一種綜合電能質量調節器及控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種綜合電能質量調節器，包括串、并聯有源濾波器單元、測量單元和控制單元。其中并聯有源濾波器單元和并聯無源濾波器單元串聯構成并聯單元，并聯接入系統；串聯有源濾波器單元由串聯控制單元控制，通過對第一逆變器單元各開關管的驅動，使串聯有源濾波器單元輸出正弦電流；并聯有源濾波器單元由并聯控制單元控制，通過對第二逆變器單元各開關管的驅動，使并聯有源濾波器單元輸出指定電壓；并聯無源濾波器單元為LC濾波電路，用于給負荷諧波電流提供低阻抗通路并補償負荷的無功功率。木發明克服了原有的并聯有源濾波器容量大、造價高的缺點；其檢測和控制系統簡單、輸出跟蹤效果較好；具有更好的補償效果、更高的性價比，且更易于硬件實現。
【專利說明】一種綜合電能質量調節器及控制方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于電力系統自動化領域，具體涉及一種電能質量調節器。
【背景技術】
[0002]近年來電力電子技術的發展，使得配電網中的整流器、變頻調速裝置、電弧爐、電氣化鐵道等非線性、不平衡和沖擊性負荷不斷增加。這些負荷在大大提高生產效率的同時，也給電網帶來了電能質量污染問題，如諧波、低功率因數、不平衡、以及電壓波動和閃變等。綜合電能質量調節器(UnifiedPower Quality Condit1ner, UPQC,也稱統一電能質量控制器)可以對這些電能質量問題進行綜合補償，它尤其適用于那些既會對系統產生電能質量污染，又對供電電壓變化十分敏感的負荷。歸納起來，當前正在應用和研究中的綜合電能質量調節器具有以下特點:
[0003]從結構上看，綜合電能質量調節器由串聯有源濾波器(Series ActivePowerFilter, SAPF)和并聯有源濾波器(Parallel Active Power Filter, PAPF)構成。從控制策略上看，串聯有源濾波器一般被控制為電壓源，其輸出電壓與系統諧波電流ish和/或系統諧波電壓Vsh成正比，且一般還要求它能將負荷側電壓幅值穩定在額定值附近；而并聯有源濾波器則一般被控制為電流源，用于吸收負荷的諧波ilh和/或無功電流il,，并維持整個裝置的有功功率平衡。
[0004]此類技術參考文獻有:AkigiH.New Trends in Active Filters forPowerCondit1ning[J].1EEE Trans, on Industrial Applicat1n, 1996, 2(6):1312-1322。
[0005]當前正在應用和研究的綜合電能質量調節器如圖1所示，一般包含串聯有源濾波器單元1、并聯有源濾波器單元2、測量單元3和控制部件4。其中::Lfl，Lf2和Cfl，Cf2分別為濾波電感和電容；直流電容Cd用于向第一逆變器單元1.1和第二逆變器單元2.1提供直流電壓Vd。；組成第一和第二逆變器單元的開關管為可關斷電力電子開關器件(絕緣柵雙極型晶閘管IGBT、門極可關斷晶閘管GTO等)中的一種；第一逆變器單元1.1通過第一變壓器單元1.2向系統注入電壓vis，Vis —般與ish，(ish為系統電流is的諧波分量)和/或vsh(vsh為系統電壓Vs的諧波分量)成正比，有的綜合電能質量調節器還要求Vss可以將負荷電壓V1的基波幅值維持在額定值附近；第二逆變器單元2.1通過第二變壓器單元2.2向系統注入電流i。，電流i。一般用于補償負荷電流I1的諧波分量和維持直流側電壓Vdc的穩定，某些綜合電能質量調節器還要求i。可以補償負荷電流I1的無功分量和不對稱分量；測量單元3采用互感器或霍爾傳感器采集電壓電流信號(如vs，is等)；控制部件4根據測量單元3采集的信號進行控制，現有技術中有各種不同的控制方法，但一般將串聯有源濾波器控制為電壓源、將并聯有源濾波器控制為電流源。
