CN1588743A - 一种三桥臂统一电能质量调节器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三桥臂结构统一电能质量调节器，属电力设备技术领域。包括：用于对电力系统进行电流补偿的电流补偿器，包括一个由并联单元桥臂和公用桥臂组成的第一逆变桥和一个由电感组成的滤波器；用于存储上述直流电形式电能的直流储能电容；用于对电力系统进行电压补偿的电压补偿器，包括一个由串联单元桥臂和公用桥臂组成的第二逆变桥和一个由电容与电感组成的滤波器；用于为并联单元和串联单元提供电流回路的公用桥臂，分别与并联单元桥臂及串联单元桥臂构成第一逆变桥和第二逆变桥。本发明的调节器，无需进行电气隔离的，可同时满足电流、电压补偿控制过程中对于能量流动的要求，与传统四桥臂结构相比，省去一个桥臂，降低了装置的损耗。

Description

一种三桥臂统一电能质量调节器

技术领域

本发明涉及一种三桥臂统一电能质量调节器，尤其涉及一种无需电气隔离的三桥臂统一电能质量调节器，属于电力设备技术领域。

背景技术

电能质量调节器是电力系统中，通过补偿系统中存在的电压、电流的畸变分量，消除系统中电能质量所受到的污染的一种装置。按其工作对象可以划分为电压型电能质量调节器和电流型电能质量调节器两种。

统一电能质量调节器(以下简称UPQC)是一种配电网柔性交流输电(DFACTS)技术，它结合了电压型电能质量调节器和电流型电能质量调节器两者的功能，可以同时保证负载侧的电压质量和系统侧的电流质量。与其他FACTS元件相比，它具有更多的控制变量，能在运行过程中同时改变多种系统参数，使系统运行更加灵活，是解决低压配电网电压质量和电流质量问题的有效手段，因而受到越来越多的重视。

传统的UPQC采用变压器实现系统和装置之间的隔离，其电路图如图1所示，其主电路主要包括串联单元、并联单元、直流储能单元三个部分，两个脉宽调制(PWM)逆变单元分别构成串联单元和并联单元的主要部分，直流储能装置则是两个逆变单元公用的，这三个部分共同组成一个完整的用户电力装置。由于UPQC共有4个桥臂，并且串联和并联两部分共用直流单元，因此系统和装置之间必须进行隔离，否则会出现电容直通、相间短路等情况。隔离变压器的接入不仅为装置和系统提供了隔离还可以扩大装置的容量，使得器件的选择更加灵活。但是由于变压器的非线性及其它特性的影响，变压器的引入也带来了很多问题：

(1)逆变器产生的高次谐波给变压器的设计带来困难，使得变压器的容量上升。

(2)变压器增加了装置的功率损耗；降低了装置的效率，同时也增加了成本。

(3)对于串联隔离变压器，和滤波的电感电容互相影响会带来附加的相移和电压降落，影响装置对电压补偿的性能。

(4)串联变压器的接入降低了开环控制下的电压精度。

另外，变压器还存在饱和及过流等问题。因此，在电压等级较低或者是开关器件的容量足够的情况下引入变压器所带来的缺陷远远大于所带来的优势。

传统UPQC采用四桥臂结构，共8只开关管，开关损耗较大，特别是在负载容量不大的情况下，较大的开关损耗使得装置的效率降低，显得很不经济。

发明内容

本发明的目的是提供一种三桥臂统一电能质量调节器，改变已有技术的电路结构，以便在无需进行电气隔的情况下实现电能质量的调节。

本发明提出的三桥臂统一电能质量调节器，包括：

(1)用于对电力系统进行电流补偿的并联单元，包括：

一个由两个开关管组成的并联单元桥臂与公用桥臂构成的第一逆变桥，用于将从系统获取的交流电形式的电能通过脉宽调制转换成直流电形式的电能，并将该电能从第一逆变桥的直流侧输出，用以给直流储能电容充电，并向系统输出无功及谐波电流，以及

一个由电感组成的滤波器，用于滤除第一逆变桥输出电流中的高频谐波成分；

(2)用于存储上述直流电形式电能的直流储能单元，由一个电解电容构成；

(3)用于对电力系统进行电压补偿的串联单元，包括：

一个由两个开关管组成的串联单元桥臂与公用桥臂构成的第二逆变桥，用于从直流储能电容获取直流电形式的电能，并通过脉宽调制将其转换成交流电形式的电能后从第二逆变桥的交流侧输出，以及

