CN117895521B - 一种基于avc电路混合调节的配电网控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于AVC电路混合调节的配电网控制系统及方法，涉及电能质量技术领域。该控制系统包括动态电压调节器和稳压电源，动态电压调节器与稳压电源串联，稳压电源另一端连接供电电源，动态电压调节器另一端连接负载；动态电压调节器包括整流单元和注入变压器，整流单元用于向注入变压器注入补偿电压，并对回路中的电压进行调节。本发明通过控制稳压电源进行电压粗调，并通过动态电压调节器实现电压细调，实现了对电压的动态连续补偿，消除了各自补偿时的缺点。

Description

一种基于AVC电路混合调节的配电网控制系统及方法

技术领域

本发明涉及电能质量技术领域，尤其涉及一种基于AVC电路混合调节的配电网控制系统及方法。

背景技术

可再生能源的大规模接入改变了传统电网结构、使得电压质量问题趋于复杂，电网规模的迅速发展以及特高压交直流互联使得系统潮流断面控制难、短路容量进一步提高，基于微处理器的电力电子型负荷在系统中的占比增加使得负荷端应对供电扰动的耐受力被不断削弱，智能电网建设不断推进过程中也同样面临新的挑战。

随着智能电网建设的不断推进，电力系统结构日趋复杂，潮流分布不均、短路容量不断提高、电压波动繁杂等新的问题和挑战也同时涌现，必将对电网安全、可靠、高效、高质的运行造成严重威胁。电压暂降（Voltage Sag）也称电压跌落、电压骤降、电压凹陷和晃电等等，是指电压有效值的突然下降，然后又迅速恢复正常的现象。雷击、短路故障和大电机启动是引起电压暂降的主要原因。发生电压暂降时，将会出现直流电机电动机保护跳闸、交流接触器自动脱扣、计算机停止工作等现象。相比于其他暂态电压质量问题，电压暂降的影响不容忽略，并已受到广泛关注。

解决电压暂降的装置有不间断电源UPS（Uninterruptible Power Supply）、稳压电源、动态电压调节器（Active Voltage Conditioner，AVC）等等。

在减少电压暂降和电压中断影响的装置中，不间断电源UPS是使用较广的设备，当电源发生电压暂降或电压中断时，由UPS供电，提供给用户合格的电压。然而UPS的缺点是大容量受限制，运行维护费用高，且故障时不能有效识别是断电还是电压暂降，这对用电设备及系统造成很大危害。

稳压电源是通过整流、滤波后提供所需稳定电压的电源装置，能为负载提供稳定的交流电或直流电，包括交流稳压电源和直流稳压电源两大类，可以有效处理电压暂降问题，市场上交流稳压电源有：铁磁谐振式稳压电源、变压器变比调整型稳压电源、碳刷型稳压电源、无触点补偿式稳压电源，其中无触点补偿式稳压电源解决了其他三种稳压电源的缺陷，如专利号ZL00204096.4和专利号ZL01253876.0所公开的稳压电源，具有无机械触点，体积小，效率高的优点，但都具备一个共同缺点即调节方式为有级调节，稳压电源投切方式包括晶闸管投切、编码投切，无论哪一种投切方式都不能实现电压的无级调节即电压连续调节，这样就导致了调压精度不高的现象。因为分组容量及投切容量很难达到与电压波动幅度完全平衡，所以为避免投入后出现过补，总会有一部分系统电压得不到补偿，即无法实现无功百分之百的补偿。

动态电压调节器，作为一种可有效解决电压暂降问题的串联型电力电子装置，可以快速调整电压，动态抑制电网电压谐波、骤降、闪变等电压质量，目的是为负载侧提供额定正弦电压，可在数毫秒内对电压暂降问题进行治理，保证供电品质，保护用户的设备免受电压暂降和暂升的干扰。AVC没有电池、电容和其他储能单元，它从电网中吸取所需的额外能量用于补偿所缺损的电压。由于没有电池，AVC具备体积小、用电效率高、可靠性高以及极低的运行成本。但如果只用AVC进行电压调节，当电压等级较高时，需要的AVC容量随之变大，出现安全性降低，效率降低，成本增多的问题。

