專利名稱：一種基于無功補償電容的電能質量調節裝置及其控制方法
技術領域：
本發明屬于電能質量控制領域，涉及一種基于無功補償電容的基于無功補償電容的電能質量調節裝置及其控制方法。
背景技術：
隨著電力電子技術的發展，電力電子裝置在工業中的應用日趨廣泛。不控整流器和相控整流器作為電源裝置的輸入級得到大量的使用，在方便的實現了交流直流變換的同時在電網側引起大量諧波和無功電流，進而造成公共連接點電壓畸變，嚴重影響供電質量。如果功率因數和諧波畸變等不能滿足電網規定的標準，工業用戶將會被處以高額的罰款。
動態無功補償裝置，比如由固定電容器組FB和晶閘管相控電抗器TCR組成的靜態無功補償器SVC，還有基于直流-交流變換器的靜止同步補償器STATC0M等，已經在電網中得到了大量的應用。但是這些動態無功補償的解決方案對于工業用戶校正功率因數來講成本很高。對于諧波補償裝置，結構簡單、運行可靠的無源濾波器PPF應用非常廣泛，但是為滿足補償多次諧波的要求需要同時使用多個無源濾波器，占地面積龐大，且無源濾波器存在與電網發生諧振的潛在危險。基于直流-交流變換器的有源電力濾波器APF可以一次補償多次諧波，且有較好的動態性能，但價額昂貴，可靠性較差。鑒于傳統配電網無功和諧波治理方式的不足，基于矩陣式變換器和直接交-交變換器的新型無功和諧波治理裝置被提了出來。而矩陣式變換器因為其自身具有大量的雙向功率開關器件和復雜的控制策略，其可靠性不高。而升壓型的直接交-交變換器由于其在額定電網電壓下無功補償存在理論上的下限，且工作時器件需要承受需數倍于電網電壓峰值的電壓，在一些有特定要求的場合，也不是無功和諧波治理裝置的合適結構。
發明內容
針對現有技術的缺陷，本發明的目的在于提供一種能較好的治理配電網中的諧波且能同時連續補償電網中的無功的基于無功補償電容的電能質量調節裝置。為實現上述目的，本發明提供了一種基于無功補償電容的電能質量調節裝置，包括以并聯方式連接在單相電網與單相非線性負載之間的變換模塊，所述變換模塊包括第一開關管、第二開關管、第三開關管、第四開關管、第一電容、第一電感以及連接在單相電網火線與零線之間的串聯連接的第二電感和第二電容；所述第一開關管的一端連接至所述第二電感和所述第二電容的串聯連接端，所述第一開關管的另一端與所述第二開關管的一端連接；所述第二開關管的另一端與所述第四開關管的另一端連接；所述第四開關管的一端與所述第三開關管的另一端連接；所述第三開關管的一端連接至所述第二電容與單相電網相連的連接端；所述第一電容的一端連接至所述第四開關管與所述第三開關管的連接端，所述第一電容的另一端通過所述第一電感連接至所述第一開關管與所述第二開關管的連接端；所述第一開關管、第二開關管、第三開關管和第四開關管的控制端均接收外部的驅動信號，根據外部的驅動信號控制一端與另一端之間的導通；所述第一開關管和第三開關管導通的同時所述第二開關管和第四開關管截止，所述第一開關管和第三開關管截止的同時所述第二開關管和第四開關管導通。更進一步地，所述第一開關管與所述第二開關管組合成為半橋式封裝的開關管模塊，所述第三開關管與所述第四開關管組合成為半橋式封裝的開關管模塊。更進一步地，所述第一開關管、所述第二開關管、所述第三開關管和所述第四開關管為IGBT管或MOS管；IGBT管的柵極作為所述開關管的控制端，IGBT管的集電極作為所述開關管一端，IGBT管的發射極作為所述開關管的另一端。本發明的目的還提供一種實現上述的基于無功補償電容的電能質量調節裝置的控制方法，包括下述步驟Sll :獲取單相電網電壓的相位Θ ；S12 :將單相電網電源側的電流is中不同頻率的諧波信號轉化為直流信號idn和iqn η表示諧波次數，n = 2k+l, k為非負整數；S13 :在dq坐標系中對直流信號Idn和iqn進行PID控制；S14 :將經過PID控制后得到的信號Cldn和(Iqn轉換為η次參考調制信號d:;S15 :將各次參考調制信號疊加獲得總的參考調制信號(T ；S16 :將總的參考調制信號(T與高頻鋸齒載波比較產生PWM信號并控制開關管的開斷從而控制諧波電流和無功電流。