CN210744751U - 一种串联有源电压质量治理系统 - Google Patents

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王森
刘咏妮
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Abstract

本实用新型公开了一种串联有源电压质量治理系统，包括控制器、交流电网、主路单元、旁路单元及负载，旁路单元置于交流电网与负载间，主路单元包括并联部分与串联部分，并联部分包括LCL无源滤波器、单相三电平半桥整流器、储能电容；串联部分包括单相三电平半桥逆变器及LC滤波器，控制器包括DSP、数据交互缓冲单元、FPGA及采样单元，该系统采用DSP和FPGA双CPU控制，使得并联部分、串联部分可进行独立控制，延迟小、性能优，可对电网电压做出及时、可靠的补偿处理，提高了电网电压质量。

Description

一种串联有源电压质量治理系统
技术领域
本实用新型涉及涉及电能质量治理领域，具体涉及一种串联有源电压质量治理系统。
背景技术
目前，电能质量问题受到了越来越多的关注，随着非线性电力电子装置和冲击性、波动性负荷在现代工业中的广泛应用，导致电网电压存在过压、欠压、电压暂降及谐波等电压质量问题，这些问题将导致一些重要的负载或对电能质量敏感的设备性能降低、寿命缩短。
针对这一问题，一种直接有效的措施是在电网和敏感负荷之间加装串联有源电压质量治理系统(active voltage quality regulator, AVQR)，通过向电网注入补偿电压来保证用户端的电压质量。由于串联装置只需要补偿系统电压的畸变和与额定值相差部分，而大部分能量还是直接由电网提供给负载，所以通常它们具有更高的效率。
由于串联有源电压质量治理系统（AVQR）是串联在电网与敏感负荷之间，所以系统的硬件部分由并联部分、串联部分及旁路三部分组成。现有串联有源电压质量治理系统（AVQR）的并联、串联部分均采用单相全桥两电平结构，且常规控制方式是单CPU控制。该结构存在的问题是：两电平结构桥臂之间存在耦合，系统效率低，单CPU控制无法对电网电压做出及时、可靠的补偿处理，电网电压质量差。
如何解决上述问题，是本领域技术人员致力于解决的事情。
实用新型内容
本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种串联有源电压质量治理系统，该系统体积小、损耗小，稳定性强，能够确保电网电压质量。
为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种串联有源电压质量治理系统，包括控制器、交流电网、主路单元、旁路单元及负载，所述旁路单元置于交流电网与负载间，所述主路单元包括并联部分与串联部分，并联部分包括LCL无源滤波器、单相三电平半桥整流器、储能电容；串联部分包括单相三电平半桥逆变器及LC滤波器，所述控制器包括DSP、数据交互缓冲单元、FPGA及采样单元，其中：
采样单元用于实时监测系统运行情况，获得采样数据；
FPGA分别与数据交互缓冲单元、采样单元连接，从采样单元中读取采样数据存储至数据交互缓冲单元；
DSP，与数据交互缓冲单元相连，将从上位机获取的控制参数存储至数据缓冲单元，并通过读取数据交互缓冲单元中的采样数据与获取的控制参数进行对比，发送并联部分输出信号及串联部分输出信号给数据交互缓冲单元；
FPGA根据从数据交互缓冲单元中读取的并联部分输出信号及串联部分输出信号，输出并联部分驱动信号及串联部分驱动信号给主路单元，对主路单元进行控制。
优选地，所述LCL无源滤波器包括电容Cfc、电感Lfg及电感Lf2，所述电容Cfc、电感Lfg及电感Lf2的一端相连，所述电容Cfc的另一端与电网的N线连接，所述电感Lfg的另一端与电网的相线连接；
所述单相三电平半桥整流器包括依次串联的4个IGBT单管V1、V2、V3、V4以及2个二极管T1、T2，二极管T1、T2串联后两端接入IGBT单管V2、V3的两侧，电感Lf2的另一端接入IGBT单管V2与V3间，4个IGBT单管的栅极受并联部分驱动信号的控制；
所述储能电容包括储能电容C1与储能电容C2，储能电容C1的负极与储能电容C2的正极连接，储能电容C1的正极与IGBT单管V1的源极连接，储能电容C2的负极与IGBT单管V4的漏极连接；
所述单相三电平半桥逆变器包括依次串联的4个IGBT单管V5、V6、V7、V8以及2个二极管T3、T4，二极管T3、T4串联后两端接入IGBT单管V6、V7的两侧，4个IGBT单管的栅极受串联部分驱动信号的控制；
所述二极管T1的正端、二极管T2的负端、储能电容C1的负端、储能电容C2的正端、二极管T3的正端及二极管T4的负端还与电网的N线连接；