因此，找到一种简单可靠的AVC电路及控制方法对电压暂降现象进行治理是亟待解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于AVC电路混合调节的配电网控制系统及方法，将AVC和稳压电源进行结合，设计了一种混合AVC电路（TAVC）对电压暂降问题进行处理。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明第一方面提供了一种基于AVC电路混合调节的配电网控制系统，包括动态电压调节器和稳压电源，动态电压调节器与稳压电源串联，稳压电源另一端连接供电电源，动态电压调节器另一端连接负载；动态电压调节器包括整流单元和注入变压器，整流单元用于向注入变压器注入补偿电压，并对回路中的电压进行调节。

进一步的，整流单元包括整流器、逆变器和整流保护开关，整流保护开关一端连接供电电源，另一端连接整流器，整流器另一端连接逆变器，逆变器接入注入变压器，注入变压器串联在供电电源和负载之间。

更进一步的，还包括旁路单元，旁路单元设置于注入变压器和逆变器之间。

更进一步的，整流器为四象限整流器。

进一步的，还包括控制单元，用于根据计算结果对动态电压调节器和稳压电源下达控制指令。

更进一步的，治理暂降时，动态电压调节器时刻监测输入侧电源电压，一旦发生电压暂降，控制单元立即控制逆变器向注入变压器注入适当的补偿电压，以补偿电压的降落，快速将负载端电压调节到额定值，此时，整流器从供电电源侧获取能量供给到逆变器，逆变器又把获取的能量通过变压器注入到主回路中。

更进一步的，治理暂升时，动态电压调节器时刻监测输入侧电源电压，一旦发生电压暂升，控制单元立即控制逆变器向串联的注入变压器注入适当的补偿电压，以补偿电压的升高，快速将负载端电压调节到额定值，此时，逆变器从注入变压器中获取能量，整流器将能量回馈到供电电源中。

本发明第二方面提供了一种基于AVC电路混合调节的配电网控制系统的控制方法，包括以下步骤：

获取供电电源侧信号，并对供电电源侧信号进行计算，得到需要补偿的电压；

利用稳压电源对电压进行粗调；

根据粗调结果，利用动态电压调节器对电压进行细调，完成对电压的动态连续补偿。

进一步的，对供电电源侧信号进行计算，得到需要补偿的电压的计算过程为：

由锁相环在控制器内部得到与电网电压同相的正弦信号，再根据电网电压的额定幅值，生成三相标准电压；

从三相标准电压中减去三相实测电压，得到需要补偿的电压。

进一步的，动态电压调节器采用脉冲宽度调制控制技术对电压进行细调。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

本发明公开了一种基于AVC电路混合调节的配电网控制系统及方法，为了解决稳压电源有级调节即补偿不连续的缺点和AVC不安全、效率低和成本高的缺点，采用TAVC结合了稳压电源和AVC的优点，利用测量系统对信号进行检测，来计算需要补偿的电压，通过控制稳压电源进行电压粗调，并通过AVC实现电压细调，实现了对电压的动态连续补偿，消除了各自补偿时的缺点。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例一中基于AVC电路混合调节的配电网控制系统主回路结构图；

图2为本发明实施例一中动态电压调节器结构的等效电路示意图；

图3为本发明实施例一中旁路单元结构示意图；

图4为本发明实施例二中动态电压调节器控制方法框架图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

实施例一：

本发明实施例一提供了一种基于AVC电路混合调节的配电网控制系统，如图1所示，包括动态电压调节器和稳压电源，动态电压调节器与稳压电源串联，稳压电源另一端连接供电电源，动态电压调节器另一端连接负载。供电电源为交流电网。本实施例中，稳压电源数量不限，可以根据需求进行设置。

TAVC的协调原则：离散变量（稳压电源补偿电压）优先，连续变量（AVC补偿电压）补充，即稳压电源先完成动作，实现粗调，AVC作为补充，后续进行细调。

为便于分析，举例说明，某处设有可补偿100V、50V的两组稳压电源，一组最大可补偿50V的AVC。单独使用稳压电源时，可以输出50V、100V、150V电压进行补偿。

（1）当系统需要补偿125V时，如果投入100V的稳压电源补偿电压不够；如果投入150V的稳压电源又出现过补情况。采用本发明提出的方案后，将稳压电源投入100V，剩余的25V使用AVC进行补偿。