更進一步地，步驟S12具體為將單相電網電源側的電流is變換為靜止坐標系α β中的電流i α e，通過第一級dq變換和低通濾波變換將電流信號i α 0中不同頻率的諧波信號轉化為dq坐標系中的直流信號Idn和iqn，所述直流信號Idn和iqn對應的dq變換采用的參考相位為η Θ。更進一步地，在步驟S14中，通過第二級dq反變換將經過PID控制后的信號(Idn和dqn轉換為η次參考調制信號dn% dq反變換采用的參考相位為(η_1) Θ，參考調制信號取自dq反變換后a相的信號。 本發明的目的還提供一種基于無功補償電容的電能質量調節裝置，包括連接在三相電網與三相非線性負載之間的變換電路，所述變換電路包括三個分別與所述三相電網的火線連接的變換模塊；所述變換模塊包括第一電感、第一電容、第一開關管、第二開關管、第三開關管、第四開關管、第二電感和第二電容；所述第二電感的一端與三相電網連接，所述第二電感的另一端通過所述第二電容連接至所述基于無功補償電容的電能質量調節裝置的中性點；所述第一開關管的一端連接至所述第二電感的另一端；所述第二開關管的一端連接至所述第一開關管的另一端；所述第四開關管的一端連接至所述第三開關管的另一端；所述第四開關管的另一端連接至所述第二開關管的另一端；所述第一電容的一端連接至所述第四開關管與所述第三開關管的連接端，所述第一電容的另一端通過所述第一電感連接至所述第一開關管與第二開關管的連接端；所述第一開關管、第二開關管、第三開關管和第四開關管的控制端均接收外部的驅動信號，根據外部的驅動信號控制所述第一開關管和第三開關管導通的同時所述第二開關管和第四開關管截止，所述第一開關管和第三開關管截止的同時所述第二開關管和第四開關管導通；每個變換模塊中的第三開關管的一端連接在一起構成所述基于無功補償電容的電能質量調節裝置的所述中性點。
本發明還提供一種實現上述的基于無功補償電容的電能質量調節裝置的控制方法，包括下述步驟S21 :獲取三相電網電壓的相位Θ ；S22:將三相電網電源側的電流信號中所含不同相序和頻率的諧波信號轉化為直流信號idn±和iqn±，其中“土 ”表示相序的正負，η表示諧波次數，n = 6k±l，k為整數，直流信號idn±和iqn±對應的dq變換采用的參考相位為±η Θ ；S23 :對直流信號和iqn±進行PID控制；S24 :將經過PID控制后得到的信號cU±和(^±轉換為η次參考調制信號dxn±，其中X表示a, b, c三相中的一相；S25 :將每相各次參考調制信號疊加獲得總的參考調制信號dx%其中η次負序電流 對應的三相參考調制信號dxn_分別取自dq反變換后abc三相的結果，而η次正序電流對應的三相參考調制信號dxn+均取自dq反變換后a相的結果；S26 :將每相總的參考調制信號d/與高頻鋸齒載波比較產生PWM信號并控制對應相的開關管的開斷從而控制諧波電流和無功電流。更進一步地，在步驟S22中，通過第一級的dq變換和低通濾波變換將三相電網電源側的電流信號isab。中所含不同相序和頻率的諧波信號轉化為直流信號idn±和iqn±。更進一步地，步驟S24具體為通過第二級dq反變換將經過PID控制后的信號ddn±和dqn±轉換為η次參考調制信號dxn土，dq反變換采用的參考相位為(η_1) Θ。
本發明提供的基于無功補償電容的電能質量調節裝置通過占空比偶次諧波調制對開關管實施脈寬調制，可同時對電網電源側的無功電流及諧波電流進行動態補償；能較好的治理配電網中的諧波。
