输出电压控制信号至电流控制器。
本公开提供一种电能质量补偿装置及其控制方法，电能质量装置在补偿电网中非线性负载产生的谐波和无功时，根据电网与非线性负载间公共连接点上的电压和第一电流对母线电压产生的纹波成分进行预测，将之与采样的实际直流母线电压的纹波成分相抵消，得到直流母线电压的直流分量。本公开的电能质量补偿装置1a采用高带宽电压控制环，提升了电压环的响应速度，实现了对母线电压的优化控制，进而提高了装置的稳定性和电能质量的治理效果。
附图说明
图1为本公开第一实施例的电能质量补偿装置的架构示意图。
图2为本公开第二实施例的电能质量补偿装置的架构示意图。
图3为本公开第三实施例的电能质量补偿装置的架构示意图。
图4为本公开第四实施例的电能质量补偿装置的架构示意图。
图5为本公开优选实施例的控制方法的步骤示意图。
其中，附图标记说明如下：
1a、1b、1c、1d：电能质量补偿装置
2：电网
3：非线性负载
11：电流控制器
12：变换器
13a、13b：纹波预测器
14：处理单元
141：运算器
142：比较器
15：电压控制器
16：驱动电路
17a、17b：检测器
io：输出电流
udc：实际直流母线电压
upcc：中间电压
udc_ripple：预测纹波电压
udc_ref：参考直流母线电压
iL：非线性负载电流
is：电网电流
S1、S2、S3、S4、S5：步骤
具体实施方式
体现本公开特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本公开能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本公开的范围，且其中的说明及附图在本质上是当作说明之用，而非用以限制本公开。
图1为本公开第一实施例的电能质量补偿装置的架构示意图。如图1所示，电能质量补偿装置1a电连接于电网2及非线性负载3，且电能质量补偿装置1a包含电流控制器11、变换器12、纹波预测器13a、处理单元14及电压控制器15，其中电能质量补偿装置1a可例如但不限于为有源电力滤波器、静止无功发生器或带谐波补偿功能的增强型静止无功发声器。电流控制器11接收指令电流，并输出开关控制信号。变换器12电性耦接于电流控制器11并接收开关控制信号，变换器12用于根据开关控制信号输出输出电流io及实际直流母线电压udc。纹波预测器13a接收中间电压upcc及第一电流，并据此输出预测纹波电压udc_ripple，其中该中间电压upcc为电网2与非线性负载3间的公共连接点上的电压。处理单元14电连接于纹波预测器13a及变换器12，以接收预测纹波电压udc_ripple及实际直流母线电压udc，且处理单元14还接收参考直流母线电压udc_ref，处理单元14根据实际直流母线电压udc、预测纹波电压udc_ripple及参考直流母线电压udc_ref而输出处理结果。电压控制器15电性耦接于处理单元14与电流控制器11之间，电压控制器15接收处理结果并输出电压控制信号至电流控制器11。纹波预测器13a根据电网2与非线性负载3间的公共连接点上的中间电压upcc和第一电流，对电能质量补偿装置1a补偿电网2中由非线性负载3产生的谐波和无功时母线电压产生的纹波进行预测，所预测的预测纹波电压udc_ripple反映了实际直流母线电压udc中的纹波成分，故处理单元14可将去除纹波成分的实际直流母线电压udc与参考直流母线电压udc_ref相比较而输出处理结果，以使电压控制器15及电流控制器11据此控制变换器12之作动。借此，本公开的电能质量补偿装置1a采用高带宽电压控制环，提升了电压环响应速度，实现了对母线电压的优化控制，进而提高了装置的稳定性和电能质量的治理效果。
以下示例说明本公开的纹波预测器预测纹波的具体实施方式。母线电容值为C，第一电流为io，初始时刻的母线电容电压U0，经过一段时间t，由于电能质量补偿装置与电网2发生能量交换，母线电容电压变为U0+ΔU，其中ΔU为母线纹波。根据能量守恒定律可得如下等式：
Figure BDA0002813355320000041
经化简可得：
Figure BDA0002813355320000042
由于ΔU变化较小，前述等式可近似而得出母线纹波ΔU：
Figure BDA0002813355320000051
于一些实施例中，处理单元14包含运算器141及比较器142。运算器141电连接于纹波预测器13a及变换器12，以接收实际直流母线电压udc及预测纹波电压udc_ripple，并经由计算输出实际直流母线电压udc与预测纹波电压udc_ripple之间的差值。比较器142电连接于运算器141与电压控制器15之间，比较器142接收该差值，并将该差值与参考直流母线电压udc_ref进行比较而输出处理结果。于一些实施例中，电能质量补偿装置1a还包含驱动电路16。驱动电路16电连接于电流控制器11与变换器12之间，驱动电路16接收电流控制器11所输出的开关控制信号，并依据开关控制信号输出驱动信号至变换器12。变换器12依据驱动信号进行作动。