（2）当补偿电压较小时，例如需要补偿的电压小于50V，而投入50V的稳压电源后出现过补，在这种情况下，只需要投入AVC即可，所有的电压由AVC进行补偿。

由此可见，采用本发明的设计方案，无论系统电压暂降或暂升多少，都可以实现对电压的完全补偿，同时节省能耗，降低成本。

动态电压调节器串联在供电电源和负载之间，主要功能是进行快速在线电压调节，它会持续监测输入侧电源电压，一旦发现供电电压偏离额定电压水平，AVC会通过IGBT逆变器和注入变压器迅速注入一个适当的补偿电压。系统受到干扰时，电网电压U_S升高或降低，AVC将串联的注入变压器控制为一个电压源，在其串联补偿变压器的副边侧产生一个负补偿电压U_C，以对电网电压进行负补偿，保持负载电压U_L稳定为标准参考电压U_r不变。AVC不但要补偿谐波电压，还要补偿电网电压骤降等问题引起的基波电压变化。

动态电压调节器包括整流单元、旁路单元和注入变压器，整流单元用于向注入变压器注入补偿电压，并对回路中的电压进行调节。其中，整流器为四象限整流器。AVC从电网中获取原始能量，无储能元件。它可快速在线调节电压，是解决电压暂降、电压暂升、电压波动、改进电能质量的高效可靠的装置。

如图2所示，整流单元包括整流器、逆变器和整流保护开关，整流保护开关一端连接供电电源，另一端连接整流器，整流器另一端连接逆变器，逆变器接入注入变压器，注入变压器串联在供电电源和负载之间。旁路单元设置于注入变压器和逆变器之间。

如图3所示，旁路单元由逆变器输出静态开关S1、自动旁路静态开关S2、检修旁路开关S3和开关S组成，图中负载为注入变压器。

旁路单元设置的目的是为了在变流器（整流器+逆变器）检修时不中断对负载的供电。

工作原理：变流器正常工作时，开关S闭合，逆变器的输出静态开关S1导通，逆变器为负载供电。检修时，先将供电方式切换为自动旁路供电，此时市电通过静态开关S2为负载供电；然后将检修旁路开关S3闭合，S3与S2并联为负载供电，由于S3与S2接同一市电，其输出必然同频率、同相位；而后将自动旁路开关S2断开，仅由检修旁路开关S3供电；最后切断开关S，并切断除检修旁路开关回路之外的输入交流电源，于是变流器完全脱离市电，可以安全地进行维护检修。上述操作过程，能保证安全平滑地进行切换，不中断对负载的供电。检修完毕，接通变流器的相关输入电源，按与上面相反的顺序操作，即先闭合S；再闭合S2，断开S3；然后切断S2，闭合S1。

配电网控制系统还包括控制单元，用于根据计算结果对动态电压调节器和稳压电源下达控制指令。

本实施例中，AVC采用大功率全控型开关器件IGBT组成的变流器，实现了电压补偿，突破了原有的采用电容器和电抗器进行电压补偿的固定模式的概念。稳压电源由于本身无法做到电压连续调节，与AVC结合形成稳压电源粗调，AVC细调的工作模式，TAVC结合了稳压电源和AVC的优点，降低了AVC容量，整套装置平滑输出，补偿无阶跃，可以实现大容量连续电压补偿，更安全，效率高，成本低。

在一种具体的实施方式中，治理暂降时，动态电压调节器时刻监测输入侧电源电压，一旦发生电压暂降，控制单元立即控制逆变器向注入变压器注入适当的补偿电压，以补偿电压的降落，快速将负载端电压调节到额定值，此时，整流器从供电电源侧获取能量供给到逆变器，逆变器又把获取的能量通过变压器注入到主回路中。

治理暂升时，动态电压调节器时刻监测输入侧电源电压，一旦发生电压暂升，控制单元立即控制逆变器向串联的注入变压器注入适当的补偿电压，以补偿电压的升高，快速将负载端电压调节到额定值，此时，逆变器从注入变压器中获取能量，整流器将能量回馈到供电电源中。

实施例二：

本发明实施例二提供了一种基于AVC电路混合调节的配电网控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1，获取供电电源侧信号，并对供电电源侧信号进行计算，得到需要补偿的电压。