圖I為本發明實施例提供的與單相電網連接的基于無功補償電容的電能質量調節裝置的電路結構示意圖；圖2為本發明實施例提供的與單相電網連接的基于無功補償電容的電能質量調節裝置的控制方法示意圖；圖3為本發明實施例提供的與三相電網連接的基于無功補償電容的電能質量調節裝置的電路結構示意圖；圖4為本發明實施例提供的與三相電網連接的基于無功補償電容的電能質量調節裝置的控制方法示意圖；圖5為本發明實施例提供的對與單相電網連接的基于無功補償電容的電能質量調節裝置進行無功和諧波補償時PCC處的電壓電流波形示意圖；圖6為本發明實施例提供的對與三相電網連接的基于無功補償電容的電能質量調節裝置進行無功和諧波補償時PCC處的a相電壓電流波形示意圖。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。圖I示出了本發明實施例提供的與單相電網連接的基于無功補償電容的電能質量調節裝置的電路結構；為了便于說明，僅示出了與本發明實施例相關的部分，詳述如下基于無功補償電容的電能質量調節裝置包括以并聯方式連接在單相電網與單相非線性負載2之間的變換模塊1，變換模塊I包括第一開關管Tl、第二開關管T2、第三開關管T3、第四開關管T4、第一電容C、第一電感Lfi以及依次串聯連接在單相電網火線與零線之間的第二電感Lf2和第二電容Cf ;第一開關管Tl的一端連接至第二電感Lf2和第二電容Cf的串聯連接端，第一開關管Tl的另一端與第二開關管T2的一端連接；第二開關管T2的另一端與第四開關管T4的另一端連接；第四開關管T4的一端與第三開關管T3的另一端連接；第三開關管T3的一端連接至單相電網零線；第一電容C的一端連接至第四開關管T4與第三開關管T3的連接端，第一電容C的另一端通過第一電感Lfi連接至第一開關管Tl與第二開關管T2的連接端；第一開關管Tl、第二開關管T2、第三開關管T3和第四開關管T4 的控制端均接收外部的驅動信號，根據外部的驅動信號控制一端與另一端之間的導通；第一開關管Tl和第三開關管T3導通的同時第二開關管T2和第四開關管T4截止，第一開關管Tl和第三開關管T3截止的同時第二開關管T2和第四開關管T4導通。作為本發明的另一個實施例，第二電感Lf2可以與單相電網零線連接，此時第二電容(；和第三開關管T3的一端分別與單相電網火線連接。在本發明實施例中，第一開關管Tl與第二開關管T2可以組合成為半橋式封裝的開關管模塊，第三開關管T3與第四開關管T4可以組合成為半橋式封裝的開關管模塊。作為本發明的一個實施例，第一開關管Tl、第二開關管T2、第三開關管T3和第四開關管T4可以為帶有反并聯二極管的IGBT管或MOS管；當上述開關管均采用IGBT管時，第一 IGBT管Tl的發射極與第二 IGBT管T2的集電極相連，第二 IGBT管T2的發射極與第四IGBT管T4的發射極相連，第四IGBT管T4的集電極與第三IGBT管T3的發射極相連，輸出電感Lfi的一端與第一 IGBT管Tl的發射極相連，輸出電感Lfi的另一端與無功補償電容C相連，無功補償電容C的另一端與第三IGBT管T3的發射極相連，LC濾波器中電感Lf2的一端與單相電網火線相連，LC濾波器中電感Lf2的另一端與LC濾波器中的電容Cf和第一 IGBT管Tl的集電極相連，LC濾波器中的電容Cf的另一端與第三IGBT管T3的集電極和單相電網零線相連，所有IGBT管的柵極均接收外部設備提供的驅動信號，其中第一 IGBT管Tl的柵極和第三IGBT管T3的柵極接收的驅動信號與所述的第二 IGBT管T2的柵極和第四IGBT管T4的柵極接收的驅動信號互補。本發明實施例提供的基于無功補償電容的電能質量調節裝置采用直接交-交變換方式，通過占空比偶次諧波調制對交流開關實施脈寬調制，可對電網電源側的無功電流及諧波電流進行動態補償；不但能較好的治理配電網中的諧波，還能同時連續補償電網中的無功；另外通過使用無功補償電容，并采用帶反并聯二極管的功率開關管組合封裝，可以在傳統的無功治理設備固定電容器組的基礎上進行升級改造，從而使得裝置的結構更加緊湊，裝置的裝設和維護成本降低，具有明顯的經濟效益。如圖2所示，實現上述的基于無功補償電容的電能質量調節裝置的控制方法包括下述步驟Sll :檢測PCC電壓vPCC，通過鎖相環節PLL獲取電網電壓的相位Θ ；