[0006]上述綜合電能質量調節器存在以下問題:①并聯有源濾波器承受電壓較大(和整個負荷電壓相當)，從而所需容量較大，在工程實現時具有技術難度大、造價高和設備運行效率低等問題。②串聯有源濾波器被控制為一可控的電壓源，其輸出參考電壓通常包含一定諧波，從而使得檢測和控制系統復雜、輸出跟蹤效果不好。
【發明內容】
[0007]本發明的目的在于克服上述現有的缺陷，提供一種高性能的綜合電能質量調節器。該電能質量調節器可以減小其并聯部分的有源濾波器的容量，并改善其控制效果，提升其性價比。
[0008]本發明提供的一種綜合電能質量調節器，包括串聯有源濾波器單元、并聯有源濾波器單元、測量單元和控制單元，串聯有源濾波器單元中的第一逆變器單元和并聯有源濾波器單元中的第二逆變器單元共用一個直流貯能電容器，串聯有源濾波器單元通過第一變壓器單元串聯接入系統，測量單元用于采集來自電網、串聯有源濾波器單元和并聯有源濾波器單元的電壓、電流信號，其特征在于:
[0009]并聯有源濾波器單元和并聯無源濾波器單元串聯構成并聯單元，并聯接入系統；
[0010]控制單元由并聯控制單元和串聯控制單元構成，它根據從測量單元輸入的電壓、電流信號輸出驅動脈沖，其中，并聯控制單元用于控制并聯有源濾波器單元輸出指定的電壓，串聯控制單元用于控制串聯有源濾波器單元輸出正弦電流；
[0011]串聯有源濾波器單元由串聯控制單元控制，通過對第一逆變器單元各開關管的驅動，使串聯有源濾波器單元輸出正弦電流；
[0012]并聯有源濾波器單元由并聯控制單元控制，通過對第二逆變器單元各開關管的驅動，使并聯有源濾波器單元輸出指定電壓；
[0013]并聯無源濾波器單元為LC濾波電路，用于給負荷諧波電流提供低阻抗通路并補償負荷的無功功率。
[0014]上述并聯控制單元的結構為:無功計算單元根據輸入的負荷電壓和電流Vl、I1信號，計算負荷基波無功功率Q1,并將該信號傳遞給無功補償計算單元；基波分解單元根據輸入負荷電壓V1和電流I1信號，計算獲得負荷電壓基波有效值Vlf、同相單位正弦波v*lfl，和差相單位正弦波v*lf2認，其中v*lfl為與V1同相位的單位正弦波、v*lf2為超前于V1.電角度的單位正弦波；無功補償計算單元根據輸入信號Q1^lf和Xe，其中Xe為并聯無源濾波器單元的等值基波電抗、Vlf為負荷電壓的基波有效值，采用下式計算并聯有源濾波器單元需輸出的用于無功調節的電壓幅值V*iM:
[0015]V*iM = 1.41 (Vlf - Q1^XcAlf)
[0016]第一比例積分單元根據輸入信號Λ Vdc, AVdc = V*dc — Vd。，其中V*d。為直流電壓目標值、Vdc為直流電壓實際值，計算獲得并聯有源濾波器單元需輸出的用于穩定直流側電壓的電壓幅值v*ipp ;諧波分解單元根據輸入信號VI，計算獲得負荷電壓諧波分量Vlh，并將該信號傳遞給第二比例積分單元；第二比例積分單元根據輸入信號Vlh，計算獲得并聯有源濾波器單元需輸出的諧波電壓V*iM ;并聯脈沖寬度調制控制單元根據輸入信號v*lp，v*lp =v*ipp+v*ipq+v*iph? V*lpq = V*lM*vlfl, v*lpp = V*1PP*vlf2,計算獲得第二逆變器單元中開關管的觸發脈沖信號，并輸送給并聯驅動單元；并聯驅動單元根據輸入的觸發脈沖信號，對觸發脈沖信號進行隔離放大，輸出對第二逆變器單元中開關管的驅動脈沖，驅動開關管。
