CN103997043B - 一种基于t型三电平的统一电能质量调节器及其调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于T型三电平的统一电能质量调节器，本发明是针对微电网电能质量问题，提出一种基于T型三电平逆变技术的统一电能质量调节器及控制方法。源、荷检测装置用于检测微电网的电源和负荷实时情况；串联型变换器用于串接在电源与负荷之间；并联型变换器用于并联在负荷侧；直流侧储能单元用于能量的存储；霍尔传感器用于量测变换器输出电流电压信息；模拟量采集单元将模拟信号通过外置AD集中转换成数字量；主数字控制器用于完成运行状态判断、数据分析等功能；驱动电路用于PWM信号的输出及故障硬件保护的实现。针对T型三电平UPQC的控制策略，提出了改进型准比例谐振电流控制策略和PWM脉冲优化切换的中点电压平衡控制策略。

Description

一种基于T型三电平的统一电能质量调节器及其调节方法

技术领域

统一电能质量调节器，即UPQC，它是一种具备有效解决大多数电能质量问题的综合补偿装置。本发明涉及一种基于T型三电平技术的微电网统一电能质量调节器及控制方法，属于智能电网领域。

背景技术

微电网是一种由微电源与负荷共同组成的***，其电能质量问题分析如下：在微电网中，除了负荷变化影响外，微电源输出功率波动也会引电压闪变；另外，非线性负荷将产生大量谐波，引发电网三相电压的不平衡；同时，微电源及各种电力电子变换器也会产生一定谐波，影响微电网的正常运行。

针对微电网上述综合电能质量问题，使用无源LC滤波器，虽可以减少谐波、改善交流负载的功率因数，但应用受限条件较多。另外，使用单一的串/并型有源电力滤波器或者单一的动态电压恢复器，均难以实现多种工况下的电能质量治理。

UPQC是一种能够有效解决微电网电压闪变、电流谐波等主要电能质量问题的装置：(图1的)串联型变换器部分通过在线检测负荷侧的电压跌落量，实时产生一个电压补偿量来抵消跌落量的影响，使得负荷侧的供电始终满足标准，有效解决了电压闪变问题；(图1的)并联型变换器部分通过在线检测微电源侧的电流畸变分量，并实时产生一个幅值相等相位相反的电流补偿量，以实现对电网电流畸变的矫正。主电路拓扑结构是UPQC的核心组成部分之一,现有多电平型主电路拓扑中应用最为广泛的是二极管钳位型三电平电路,它通过引入二极管来实现中点电压钳位，但直流电压平衡控制变得复杂。工程界急需一种新型高效的电路拓扑来大幅提升UPQC特性及性能，另外，UPQC的性能优劣还在于针对谐波电流的实时检测与分离，相关复杂算法对***实时性要求较高，因而对高速数字控制***的设计提出新要求。

发明内容

为了解决现上述问题，本发明提供一种基于T型三电平的统一电能质量调节器，可以有效补偿主电网电压跌落、波动、过电压、电压畸变，以及由微电网中非线性和不平衡负荷带来的综合供电质量问题，本发明主要应用在微电网中，微电网主要包括电源与负荷。

本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种基于T型三电平的统一电能质量调节器，包括用于检测电源的电源检测装置、负荷检测装置、串联型变换器、并联型变换器、储能单元、霍尔传感器、模拟量采集单元、主数字控制器、以及驱动电路，所述串联型变换器通过自耦变压器与微电网中的电源侧连接，所述并联型变换器并联在微电网中的负荷侧，所述储能单元同时与串联型变换器和并联型变换器连接，所述电源检测装置同时与微电源、串联型变换器以及主数字控制器连接,负荷检测装置同时与负荷以及模拟量采集单元连接,串联型变换器与并联型变换器还同时连接驱动电路与霍尔传感器，模拟量采集单元同时与主数字控制器以及霍尔传感器相连，主数字控制器还与驱动电路相连。