一个由电容与电感组成的滤波器，用于滤除输出电压中的高频谐波成分；

(4)用于为并联单元和串联单元提供电流回路的公用桥臂，由两个开关管组成，分别与并联单元桥臂及串联单元桥臂构成第一逆变桥和第二逆变桥；

上述调节器中，组成第一、第二逆变器的开关管为绝缘栅双极性晶闸管(以下简称IGBT)、门极关断晶闸管(以下简称GTO)或集成门极换向晶闸管(IGCT)中的任何一种。

本发明提出的三桥臂统一电能质量调节器，具有以下效果和优点：

1、在电网系统和电能质量调节器之间无需进行电气隔离，就可以实现电网电能质量的调节，省掉了隔离变压器，降低了调节器的成本。

2、实现了电压补偿器和电流补偿器之间能量的双向流动，因此可以保证储能电容上的电压保持在额定值，从而提高了调节器的运行可靠性。

3、由于没有了隔离变压器，所以装置中允许通过的谐波频带很宽，能够很好的满足对系统负荷进行谐波补偿的要求。

4、与传统四桥臂UPQC相比，省掉了一个桥臂，少用了两只开关管，降低了开关损耗，提高了调节器的利用效率。

综上所述，本发明提出的统一电能质量调节器，既满足了电流、电压补偿控制过程中对于能量流动的要求，又降低了开关损耗，提高了装置的利用效率，同时能够避免已有技术中采用变压器隔离所带来的各种弊端。

附图说明

图1是已有的统一电能质量调节器的电路图。

图2是本发明设计的三桥臂统一电能质量调节器的电路图。

图3是本发明设计的三桥臂统一电能质量调节器的串联单元控制原理图，图中

(k_v-电压互感器变比；k_s-电流互感器变比；k₂，k₃-比例常数)

图4、图5是本发明设计的三桥臂统一电能质量调节器的串联单元频率响应图。

图6是电网电压跌落50％时的电流、电压补偿曲线图。

图1和图2中，1是串联单元，2是直流储能单元，3是并联单元，4是并联单元桥臂，5是直流储能单元，6是公用桥臂，7是串联单元桥臂。

具体实施方式

本发明提出的采用无需电气隔离的三桥臂统一电能质量调节器，其电路图如图2所示，包括一个由4和6组成的第一逆变桥和一个由电感L₁组成的滤波器；5是用于存储上述直流电形式电能的直流储能单元，直流储能电容并联在电压补偿器和电流补偿器的直流侧；一个由7和6组成的第二逆变桥和一个由电容C₀与电感L₂组成的滤波器；5是用于为并联单元和串联单元提供电流回路的公用桥臂，分别与4及7构成第一逆变桥和第二逆变桥。

以下详细介绍本发明的统一电能质量调节器的工作原理：

调节器的数学模型：

由于四桥臂结构UPQC的串联及并联单元分别由一个全桥构成，因此可对串、并联单元分别进行控制。而在三桥臂结构中，由于公用桥臂将同时为串、并联单元提供电流回路，所以这种结构比四桥臂结构控制上要复杂。如何控制公用桥臂，消除公用桥臂对两边的影响，成为实现这种拓扑结构的关键。

如果三个桥臂均采用PWM控制，取电容电压的负极性点N点作为A、B、C三点电势的参考点，根据PWM调制原理，有

$L_1\frac{{\mathrm{di}}_C}{\mathrm{dt}}=[D_C\left(t\right)-D_A\left(t\right)]v_d-u_s...\left(1\right)$

$L_2\frac{{\mathrm{di}}_B}{\mathrm{dt}}=[D_B\left(t\right)-D_A\left(t\right)]v_d-v_C...\left(2\right)$

$D_i\left(t\right)=(\frac{v_{\mathrm{coni}}}{2v_{\mathrm{tr}}}+\frac{1}{2})V_d...\left(3\right)$

D_i(t)-开关函数(i＝A，B，C)

将式(3)代入式(1)、(2)，有

$L_1=\frac{{\mathrm{di}}_C}{\mathrm{dt}}=k_{\mathrm{pwm}}(v_{\mathrm{conC}}-v_{\mathrm{conA}})-u_s...\left(4\right)$

$L_2\frac{{\mathrm{di}}_B}{\mathrm{dt}}=k_{\mathrm{pwm}}(v_{\mathrm{conB}}-v_{\mathrm{conA}})-v_C...\left(5\right)$