[0017]上述串聯控制單元的結構為:同步信號單元根據輸入信號Vs或^，計算獲得串聯有源濾波器單元需輸出的電流的參考單位正弦波i*lsu ;第三比例積分單元根據輸入信號Δ Vlf，Δ Vlf = V*lf - Vlf，其中Vlf為負荷電壓基波有效值，V*lf為負荷基波電壓目標有效值，計算獲得串聯有源濾波器單元需輸出的基波電流幅值I*ls;滯環電流單元根據輸入信號1*13和ils，其中，i*ls = I*ls*i*1Su，計算獲得第一逆變器單元中各開關管的觸發脈沖信號，輸送給串聯驅動單元；串聯驅動單元根據輸入的觸發脈沖信號，對觸發脈沖隔離放大，輸出對第一逆變器單元中開關管的驅動脈沖，驅動開關管。
[0018]本發明提出的綜合電能質量調節器在結構上，在并聯有源濾波器單元上串聯了一個并聯無源濾波器單元構成并聯單元，然后并聯接入系統；在控制策略上，串聯有源濾波器單元被控制為基波正弦電流源、并聯有源濾波器單元被控制為電壓源。
[0019]有益效果
[0020]本發明提出的綜合電能質量調節器和現有電能調節器在結構和工作方式上均不相同，它能很好地解決現有的電能質量調節器所存在的問題。
[0021]具體而言，本發明具有以下技術效果:
[0022]1、并聯有源濾波器單元所需容量小。本發明提供的綜合電能質量調節器的并聯單元由并聯無源濾波器單元和并聯有源濾波器單元串聯構成，大部分的基波電壓由并聯無源濾波器單元承擔，與傳統綜合電能質量調節器相比，本發明的并聯有源濾波器單元承受的電壓減小很多，從而大大減小了所需容量，克服了傳統的綜合電能質量調節器中并聯有源濾波器容量大、造價聞的缺點。
[0023]2、將串聯有源濾波器單元控制為基波正弦電流源，與現有的綜合電能質量調節器將串聯部分控制為諧波電壓源相比，其檢測和控制系統簡單、輸出跟蹤效果較好。
[0024]3、本發明提供的綜合電能質量調節器具有傳統綜合電能質量調節器的所有功能，同時具有更好的補償效果、更高的性價比，且更易于硬件實現。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1為現有的電能質量調節器的結構示意圖；
[0026]圖2為本發明提供的電能質量調節器的結構示意圖；
[0027]圖3為圖2中并聯控制單元的一種【具體實施方式】的控制框圖；
[0028]圖4為圖2中串聯控制單元的一種【具體實施方式】的控制框圖；
[0029]圖5為本發明的仿真研究系統圖；
[0030]圖6為未進行任何補償時的系統仿真波形；
[0031]圖7為本發明投入后的系統仿真波形。
【具體實施方式】
[0032]本發明提出的綜合電能質量調節器，如圖2，3，4所示，包括:串聯有源濾波器單元
1、并聯單元5、測量單元3、控制單元7。
[0033]串聯有源濾波器單元I通過第一變壓器單元1.2串聯接入系統，通過控制單元7的控制輸出正弦電流，從而強迫系統電流變為正弦，起到抑制系統電流諧波和負荷電壓動態恢復的作用，通過適當的控制(如后所述)還可以起到校正系統功率因數的作用；并聯單元5由并聯有源濾波器單元2和并聯無源濾波器單元6串聯構成，然后并聯接入系統，通過控制單元7的控制輸出指定電壓，起到穩定直流側電壓Vd。的作用，通過適當的控制(如后所述)還可以起到負荷功率因數調整、負荷電壓波形優化的作用；測量單元3采集電壓電流信號，并傳遞給控制單元7 ;控制單元7根據獲得的電壓電流信號，并根據如后所述的控制方法輸出驅動脈沖，對第一和第二逆變器單元的開關管進行驅動。
[0034]下面對各單元進行具體說明。
[0035]串聯有源濾波器單元I包括第一逆變器單元1.1、第一變壓器單元1.2和濾波電感電容Lfl、Cfl，各子單元和器件的結構和連接方法與前述串聯有源濾波器部件I相同，但控制方法不同，在本發明中，串聯有源濾波器單元I通過控制單元7的控制，輸出正弦電流，從而實現抑制系統諧波電流和負荷電壓動態恢復的目標，且根據需求還可以滿足校正系統功率因數的目標。