优选地，所述串联型变换器包括第一直流侧电容分压支路、第一三相全桥逆变电路、第一双向开关管、第二双向开关管以及第三双向开关管，所述第一、二、三双向开关管的一端均接于第一直流侧电容分压支路的中点o₁，另一端分别接所述第一三相全桥逆变电路的三相桥臂的中点，所述第一三相全桥逆变电路的三个桥臂中点构成串联型变换器的输出端；串联型变换器的输出端通过LC滤波电路，由自耦变压器串联接入微电网中的电源侧，所述并联型变换器包括:第二直流侧电容分压支路、第二三相全桥逆变电路、第四双向开关管、第五双向开关管、第六双向开关管，所述第四、五、六双向开关管的一端均接于第二电容分压支路的中点o₂，另一端分别接所述第二三相全桥逆变电路的三相桥臂的中点，所述第二三相全桥逆变电路的三个桥臂中点构成并联型变换器的输出端，该输出端通过LC滤波电路，并联接入微电网中的负荷侧。

优选地，所述第一直流侧分压支路包括电容C₁、电容C₂，第一三相全桥逆变电路包括开关管S_a13、开关管S_b13、开关管S_c13、开关管S_a14、开关管S_b14、开关管S_c14，第一双向开关管包括开关管S_a11、开关管S_a12，第二双向开关管包括开关管S_b11、开关管S_b12，第三双向开关管包括开关管S_c11、开关管S_c12；所述第二直流侧电容分压支路包括电容C₃、电容C₄，第二三相全桥逆变电路包括开关管S_a23、开关管S_b23、开关管S_c23、开关管S_a24、开关管S_b24、开关管S_c24，第四双向开关管包括开关管S_a21、开关管S_a22，第五双向开关管包括开关管S_b21、开关管S_b22，第六双向开关管包括开关管S_c21、S_c22。

优选地，所述主数字控制器还包括用于改善串、并联型变换器输出波形质量和稳定性的准比例谐振控制器。

一种基于T型三电平的统一电能质量调节器的电能质量调节方法，其特征在于：所述电能质量调节方法包括谐波电流调节方法与电压闪变补偿方法，其中：

所述谐波电流调节方法包括：主数字控制器实时检测U1、V1、W1处的电流量，将三相电流的数字量通过3/2坐标变换转到d、q同步坐标系下。其中，基波分量在d轴下表征为直流信号，谐波分量表征为交流信号。采用数字低通滤波器滤除交流信号，留下表征基波分量的直流量，并将该直流信号经3/2坐标反变换后与U1、V1、W1处检测的原始交流量作差，得到装置补偿用的畸变电流参考指令，准比例谐振控制器通过其电流控制策略实时跟踪并控制电流补偿效果；与此同时，实时检测电容C3、C4直流电压差，并进行上下压差调节，再将结果叠加至补偿分量中进行综合处理，并产生PWM脉冲信号。该脉冲信号按照优化次序驱动并联型变换器的A₂相开关管S_a21、S_a22、S_a23、S_a24，B₂相开关管S_b21、S_b22、S_b23、S_b24，D₂相开关管S_c21、S_c22、S_c23、S_c24，从而将电容C₃、C₄的直流电转换成与谐波分量大小相等相位相反的交流信号输出侧，再通过网侧滤波电感L_a2、L_b2、L_c2及电容C_u2、C_v2、C_w2组成的滤波电路处理后注入电网，最终保证电网电流波形满足良好的正弦度需求，其中开关管S_a21与S_a23、S_a22与S_a24、S_b21与S_b23、S_b22与S_b24、S_c21与S_c23、S_c22与S_c24的开通和关断情况是互补关系。