此外，于图1和图3所示的第一及第三实施例中，第一电流为输出电流io，电能质量补偿装置1a的纹波预测器13a依据中间电压upcc及输出电流io输出预测纹波电压udc_ripple。然于另一些实施例中，例如图2和图4所示的第二及第四实施例中，第一电流亦可为指令电流，电能质量补偿装置1b的纹波预测器13b依据中间电压upcc及指令电流输出预测纹波电压udc_ripple。
再者，于图1及图2所示的第一及第二实施例中，指令电流为非线性负载电流iL的参考电流。然于另一些实施例中，如图3及图4所示的第三及第四实施例中，指令电流为电网电流is的参考电流，其中图3及图4分别示出第一电流为输出电流io及指令电流的不同实施方式。图2、图3及图4中与图1以相同符号标示的元件具有相似的结构及功能，于此不再赘述。
另外，于图1及图2所示的第一及第二实施例中，电能质量补偿装置1a及1b还包含检测器17a，检测器17a电连接于电流控制器11，并用于检测非线性负载电流iL中的基波正序分量、基波负序分量、基波零序分量及谐波分量，检测器17a依据检测结果输出指令电流至电流控制器11。于图3及图4所示的第三及第四实施例中，电能质量补偿装置1c及1d还包含检测器17b，检测器17b电连接于电流控制器11，并用于检测电网电流is中的基波正序分量、基波负序分量、基波零序分量及谐波分量，检测器17b依据检测结果输出指令电流至电流控制器11。
图5为本公开优选实施例的控制方法的步骤示意图，此控制方法可适用于前述各实施例中的电能质量补偿装置。如图5所示，控制方法包含：
步骤S1，利用电流控制器11接收指令电流并输出开关控制信号；
步骤S2，利用变换器12依据开关控制信号输出输出电流io及实际直流母线电压udc；
步骤S3，利用纹波预测器13a或13b依据中间电压upcc及第一电流输出预测纹波电压udc_ripple，其中该中间电压upcc为电网2与非线性负载3之间的公共连接点上的电压；
步骤S4，利用处理单元14根据实际直流母线电压udc、预测纹波电压udc_ripple及参考直流母线电压udc_ref输出处理结果；以及
步骤S5，利用电压控制器15依据处理结果输出电压控制信号至电流控制器11。
须注意的是，步骤S1至S5可循环执行，且在执行控制方法时，可以任一步骤作为起始步骤。
于一些实施例中，控制方法还包含步骤：利用驱动电路16接收并依据电流控制器11输出的开关控制信号输出驱动信号至变换器12，其中变换器12依据驱动信号进行作动。
于此控制方法中，第一电流可为输出电流io或指令电流，指令电流可为电网电流is或非线性负载电流iL的参考电流。此外，当将控制方法用于控制图1及图2所示的电能质量补偿装置1a及1b时，控制方法还包含步骤：利用检测器17a检测非线性负载电流iL中的基波正序分量、基波负序分量、基波零序分量及谐波分量，并依据检测结果输出指令电流至电流控制器11。而当将控制方法用于控制图3及图4所示的电能质量补偿装置1c及1d时，控制方法还包含步骤：利用检测器17b检测电网电流is中的基波正序分量、基波负序分量、基波零序分量及谐波分量，并依据检测结果输出指令电流至电流控制器11。
于此控制方法中，所控制的电能质量补偿装置可例如但不限于为有源电力滤波器、静止无功发生器或带谐波补偿功能的增强型静止无功发声器。
综上所述，本公开提供一种电能质量补偿装置及其控制方法，电能质量装置在补偿电网中由非线性负载产生的谐波和无功时，根据电网与非线性负载间公共连接点上的电压和第一电流对母线电压产生的纹波成分进行预测，将之与采样的实际直流母线电压的纹波成分相抵消，得到直流母线电压的直流分量。本公开的电能质量补偿装置1a采用高带宽电压控制环，提升了电压环的响应速度，实现了对母线电压的优化控制，进而提高了装置的稳定性和电能质量的治理效果。
须注意，上述仅是为说明本公开而提出的优选实施例，本公开不限于所述的实施例，本公开的范围由如附权利要求决定。且本公开得由熟习此技术的人士任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱如附权利要求所欲保护者。

Claims (22)

1.一种电能质量补偿装置，电连接于一电网及一非线性负载，其特征在于，包含：
一电流控制器，接收一指令电流，并输出一开关控制信号；
一变换器，电性耦接于所述电流控制器，用于根据所述开关控制信号输出一输出电流以及一实际直流母线电压；
一纹波预测器，用于接收一中间电压以及一第一电流，并输出一预测纹波电压，其中所述中间电压为所述电网与所述非线性负载间的公共连接点上的电压；