[0036]并聯單元5由并聯有源濾波器單元2和并聯無源濾波器單元6串聯構成；并聯有源濾波器單元2包括第二逆變器單元2.1、第二變壓器單元2.2和濾波電感電容Lf2、Cf2，各單元和器件的結構和連接方法與前述并聯有源濾波器單元2相同，但控制方法不同，在本發明中，并聯有源濾波器單元2通過控制單元7的控制，輸出指定的電壓，且輸出電壓必須考慮直流母線電壓穩定的要求，其次要滿足負荷節點動態功率因數調整、負荷電壓波形優化這兩個目標中一個或兩個的需求；并聯無源濾波器單元6是常規的LC濾波電路，可以由一個LC支路構成，也可以由兩個或多個LC支路并聯組成，其作用是給負荷諧波電流提供低阻抗通路并補償負荷的無功功率。
[0037]與現有技術相同，第一逆變器單元和第二逆變器單元共用一個直流貯能電容器Cd，使得第二逆變器單元向直流貯能電容器Cd充放電，提供串聯有源濾波器單元和并聯有源濾波器單元消耗的有功功率。
[0038]測量單元3的實現方式與現有技術中的測量部件3相同。
[0039]控制單元7包括并聯控制單元8和串聯控制單元9，分別用于對并聯有源濾波器單元2的輸出電壓、串聯有源濾波器單元I的輸出電流進行控制。
[0040]下面舉例說明并聯控制單元8和串聯控制單元9的一種【具體實施方式】。
[0041]如圖3所示，并聯控制單元8包含八個子單元，各子單元的功能和連接關系為:
[0042]無功計算單元8.1的輸入信號為負荷電壓和電流V1U1，采用現有的負荷基波無功的計算方法(如經典功率理論、Akagi瞬時功率理論等)，計算出負荷基波無功QJ負荷為感性時，Ql>0 ;反之(^〈0)，并將該信號傳遞給無功補償計算單元8.2 ；
[0043]無功補償計算單元8.2的輸入信號為Qp Vlf和Xe，其中Xe為并聯無源濾波器單元6的等值基波電抗、Vlf為負荷電壓的基波有效值(來自基波分解單元8.3，詳見下文)；該單元通過下式獲得并聯有源濾波器單元2需輸出的用于無功調節的電壓幅值V*iM:
[0044]V*iM = 1.41 (Vlf - Q1^XcAlf)
[0045]基波分解單元8.3的輸入信號為負荷電壓和電流V1U1，根據現有的方(如快速傅立葉變換和鎖相技術等)獲得負荷電壓基波有效值Vlf、同相單位正弦波v*lfl和差相單位正弦波v*lf2，其中，v*lfl為與V1同相位的單位正弦波、v*lf2為超前于vPO。電角度的單位正弦波。
[0046]第一比例積分單元8.4的輸入信號為Λ Vdc = V*dc - Vdc，其中V*d。為直流側電壓目標值、Vdc為直流側電壓實際值；根據比例積分算法獲得并聯有源濾波器單元2需輸出的用于穩定直流側電壓的電壓幅值V*lpp。
[0047]諧波分解單元8.5的輸入信號為V1 ;根據現有的方法(如快速傅立葉變換等)獲得負荷電壓諧波分量Vlh,并將該信號傳遞給第二比例積分單元8.6。
[0048]第二比例積分單元8.6的輸入信號為Vlh ;根據比例積分算法獲得并聯有源濾波器單元2需輸出的諧波電壓v*1Ph，其作用為優化負荷電壓波形。
[0049]V*lpp與v*lf2的乘積為并聯有源濾波器單元2需輸出的用于穩定直流側電壓的電壓v*lpp，其作用為將直流側電壓Vd。穩定在目標值V*d。附近；V*lM%v*lfl的乘積為并聯有源濾波器單元2需輸出的用于無功調節的電壓v*lM，其作用為校正負荷功率因數；v*lpp、V*lM、v*1Ph的和為并聯有源濾波器單元2需輸出的電壓v*lp(即:v*lp = v*lpp+V*lM+v*1Ph)。上述的乘法和加法可以用硬件電路(如乘法器、加法器)實現，也可以采用軟件編程實現。
[0050]并聯脈沖寬度調制(PWM)控制單元8.7的輸入信號為v*lp ;根據PWM控制方法獲得第二逆變器單元2.1中各開關管的觸發脈沖。