所述电压闪变补偿方法包括：主数字控制器实时检测U2、V2、W2处的电压幅值与相位信息，通过正/负序坐标变换与滤波处理运算，提取电压闪变时的畸变分量，进而得出相应补偿量，再经PWM脉冲优化模块产生一定次序的空间矢量PWM驱动脉冲，该PWM脉冲信号通过驱动电路单元进行功率放大后控制串联型变换器的A₁相开关管S_a11、S_a12、S_a13、S_a14，B₁相开关管S_b11、S_b12、S_b13、S_b14，D₁相开关管S_c11、S_c12、S_c13、S_c14的开通和关断，从而将存储在电容C₁、C₂的直流电变换成可以抵消电压跌落的三相交流分量。该输出分量通过网侧滤波电感L_a1、L_b1、L_c1及电容C_v1、C_u1、C_w1组成的滤波电路整形后，由耦合变压器T_u1、T_v1、T_w1接入线路，以实时补偿负荷侧U2、V2、W2的电压跌落值。其中，S_a11与S_a13，S_a12与S_a14，S_b11与S_b13，S_b12与S_b14，S_c11与S_c13，S_c12与S_c14的开通和关断情况是互补关系。

进一步的，所述准比例谐振控制器的电流控制策略包括以下步骤：

A、直流电压U_d经T型三电平逆变后，由LC滤波后得到电压V_o；

B、从V_o到V_i的传递函数为：其中 L为滤波电感量，C为滤波电容量，R为负载电阻，ω_n为固有频率，δ为误差率，V_o为输入电压；V_i为输出电压；s是时间t的拉氏变换；

C、基于准比例谐振控制器的电流控制，其传递函数为，其中，K_p、K_i分别为比例系数和积分系数，ω₀为谐振频率，ω_c为截止频率，s是时间t的拉氏变换；

D、基于滤波电容电流反馈的控制策略，基于电容电流反馈的开环传递函数为：其中L为滤波电感量，C为滤波电容量；R为负载电阻，K_v为电压反馈系数，K_i为电流反馈系数，K_svpwm为比例系数。

本发明所达到的有益效果是：

1.采用T型三电平技术，主回路开关管承受直流侧电压的一半，即为U_d/2，功率器件电压应力小；同时，电平数的增加，使得波形更接近正弦，谐波含量低。

2.统一电能质量调节器的串联型变换器和并联型变换器采用三相T型三电平作为主电路，其导通损耗更低，与二极管钳位三电平拓扑来说，器件数量得到进一步减少。

3.基于准比例谐振控制器的电流控制，有效改善变换器输出波形质量和稳定性。

附图说明

图1是本发明的总体结构与连接关系示意图；

图2是本发明并联型变换器与串联型变换器的电路示意图；

图3是单向T型三电平电路示意图；

图4是改进型准比例谐振控制器的传递函数框图。

具体实施方式

为了进一步描述本发明的技术特点和效果，以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述。

如1所示，一种基于T型三电平技术的微电网统一电能质量调节器，包括用于检测电源的电源检测装置1a、负荷检测装置1b、串联型变换器2、并联型变换器3、储能单元4、霍尔传感器5、模拟量采集单元6、主数字控制器7、以及驱动电路8，所述串联型变换器2三相住电路经LC滤波电路后通过自耦变压器串接到电网中，所述并联型变换器3通过LC滤波电路并联接入电网，所述储能单元4同时与串联型变换器2和并联型变换器3连接，所述电源检测装置1a同时与微电源、串联型变换器2以及主数字控制器7连接,负荷检测装置1b同时与负荷以及模拟量采集单元6连接,串联型变换器2与并联型变换器3还同时连接驱动电路8与霍尔传感器5，模拟量采集单元6同时与主数字控制器7以及霍尔传感器5相连，主数字控制器7还与驱动电路8相连；所述电源检测装置1a与负荷检测装置1b用于检测微电网的电源和负荷的实时情况，串联型变换器2为敏感负载提供高可靠的供电，有效解决电压暂降的问题，并联型变换器3用于解决负载引起的谐波电流畸变问题，所述串、并联型变换器均采用三相T型三电平技术，储能单元4用于串、并联型变换器的能量存储，霍尔传感器5用于测量变换器输出电流电压信息，所述模拟量采集单元6将采集到的电压与电流模拟信号通过AD转换器转换成数字量后再传给住数字控制器7，主数字控制器7对数据记性运算处理后通过PWM脉冲优化算法产生PWM信号，并经过驱动电路8放大后来驱动串、并联型变换器，所述主数字控制器用于完成装置运行状态判断、数据分析、事件管理、补偿策略实现、软件保护等，主数字控制器还设有改进型准比例谐振控制器，其主要通过电流控制策略来改善串、并联型变换器电压输出波形质量和稳定性。