S12 :檢測單相電網電源側電流is，將is變換為靜止坐標系α β中的電流ia0(比如直接將is作為i a，將is延時1/4基波周期獲得i e，如下式(I)所示)，然后通過第一級的dq變換和二階巴特沃斯低通濾波器將電流信號iae中所含不同頻率的諧波信號轉化為dq坐標系中的直流信號idn和iqn，所述直流信號Idn和iqn對應的dq變換采用的參考相位為ηθ，采用的dq變換公式如式(2)所示，i’dn和為Wtin為dq變換后二階巴特沃斯低通濾波器之前的信號；
權利要求
1.一種基于無功補償電容的電能質量調節裝置，包括以并聯方式連接在單相電網與單相非線性負載之間的變換模塊，其特征在于，所述變換模塊包括 第一開關管、第二開關管、第三開關管、第四開關管、第一電容、第一電感以及連接在單相電網火線與零線之間且串聯連接的第二電感和第二電容； 所述第一開關管的一 端連接至所述第二電感和所述第二電容的連接端，所述第一開關管的另一端與所述第二開關管的一端連接；所述第二開關管的另一端與所述第四開關管的另一端連接；所述第四開關管的一端與所述第三開關管的另一端連接；所述第三開關管的一端連接至所述第二電容與單相電網相連的連接端； 所述第一電容的一端連接至所述第四開關管與所述第三開關管的連接端，所述第一電容的另一端通過所述第一電感連接至所述第一開關管與所述第二開關管的連接端； 所述第一開關管、第二開關管、第三開關管和第四開關管的控制端均接收外部的驅動信號，根據外部的驅動信號控制一端與另一端之間的導通；所述第一開關管和第三開關管導通的同時所述第二開關管和第四開關管截止，所述第一開關管和第三開關管截止的同時所述第二開關管和第四開關管導通。
2.如權利要求I所述的電能質量調節裝置，其特征在于，所述第一開關管與所述第二開關管組合成為半橋式封裝的開關管模塊，所述第三開關管與所述第四開關管組合成為半橋式封裝的開關管模塊。
3.如權利要求I所述的電能質量調節裝置，其特征在于，所述第一開關管、所述第二開關管、所述第三開關管和所述第四開關管為IGBT管或MOS管；IGBT管的柵極作為所述開關管的控制端，IGBT管的集電極作為所述開關管一端，IGBT管的發射極作為所述開關管的另一端。
4.一種實現權利要求1-3任一項所述的電能質量調節裝置的控制方法，其特征在于，包括下述步驟 511:獲取單相電網電壓的相位Θ ； 512:將單相電網電源側的電流is中不同頻率的諧波信號轉化為直流信號idn和iqn，η表示諧波次數，n = 2k+l，k為非負整數； 513:在dq坐標系中對直流信號idn和iqn進行PID控制； 514:將經過PID控制后得到的信號ddn和Clqn轉換為η次參考調制信號d:； 515:將各次參考調制信號疊加獲得總的參考調制信號(T ； 516:將總的參考調制信號cT與高頻鋸齒載波比較產生PWM信號并控制開關管的開斷從而控制諧波電流和無功電流。
5.如權利要求4所述的控制方法，其特征在于，步驟S12具體為將單相電網電源側的電流is變換為靜止坐標系α β中的電流i α 0，通過第一級dq變換和低通濾波變換將電流信號ia e中不同頻率的諧波信號轉化為dq坐標系中的直流信號Idn和iqn，所述直流信號idn和iqn對應的dq變換采用的參考相位為η Θ。