步骤2，利用稳压电源对电压进行粗调。

步骤3，根据粗调结果，利用动态电压调节器对电压进行细调，完成对电压的动态连续补偿。

步骤1中，AVC采用同相电压补偿策略，对供电电源侧信号进行计算，得到需要补偿的电压，具体计算过程为：

由锁相环在控制器内部得到与电网电压同相的正弦信号，再根据电网电压的额定幅值V_N，生成三相标准电压，本实施例期望负载由此三相标准电压供电。其中，对于市电网络，V。

从三相标准电压中减去三相实测电压，得到需要补偿的电压。

更为具体的，三相标准电压u_ra、u_rb、u_rc计算公式为：。

其中，ω为角频率= 2π/T，T为电压的周期，θ为初相位， t为时间，ωt+θ为电压的相位，三相相差120°。

从三相标准电压中减去三相实测电压u_a、u_b、u_c，即可得到串联补偿器应予补偿的指令电压值、/>、/>为：/>。

以上所述的串联补偿器应予补偿的指令电压值，是指所有的注入变压器补偿电压之和，包括稳压电源通过注入变压器补偿的电压和AVC通过注入变压器补偿的电压。

步骤3中，动态电压调节器采用脉冲宽度调制控制技术对电压进行细调。

其中，AVC采取带前馈的跟踪控制方法，如图4所示：

为AVC补偿的单相电压值，U_ca为AVC单相实测电压值，i_s为母线电流，/>表示对母线电流进行微分，K_q、K_ca为比例系数，分别对母线电流的微分、/>进行比例放大或缩小，将补偿的指令电压值与实测值的差进行PID调节，将此三部分的和用于控制PWM波形输出，进而控制主电路，产生补偿电压。AVC采用PWM脉冲宽度调制控制技术，具有调节速度快，连续补偿的优势。

以上实施例二中涉及的各步骤与实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种基于AVC电路混合调节的配电网控制系统，其特征在于，包括动态电压调节器和稳压电源，动态电压调节器与稳压电源串联，稳压电源另一端连接供电电源，动态电压调节器另一端连接负载；动态电压调节器包括整流单元和注入变压器，整流单元用于向注入变压器注入补偿电压，并对回路中的电压进行调节；

整流单元包括整流器、逆变器和整流保护开关，整流保护开关一端连接供电电源，另一端连接整流器，整流器另一端连接逆变器，逆变器接入注入变压器，注入变压器串联在供电电源和负载之间；

还包括控制单元，用于根据计算结果对动态电压调节器和稳压电源下达控制指令；

稳压电源先完成动作，实现粗调，AVC作为补充，后续进行细调。

2.如权利要求1所述的基于AVC电路混合调节的配电网控制系统，其特征在于，还包括旁路单元，旁路单元设置于注入变压器和逆变器之间。

3.如权利要求1所述的基于AVC电路混合调节的配电网控制系统，其特征在于，整流器为四象限整流器。

4.如权利要求1所述的基于AVC电路混合调节的配电网控制系统，其特征在于，治理暂降时，动态电压调节器时刻监测输入侧电源电压，一旦发生电压暂降，控制单元立即控制逆变器向注入变压器注入适当的补偿电压，以补偿电压的降落，快速将负载端电压调节到额定值，此时，整流器从供电电源侧获取能量供给到逆变器，逆变器又把获取的能量通过变压器注入到主回路中。

5.如权利要求1所述的基于AVC电路混合调节的配电网控制系统，其特征在于，治理暂升时，动态电压调节器时刻监测输入侧电源电压，一旦发生电压暂升，控制单元立即控制逆变器向串联的注入变压器注入适当的补偿电压，以补偿电压的升高，快速将负载端电压调节到额定值，此时，逆变器从注入变压器中获取能量，整流器将能量回馈到供电电源中。

6.一种权利要求1-5任一项所述基于AVC电路混合调节的配电网控制系统的控制方法，包括以下步骤：

获取供电电源侧信号，并对供电电源侧信号进行计算，得到需要补偿的电压；

利用稳压电源对电压进行粗调；

根据粗调结果，利用动态电压调节器对电压进行细调，完成对电压的动态连续补偿。

7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，对供电电源侧信号进行计算，得到需要补偿的电压的计算过程为：

由锁相环在控制器内部得到与电网电压同相的正弦信号，再根据电网电压的额定幅值，生成三相标准电压；

从三相标准电压中减去三相实测电压，得到需要补偿的电压。

8.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，动态电压调节器采用脉冲宽度调制控制技术对电压进行细调。