所述LC滤波器包括电感Lf3及电容Cf，所述电容Cf的一端与电网的N线连接、另一端与电感Lf3的一端及负载ZL连接，所述电感Lf3的另一端与IGBT单管V6的漏极连接。
优选地，所述采样单元所采集的采样数据包括电容C1两端的电压Udcl、电容C2两端的电压Udc2、电网电压Us、电感Lf2的电流i3、电容Cfc的电流i4、电容Cf两端的电压U0、电感Lf3的输出电流IL及负载ZL的电流IZ。
由于上述技术方案的运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：本实用新型的串联有源电压质量治理系统，其采用的控制器中包含了DSP、FPGA双CPU，该控制器综合利用DSP做数字处理，具有时序逻辑强的特点，结合FPGA控制快、延迟小的优点，其性能可与模拟系统相媲美，可以对电网电压做及时、可靠的补偿处理，提高电网电压质量，同时采用三电平半桥结构较两电平桥式结构具有桥臂数量少，桥臂之间不存在耦合的特点，降低了IGBT单管上的电压应力，减小了系统的体积及损耗，提高了系统的稳定性。
附图说明
图1是本实用新型所述的串联有源电压质量治理系统的结构图；
图2为本实用新型基于DSP和FPGA的双CPU控制器框图；
图3为本实用新型中DSP执行流程图；
图4为本实用新型中FPGA执行流程图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例来对本实用新型的技术方案作进一步的阐述。
一种串联有源电压质量治理系统，包括控制器、交流电网、主路单元、旁路单元及负载，该旁路单元置于交流电网与负载间，主路单元包括并联部分与串联部分，并联部分包括LCL无源滤波器、单相三电平半桥整流器、储能电容；串联部分包括单相三电平半桥逆变器及LC滤波器，该控制器包括DSP、数据交互缓冲单元、FPGA及采样单元，参见图2所示，其中：
采样单元用于实时监测系统运行情况，获得采样数据；
FPGA分别与数据交互缓冲单元、采样单元连接，从采样单元中读取采样数据存储至数据交互缓冲单元；
DSP，与数据交互缓冲单元相连，将从上位机获取的控制参数存储至数据缓冲单元，并通过读取数据交互缓冲单元中的采样数据与获取的控制参数进行对比，发送并联部分输出信号及串联部分输出信号给数据交互缓冲单元；
FPGA根据从数据交互缓冲单元中读取的并联部分输出信号及串联部分输出信号，输出并联部分驱动信号及串联部分驱动信号给主路单元，对主路单元进行控制。
具体的，参见图1所示，这里，LCL无源滤波器包括电容Cfc、电感Lfg及电感Lf2，电容Cfc、电感Lfg及电感Lf2的一端相连，电容Cfc的另一端与电网的N线连接，电感Lfg的另一端与电网的相线连接；
单相三电平半桥整流器包括依次串联的4个IGBT单管V1、V2、V3、V4以及2个二极管T1、T2，二极管T1、T2串联后两端接入IGBT单管V2、V3的两侧，电感Lf2的另一端接入IGBT单管V2与V3间，4个IGBT单管的栅极受并联部分驱动信号的控制；
储能电容包括储能电容C1与储能电容C2，储能电容C1的负极与储能电容C2的正极连接，储能电容C1的正极与IGBT单管V1的源极连接，储能电容C2的负极与IGBT单管V4的漏极连接；
单相三电平半桥逆变器包括依次串联的4个IGBT单管V5、V6、V7、V8以及2个二极管T3、T4，二极管T3、T4串联后两端接入IGBT单管V6、V7的两侧，4个IGBT单管的栅极受串联部分驱动信号的控制；
二极管T1的正端、二极管T2的负端、储能电容C1的负端、储能电容C2的正端、二极管T3的正端及二极管T4的负端还与电网的N线连接；
LC滤波器包括电感Lf3及电容Cf，电容Cf的一端与电网的N线连接、另一端与电感Lf3的一端及负载ZL连接，电感Lf3的另一端与IGBT单管V6的漏极连接。
其采样单元所采集的采样数据包括电容C1两端的电压Udcl、电容C2两端的电压Udc2、电网电压Us、电感Lf2的电流i3、电容Cfc的电流i4、电容Cf两端的电压U0、电感Lf3的输出电流IL及负载ZL的电流IZ。
这里，在主路单元采用LCL无源滤波器，较与LC滤波器多了一级网侧滤波电感，可以对桥侧输出电流进行并联阻抗分流再滤除开关次，有效降低注入电网电流中的谐波电流分量。
单相三电平半桥整流器电平数的增加，使其直流输出侧具有更小的电压脉动及更好的动态性能，也使得电源侧电流比两电平的电路更接近正弦，且随着电平数的增加，正弦性越好，功率因数更高，且桥臂开关数量的增加也有利于降低开关管上的电压应力，提高系统工作的稳定性。
直流侧采用储能电容C1和电容C2具有滤波、储能的作用。
单相三电平半桥整流器与电网、LCL滤波器及直流侧储能大电容C1、C2形成整流系统，为串联逆变部分提供稳定的直流母线电压。