[0051]并聯驅動單元8.8的輸入信號為并聯PWM控制單元8.7輸出的觸發脈沖；利用現有的驅動電路(如IGBT、GTO集成驅動板等)，對觸發脈沖隔離放大，輸出對第二逆變器單元2.1中各開關管的驅動脈沖，對各開關管進行驅動。
[0052]如圖4所示，串聯控制單元9包含四個子單元，各子單元的功能和連接關系為:
[0053]同步信號單元9.1的輸入信號為Vs或is (選Vs時串聯有源濾波器單元I可以校正系統功率因數，選is時則不可)，根據現有的方法(如鎖相等)獲得串聯有源濾波器單元I需輸出的電流的參考單位正弦波i*lsu，其作用為使得串聯有源濾波器單元I輸出電流為正弦。
[0054]第三比例積分單元9.2的輸入信號為Λ Vlf,且Λ Vlf = V*lf — Vlf，其中V*lf為負荷基波電壓目標有效值；根據比例積分算法獲得串聯有源濾波器單元I需輸出的基波電流幅值I*is。
[0055]I*ls與i*lsu的乘積為串聯有源濾波器單元I需輸出的基波正弦電流i*ls，其作用為抑制系統電流諧波，和動態恢復負荷電壓(將Vlf穩定在目標值v*lf附近)，和/或校正系統功率因數。
[0056]滯環電流單元9.3的輸入信號為1*13和ils(串聯有源濾波器單元I實際輸出電流)；根據滯環電流控制的方法獲得第一逆變器單元1.1中各開關管的觸發脈沖。
[0057]串聯驅動單元9.4的輸入信號為滯環電流單元9.3輸出的觸發脈沖；利用現有的驅動電路(如IGBT，GTO集成驅動板等)，對觸發脈沖隔離放大，輸出對第一逆變器單元1.1中各開關管的驅動脈沖，對各開關管進行驅動。
[0058]對如圖5所示系統進行仿真研究，系統參數為:電源電壓為220V標準正弦電壓；系統電抗Zs = 0.045+J0.6 Ω ;并聯無源濾波器單元為三次和五次濾波支路的并聯，其中三次濾波支路參數L3 = 1mH, C3 = IlOyF,五次濾波支路參數L5 = 3.38mH, C5 = 120 μ F ;負荷為單相可控整流器帶電阻、電感串聯負荷，Zld = 2+」3Ω。
[0059]圖6所示為沒有進行任何補償時的仿真波形。由圖可見，此時，由于負荷非線性的緣故，負荷電壓\具有較大的畸變，其總諧波畸變度(THD)為7.072% ;負荷電壓諧波分量Vlh的幅值超過了 60V，如圖中的第二個波形所示，達到了其基波幅值的20% ;圖中的第三個波形為系統電流is波形，由圖可見，此時系統電流也存在較大的畸變，其總諧波畸變度為13.431%。
[0060]圖7給出了采用本發明提出的綜合電能質量調節器進行補償的仿真波形，此時并聯單元5對負荷功率因數進行校正，串聯有源濾波器單元I對系統功率因數進行校正。和圖6相比，此時負荷電壓，:的波形有了很大的改善，總諧波畸變度降為1.283%。
[0061]上述仿真結果表明，本發明提出的綜合電能質量調節器能有效地實現補償負荷諧波電流、抑制負荷電壓畸變、同時調整負荷節點功率因數和系統功率因數等功能。
【權利要求】
1.一種綜合電能質量調節器，包括串聯有源濾波器單元、并聯有源濾波器單元、測量單元和控制單元，串聯有源濾波器單元中的第一逆變器單元和并聯有源濾波器單元中的第二逆變器單元共用一個直流貯能電容器，串聯有源濾波器單元通過第一變壓器單元串聯接入系統，測量單元用于采集來自電網、串聯有源濾波器單元和并聯有源濾波器單元的電壓、電流信號，其特征在于: 并聯有源濾波器單元(2)和并聯無源濾波器單元(6)串聯構成并聯單元(5)，并聯接入系統； 控制單元(7)由并聯控制單元(8)和串聯控制單元(9)構成，它根據從測量單元(3)輸入的電壓、電流信號輸出驅動脈沖，其中，并聯控制單元(8)用于控制并聯有源濾波器單元(2)輸出指定的電壓，串聯控制單元(9)用于控制串聯有源濾波器單元(I)輸出正弦電流； 串聯有源濾波器單元(I)由串聯控制單元(9)控制，通過對第一逆變器單元(1.1)各開關管的驅動，使串聯有源濾波器單元(I)輸出正弦電流； 并聯有源濾波器單元(2)由并聯控制單元(8)控制，通過對第二逆變器單元(2.1)各開關管的驅動，使并聯有源濾波器單元(2)輸出指定電壓； 并聯無源濾波器單元(6)為LC濾波電路，用于給負荷諧波電流提供低阻抗通路并補償負荷的無功功率。