一处理单元，电连接于所述纹波预测器及所述变换器，用于根据所述实际直流母线电压、所述预测纹波电压以及一参考直流母线电压输出一处理结果；以及
一电压控制器，电性耦接于所述处理单元及所述电流控制器之间，接收所述处理结果并输出一电压控制信号至该电流控制器。
2.如权利要求1所述的电能质量补偿装置，其特征在于，所述第一电流为所述输出电流，所述纹波预测器依据所述中间电压以及所述输出电流输出所述预测纹波电压。
3.如权利要求2所述的电能质量补偿装置，其特征在于，所述指令电流为电网电流的参考电流。
4.如权利要求2所述的电能质量补偿装置，其特征在于，所述指令电流为非线性负载电流的参考电流。
5.如权利要求3或4所述的电能质量补偿装置，其特征在于，所述电能质量补偿装置还包含一检测器，与所述电流控制器电连接，所述检测器用于检测所述电网电流或所述非线性负载电流中的基波正序分量、基波负序分量、基波零序分量和谐波分量，并依据检测结果输出所述指令电流至该电流控制器。
6.如权利要求1所述的电能质量补偿装置，其特征在于，所述第一电流为所述指令电流，所述纹波预测器依据所述中间电压以及所述指令电流输出所述预测纹波电压。
7.如权利要求6所述的电能质量补偿装置，其特征在于，所述指令电流为电网电流的参考电流。
8.如权利要求6所述的电能质量补偿装置，其特征在于，所述指令电流为非线性负载电流的参考电流。
9.如权利要求7或8所述的电能质量补偿装置，其特征在于，所述电能质量补偿装置还包含一检测器，与所述电流控制器电连接，所述检测器用于检测所述电网电流或所述非线性负载电流中的基波正序分量、基波负序分量、基波零序分量和谐波分量，并依据检测结果输出所述指令电流至所述电流控制器。
10.如权利要求1所述的电能质量补偿装置，其特征在于，所述电能质量补偿装置还包含一驱动电路，电连接于所述电流控制器与所述变换器之间，用于接收并依据所述电流控制器输出的开关控制信号输出一驱动信号至所述变换器，所述变换器依据所述驱动信号进行作动。
11.如权利要求1所述的电能质量补偿装置，其特征在于，所述电能质量补偿装置为有源电力滤波器、静止无功发生器或带谐波补偿功能的增强型静止无功发生器。
12.一种控制方法，适用于一电能质量补偿装置，所述电能质量补偿装置电连接于一电网及一非线性负载，其特征在于，所述控制方法包含：
利用一电流控制器接收一指令电流并输出一开关控制信号；
利用一变换器依据所述开关控制信号输出一输出电流以及一实际直流母线电压；
利用一纹波预测器依据一中间电压以及第一电流输出一预测纹波电压，其中所述中间电压为所述电网与所述非线性负载间的公共连接点上的电压；
利用一处理单元根据所述实际直流母线电压、所述预测纹波电压以及一参考直流母线电压输出一处理结果；以及
利用一电压控制器依据所述处理结果输出一电压控制信号至所述电流控制器。
13.如权利要求12所述的控制方法，其特征在于，所述第一电流为所述输出电流，所述纹波预测器依据所述中间电压以及所述输出电流输出所述预测纹波电压。
14.如权利要求13所述的控制方法，其特征在于，所述指令电流为电网电流的参考电流。
15.如权利要求13所述的控制方法，其特征在于，所述指令电流为非线性负载电流的参考电流。
16.如权利要求14或15所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括利用一检测器检测所述电网电流或所述非线性负载电流的基波正序分量、基波负序分量、基波零序分量和谐波分量，并依据检测结果输出所述指令电流至所述电流控制器。
17.如权利要求12所述的控制方法，其特征在于，所述第一电流为所述指令电流，所述纹波预测器依据所述中间电压及所述指令电流输出所述预测纹波电压。
18.如权利要求17所述的控制方法，其特征在于，所述指令电流为电网电流的参考电流。
19.如权利要求17所述的控制方法，其特征在于，所述指令电流为非线性负载电流的参考电流。
20.如权利要求18或19所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括利用一检测器检测所述电网电流或所述非线性负载电流的基波正序分量、基波负序分量、基波零序分量和谐波分量，并依据检测结果输出所述指令电流至所述电流控制器。
21.如权利要求12所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括利用一驱动电路接收并依据所述电流控制器输出的开关控制信号输出一驱动信号至所述变换器，其中所述变换器依据所述驱动信号进行作动。
22.如权利要求12所述的控制方法，其特征在于，所述电能质量补偿装置为有源电力滤波器、静止无功发生器或带谐波补偿功能的增强型静止无功发生器。
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