LC滤波器对逆变器输出的三电平交流电压进行滤波，将其滤成标准的正弦波。
单相三电平半桥逆变器输入端接直流侧储能大电容，输出接LC滤波单元的滤波电感，LC滤波电路的滤波电容与电网系统N线连接，等效于在电网中串入一个电压源。工作时，根据电网过、欠压的具体情况，逆变输出相应的交流电压叠加到电网中进行电网电压补偿。
本系统具体控制过程如下：
1)DSP上电、初始化并从上位机获取控制参数，将控制参数存储至数据交互缓冲单元；
FPGA上电运行，实时读取数据交互缓冲单元及采样单元，根据读取的数据产生并联部分驱动信号及串联部分驱动信号；同时将采样数据存储至数据交互缓冲单元；
2）DSP使硬件电路单元处于旁路状态，读取数据交互缓冲单元的采样数据，判断电网电压Us是否合格，如果合格，继续处于旁路状态，如果不合格，发送并联部分输出信号给数据交互缓冲单元；
3）FPGA在数据交互缓冲单元中读取到并联部分输出信号时，输出并联部分驱动信号，以进行并联部分直流母线稳压控制；
4）并联部分运行后，DSP将硬件电路单元从旁路切换到主路；
5）DSP发送串联部分输出信号给数据交互缓冲单元；
6）FPGA在数据交互缓冲单元中读取到串联部分输出信号时，输出串联部分驱动信号，进行串联部分逆变输出。DSP和FPGA的执行流程分别参见图3、4所示。
这里，该系统采用的控制器综合利用DSP做数字处理，具有时序逻辑强的特点，结合FPGA控制快、延迟小的优点，其性能可与模拟系统相媲美，可以对电网电压做及时、可靠的补偿处理，提高电网电压质量，同时采用三电平半桥结构较两电平桥式结构具有桥臂数量少，桥臂之间不存在耦合的特点，降低了IGBT单管上的电压应力，减小了系统的体积及损耗，提高了系统的稳定性。
上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种串联有源电压质量治理系统，包括控制器、交流电网、主路单元、旁路单元及负载，所述旁路单元置于交流电网与负载间，其特征在于，所述主路单元包括并联部分与串联部分，并联部分包括LCL无源滤波器、单相三电平半桥整流器、储能电容；串联部分包括单相三电平半桥逆变器及LC滤波器，所述控制器包括DSP、数据交互缓冲单元、FPGA及采样单元，其中：
采样单元用于实时监测系统运行情况，获得采样数据；
FPGA分别与数据交互缓冲单元、采样单元连接，从采样单元中读取采样数据存储至数据交互缓冲单元；
DSP，与数据交互缓冲单元相连，将从上位机获取的控制参数存储至数据缓冲单元，并通过读取数据交互缓冲单元中的采样数据与获取的控制参数进行对比，发送并联部分输出信号及串联部分输出信号给数据交互缓冲单元；
FPGA根据从数据交互缓冲单元中读取的并联部分输出信号及串联部分输出信号，输出并联部分驱动信号及串联部分驱动信号给主路单元，对主路单元进行控制。
2.根据权利要求1所述的串联有源电压质量治理系统，其特征在于，所述LCL无源滤波器包括电容Cfc、电感Lfg及电感Lf2，所述电容Cfc、电感Lfg及电感Lf2的一端相连，所述电容Cfc的另一端与电网的N线连接，所述电感Lfg的另一端与电网的相线连接；
所述单相三电平半桥整流器包括依次串联的4个IGBT单管V1、V2、V3、V4以及2个二极管T1、T2，二极管T1、T2串联后两端接入IGBT单管V2、V3的两侧，电感Lf2的另一端接入IGBT单管V2与V3间，4个IGBT单管的栅极受并联部分驱动信号的控制；
所述储能电容包括储能电容C1与储能电容C2，储能电容C1的负极与储能电容C2的正极连接，储能电容C1的正极与IGBT单管V1的源极连接，储能电容C2的负极与IGBT单管V4的漏极连接；
所述单相三电平半桥逆变器包括依次串联的4个IGBT单管V5、V6、V7、V8以及2个二极管T3、T4，二极管T3、T4串联后两端接入IGBT单管V6、V7的两侧，4个IGBT单管的栅极受串联部分驱动信号的控制；
所述二极管T1的正端、二极管T2的负端、储能电容C1的负端、储能电容C2的正端、二极管T3的正端及二极管T4的负端还与电网的N线连接；
所述LC滤波器包括电感Lf3及电容Cf，所述电容Cf的一端与电网的N线连接、另一端与电感Lf3的一端及负载ZL连接，所述电感Lf3的另一端与IGBT单管V6的漏极连接。
3.根据权利要求2所述的串联有源电压质量治理系统，其特征在于，所述采样单元所采集的采样数据包括电容C1两端的电压Udcl、电容C2两端的电压Udc2、电网电压Us、电感Lf2的电流i3、电容Cfc的电流i4、电容Cf两端的电压U0、电感Lf3的输出电流IL及负载ZL的电流IZ。
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