2.權利要求1所述的綜合電能質量調節器的控制方法，其特征在于:所述并聯控制單元(8)的控制結構為: 無功計算單元(8.1)根據輸入的負荷電壓和電流Vpi1信號，計算負荷基波無功％，并將該信號傳遞給無功補償計算單元(8.2)； 基波分解單元(8.3)根據輸入負荷電壓和電流V1U1信號，計算獲得負荷電壓基波有效值Vlf、同相單位正弦波v*lfl和差相單位正弦波v*lf2，其中，v*lfl為與V1同相位的單位正弦波、v*lf2為超前于vPO。電角度的單位正弦波； 無功補償計算單元(8.2)的輸入信號為％、Vlf和Xe，其中Xe為并聯無源濾波器單元6的等值基波電抗、Vlf為負荷電壓的基波有效值，通過下式獲得并聯有源濾波器單元(2)需輸出的用于無功調節的電壓幅值V*iM:
V*ipq = 1.41 (Vlf-Q^XcAlf) 第一比例積分單元(8.4)的輸入信號為Λ Vdc = V*dc - Vdc，其中V*d。為直流側電壓目標值、Vdc為直流側電壓實際值；根據比例積分算法獲得并聯有源濾波器單元(2)需輸出的用于穩定直流側電壓的電壓幅值V*lpp ; 諧波分解單元(8.5)的輸入信號為v1;計算獲得負荷電壓諧波分量Vlh，并將該信號傳遞給第二比例積分單元(8.6)； 第二比例積分單元(8.6)的輸入信號為vlh;計算獲得并聯有源濾波器單元(2)需輸出的諧波電壓v*1Ph ; 并聯脈沖寬度調制控制單元(8.7)根據輸入信號v*lp, v*lp = v*lpp+V*lM+v*1Ph), v*lM =V*iPq*v*ifi，v*ipp = V*lppH<v*lf2,計算獲得第二逆變器單元(2.I)中開關管的觸發脈沖信號，并輸送給并聯驅動單元(8.8)； 并聯驅動單元(8.8)根據輸入的觸發脈沖信號，對觸發脈沖信號進行隔離放大，輸出對第二逆變器單元(2.1)中開關管的驅動脈沖，驅動開關管。
3.根據權利要求1所述的綜合電能質量調節器，其特征在于:所述串聯控制單元(9)的控制結構為: 同步信號單元(9.1)根據輸入信號Vs或^，計算獲得串聯有源濾波器單元(I)需輸出的電流的參考單位正弦波i*lsu ; 第三比例積分單元((9.2)根據輸入信號Λ Vlf，且Λ Vlf = V*lf - Vlf，其中Vlf為負荷電壓基波有效值，V*lf為負荷基波電壓目標有效值，計算獲得串聯有源濾波器單元(I)需輸出的基波電流幅值Irs ； 滯環電流單元(9.3)根據輸入信號i*ls和ils，其中，i*ls = I*ls*i*1Su,計算獲得第一逆變器單元(1.D中各開關管的觸發脈沖信號，輸送給串聯驅動單元(9.4)； 串聯驅動單元(9.4)根據輸入的觸發脈沖信號，對觸發脈沖隔離放大，輸出對第一逆變器單元(1.D中開關管的驅動脈沖，驅動開關管。
【文檔編號】H02J3/01GK104201680SQ201410474863
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月17日 優先權日:2014年9月17日
【發明者】孫艷鶴, 盛天宇, 朱靜, 陳瑞國, 竇文君, 楊國鋒, 張云鵬 申請人:國家電網公司, 國網遼寧省電力有限公司檢修分公司