其中

$k_{\mathrm{pwm}}=\frac{V_d}{2v_{\mathrm{tr}}}$

v_tr-三角波幅值

v_coni-第i点调制信号(i＝A，B，C)

V_d-直流储能电容电压

A点电势耦合在串、并联单元的电压方程中，根据三桥臂UPQC的拓扑结构，令

-u_S＝k_pwmv_conA                                    (6)

则(4)、(5)式可变为

$L_1\frac{{\mathrm{di}}_C}{\mathrm{dt}}=k_{\mathrm{pwm}}{v}_{\mathrm{conC}}...\left(7\right)$

$L_2\frac{{\mathrm{di}}_B}{\mathrm{dt}}=k_{\mathrm{pwm}}{v}_{\mathrm{conB}}+u_S-v_C=k_{\mathrm{pwm}}{v}_{\mathrm{conB}}+v_L...\left(8\right)$

由(6)式可得到公用桥臂的控制信号v_conA，由(7)，(8)式可知，串、并联单元的电流i_C，i_B可分别由各自的控制信号v_conC，v_conB独立控制。所以当采用式(6)控制公用桥臂，串联、并联部分两个桥臂的控制可以解耦，从而使整个装置的控制得到很大的简化。

调节器中串联单元的控制原理：

三桥臂UPQC串联单元的控制框图见图3，采用电压环加电流环的双闭环控制加局部前馈控制的方法，前馈控制信号v_fi主要是为了消除v_L对电流环的影响。

由图3可以得到v_L ^*到v_L的闭环传递函数为：

$H^{\′}\left(s\right)=\frac{k_2{k}_3{k}_{\mathrm{pwm}}}{s^2{L}_2{C}_0+s{k}_3{k}_{\mathrm{pwm}}{k}_3{C}_0+k_2{k}_3{k}_{\mathrm{pwm}}{k}_v}$

即

$H_1\left(s\right)=\frac{v_L}{v_L^{*}}=\frac{k_2{k}_3{k}_{\mathrm{pwm}}{k}_v}{s^2{L}_2{C}_0+s{k}_3{k}_{\mathrm{pwm}}{k}_s{C}_0+k_2{k}_3{k}_{\mathrm{pwn}}{k}_v}$

也可以得到从u_S到v_L的闭环传递函数：

$H_2\left(s\right)=\frac{s^2{L}_2{C}_0+s{k}_3{k}_{\mathrm{pwm}}{k}_s{C}_0}{s^2{L}_2{C}_0+s{k}_3{k}_{\mathrm{pwm}}{k}_3{C}_0{+k}_2{k}_3{k}_{\mathrm{pwm}}{k}_v}$

从i_L到v_L的闭环传递函数为：

$H_3\left(s\right)=-\frac{s{L}_2}{s^2{L}_2{C}_0+s{k}_3{k}_{\mathrm{pwm}}{k}_s{C}_0+k_2{k}_3{k}_{\mathrm{pwm}}{k}_v}$

图4给出了上述各传递函数的波特图，从图中可以看出，在低频带，系统的输出电压v_L可以跟踪参考电压v_L ^*，具有很好的低通特性。系统电压u_S、负载电流i_L可看成扰动量，它们在低频带对v_L影响非常小，可以忽略，这是由于滤波电感和电容较小的缘故。因此按照图3给出的控制方法，在系统电压动态变化时，单相三桥臂UPQC串联部分可以使负荷两端的电压很好地跟踪参考电压，为负荷提供优质的电压。

调节器中储能电容电压的计算：

由图3可以得到v_L ^*到v_conB的闭环传递函数为：

$K_1\left(s\right)=-\frac{k_2{k}_3(s^2{L}_2{C}_0+1)}{s^2{L}_2{C}_0+s{k}_3{k}_{\mathrm{pwm}}{k}_s{C}_0+k_2{k}_3{k}_{\mathrm{pwm}}{k}_v}$

也可以得到从u_S到v_conB的闭环传递函数为：

$K_2\left(s\right)=\frac{(L_2{C}_0{k}_2{k}_3{k}_v-\frac{L_2{C}_0}{k_{\mathrm{pwm}}})s^2}{s^2{L}_2{C}_0+s{k}_3{k}_{\mathrm{pwm}}{k}_s{C}_0+k_2{k}_3{k}_{\mathrm{pwm}}{k}_v}$