6.如權利要求4所述的控制方法，其特征在于，在步驟S14中，通過第二級dq反變換將經過PID控制后的信號Cldn和Clqn轉換為η次參考調制信號dn% dq反變換采用的參考相位為(η-1) Θ ,參考調制信號取自dq反變換后a相的信號。
7.一種電能質量調節裝置，包括連接在三相電網與三相非線性負載之間的變換電路，其特征在于，所述變換電路包括三個分別與所述三相電網的火線連接的變換模塊；所述變換模塊包括 第一電感、第一電容、第一開關管、第二開關管、第三開關管、第四開關管、第二電感和第二電容； 所述第二電感 的一端與三相電網連接，所述第二電感的另一端通過所述第二電容連接至所述電能質量調節裝置的中性點； 所述第一開關管的一端連接至所述第二電感的另一端；所述第二開關管的一端連接至所述第一開關管的另一端；所述第四開關管的一端連接至所述第三開關管的另一端；所述第四開關管的另一端連接至所述第二開關管的另一端；所述第一電容的一端連接至所述第四開關管與所述第三開關管的連接端，所述第一電容的另一端通過所述第一電感連接至所述第一開關管與第二開關管的連接端； 所述第一開關管、第二開關管、第三開關管和第四開關管的控制端均接收外部的驅動信號，根據外部的驅動信號控制所述第一開關管和第三開關管導通的同時所述第二開關管和第四開關管截止，所述第一開關管和第三開關管截止的同時所述第二開關管和第四開關管導通； 每個變換模塊中的第三開關管的一端連接在一起構成所述電能質量調節裝置的所述中性點。
8.一種實現權利要求7所述的電能質量調節裝置的控制方法，其特征在于，包括下述步驟 521:獲取三相電網電壓的相位Θ ； 522:將三相電網電源側的電流信號中所含不同相序和頻率的諧波信號轉化為直流信號idn±和iqn±，其中“土 ”表示相序的正負，η表示諧波次數，n = 6k±l，k為整數，直流信號idn±和iqn±對應的dq變換米用的參考相位為±η Θ ； 523:對直流信號idn±和iqn±進行PID控制； 524:將經過PID控制后得到的信號Cldni和dqn±轉換為η次參考調制信號dxn±，其中x表不a, b, c三相中的一相； 525:將每相各次參考調制信號疊加獲得總的參考調制信號dx%其中η次負序電流對應的三相參考調制信號dxn_分別取自dq反變換后abc三相的結果，而η次正序電流對應的三相參考調制信號dxn+均取自dq反變換后a相的結果； 526:將每相總的參考調制信號d/與高頻鋸齒載波比較產生PWM信號并控制對應相的開關管的開斷從而控制諧波電流和無功電流。
9.如權利要求8所述的控制方法，其特征在于，在步驟S22中，通過第一級的dq變換和低通濾波變換將三相電網電源側的電流信號isab。中所含不同相序和頻率的諧波信號轉化為直流信號idn±和iqn±。
10.如權利要求9所述的控制方法，其特征在于，步驟S24具體為通過第二級dq反變換將經過PID控制后的信號(Idni和dqn±轉換為η次參考調制信號dxn±, dq反變換采用的參考相位為(η-1) Θ。
全文摘要
本發明涉及電能質量控制領域，公開了一種基于無功補償電容的電能質量調節裝置及其控制方法；基于無功補償電容的電能質量調節裝置包括以并聯方式連接在單相電網與非線性負載之間的變換模塊，變換模塊包括LC濾波器、降壓型直接交-交變換電路和無功補償電容。本發明提供的基于無功補償電容的電能質量調節裝置通過占空比偶次諧波調制對開關管實施脈寬調制，可同時對電網電源側的無功電流及諧波電流進行動態補償；能較好的治理配電網中的諧波。
文檔編號H02J3/18GK102723716SQ20121017124
公開日2012年10月10日 申請日期2012年5月29日 優先權日2012年5月29日
發明者余強勝, 劉聰, 康勇, 張文祥, 戴珂, 段科威, 王欣 申請人:華中科技大學