从i_L到v_conB的闭环传递函数为：

$K_3\left(s\right)=\frac{-s^2{L}_2{C}_0{k}_S{k}_3+(\frac{L_2}{k_{\mathrm{pwm}}}-L_2{k}_v{k}_2{k}_3)s}{s^2{L}_2{C}_0+s{k}_3{k}_{\mathrm{pwm}}{k}_s{C}_0+k_2{k}_3{k}_{\mathrm{pwm}}{k}_v}$

图5为上述传递函数的波特图。从图中可看出，K₂(s)和K₃(s)在低频带增益非常小，因而u_S、i_L对v_conB的影响小。虽然K₁(s)在高频带增益很高，但由于参考电压信号v_L ^*是基波正弦信号，频率为50Hz，不存在高频分量，因而K₁(s)高频带的高增益是可以忽略的。在低频带忽略u_S、i_L的影响，即

$v_{\mathrm{conB}}\≈K_1\left(s\right)v_L^{*}\≈-\frac{1}{k_{\mathrm{pwm}}{k}_v}{v}_L^{*}$

而          v_conA＝-k_v(1-k)u_S，k为电压跌落幅度(k≤1)；

忽略L₂上的压降，则有

           (v_conB-v_conA)×k_pwm＝-ku_S

$(-v_L^{*}/k_v)+k_v{k}_{\mathrm{pwm}}(1-k)u_S=-k{u}_S$

在同相补偿情况下， $(v_L^{*}/k_v)=u_S,$ 即

            k_pwmk_v＝1    则

$V_d=\frac{2v_{\mathrm{tr}}}{k_v}...\left(9\right)$

式(9)表明，在同相补偿情况下，在PWM线性调制范围内，即调制比 $m_a=\frac{v_{\mathrm{coni}}}{v_{\mathrm{tr}}}\≤1,$ 储能电容电压与三角波幅值v_tr成正比，与电压互感器变比k_v成反比。当v_tr，k_v确定后，V_d就确定了。式(9)确定的V_d实际上是补偿100％的电压跌落(k＝1)时所需的电容电压值。而事实上，当电压完全跌落至0时，储能电容的能量最终将被负载所消耗，V_d最终将变为0。在PWM线性调制区内，如果电压跌落幅度为k，可近似地认为则所需的电容电压约为k_Vd。

并联单元作为一个APF装置，对电容电压也有一定的要求：若电容电压过低，则补偿能力下降，系统电流谐波含量增加；电容电压越高，其补偿效果越好，系统电流谐波含量越低，但电容电压愈高，则对开关管的耐压水平就愈高，一般在APF系统中，v_d取电源电压峰值的1.5倍。

电网电压跌落50％时的电流、电压补偿曲线图如图6所示。

本发明的一个实施例中各仿真参数如下：

不控整流带阻感负载：R＝10Ω；L＝0.1H

v_tr＝10V，k_v＝0.02，k_s＝0.1，L₁＝L₂＝1mH，C_d＝5000μF，C₀＝50μF

Claims (2)

1、一种三桥臂统一电能质量调节器，其特征在于该调节器包括：

(1)用于对电力系统进行电流补偿的并联单元，包括：

一个由两个开关管组成的并联单元桥臂与公用桥臂构成的第一逆变桥，用于将从系统获取的交流电形式的电能通过脉宽调制转换成直流电形式的电能，并将该电能从第一逆变桥的直流侧输出，用以给直流储能电容充电，并向系统输出无功及谐波电流，以及

一个由电感组成的滤波器，用于滤除第一逆变桥输出电流中的高频谐波成分；

(2)用于存储上述直流电形式电能的直流储能单元，由一个电解电容构成；

(3)用于对电力系统进行电压补偿的串联单元，包括：

一个由两个开关管组成的串联单元桥臂与公用桥臂构成的第二逆变桥，用于从直流储能电容获取直流电形式的电能，并通过脉宽调制将其转换成交流电形式的电能后从第二逆变桥的交流侧输出，以及

一个由电容与电感组成的滤波器，用于滤除输出电压中的高频谐波成分；

(4)用于为并联单元和串联单元提供电流回路的公用桥臂，由两个开关管组成，分别与并联单元桥臂及串联单元桥臂构成第一逆变桥和第二逆变桥。

2、如权利要求1所述的调节器，其特征在于其中组成第一、第二逆变桥及公用桥臂的开关管为绝缘栅双极性晶闸管、门极关断晶闸管或集成门极换向晶闸管中的任何一种。

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