参照图1和图2(其中图2是采用T型三电平技术的并联型变换器与串联型变换器的电路示意图)

所述串联型变换器2包括第一直流侧电容分压支路、第一三相全桥逆变电路、第一双向开关管、第二双向开关管以及第三双向开关管，所述第一、二、三双向开关管的一端均接于第一直流侧电容分压支路的中点o₁，另一端分别接所述第一三相全桥逆变电路的三相桥臂的中点，所述第一三相全桥逆变电路的三个桥臂中点构成串联型变换器2的输出端；串联型变换器2的输出端通过LC滤波电路，由自耦变压器串联接入微电网中的电源侧，所述并联型变换器3包括:第二直流侧电容分压支路、第二三相全桥逆变电路、第四双向开关管、第五双向开关管、第六双向开关管，所述第四、五、六双向开关管的一端均接于第二电容分压支路的中点o₂，另一端分别接所述第二三相全桥逆变电路的三相桥臂的中点，所述第二三相全桥逆变电路的三个桥臂中点构成并联型变换器3的输出端，该输出端通过LC滤波电路，并联接入微电网中的负荷侧，所述第一直流侧分压支路包括电容C₁、电容C₂，第一三相全桥逆变电路包括开关管S_a13、开关管S_b13、开关管S_c13、开关管S_a14、开关管S_b14、开关管S_c14，第一双向开关管包括开关管S_a11、开关管S_a12，第二双向开关管包括开关管S_b11、开关管S_b12，第三双向开关管包括开关管S_c11、开关管S_c12；所述第二直流侧电容分压支路包括电容C₃、电容C₄，第二三相全桥逆变电路包括开关管S_a23、开关管S_b23、开关管S_c23、开关管S_a24、开关管S_b24、开关管S_c24，第四双向开关管包括开关管S_a21、开关管S_a22，第五双向开关管包括开关管S_b21、开关管S_b22，第六双向开关管包括开关管S_c21、S_c22。

所述电能质量调节方法包括谐波电流调节方法与电压闪变调节方法，其中：

谐波电流调节方法包括：主数字控制器实时检测U1、V1、W1处的电流量，将三相电流的数字量通过3/2坐标变换转到d、q同步坐标系下。其中，基波分量在d轴下表征为直流信号，谐波分量表征为交流信号。采用数字低通滤波器滤除交流信号，留下表征基波分量的直流量，并将该直流信号经3/2坐标反变换后与U1、V1、W1处检测的原始交流量作差，得到装置补偿用的畸变电流参考指令，准比例谐振控制器通过其电流控制策略实时跟踪并控制电流补偿效果；与此同时，实时检测电容C3、C4直流电压差，并进行上下压差调节，再将结果叠加至补偿分量中进行综合处理，并产生PWM脉冲信号。该脉冲信号按照优化次序驱动并联型变换器(3)的A₂相开关管S_a21、S_a22、S_a23、S_a24，B₂相开关管S_b21、S_b22、S_b23、S_b24，D₂相开关管S_c21、S_c22、S_c23、S_c24，从而将电容C₃、C₄的直流电转换成与谐波分量大小相等相位相反的交流信号输出侧，再通过网侧滤波电感L_a2、L_b2、L_c2及电容C_u2、C_v2、C_w2组成的滤波电路处理后注入电网，最终保证电网电流波形满足良好的正弦度需求，其中开关管S_a21与S_a23、S_a22与S_a24、S_b21与S_b23、S_b22与S_b24、S_c21与S_c23、S_c22与S_c24的开通和关断情况是互补关系；

电压闪变补偿方法包括：主数字控制器实时检测U2、V2、W2处的电压幅值与相位信息，通过正/负序坐标变换与滤波处理运算，提取电压闪变时的畸变分量，进而得出相应补偿量，再经PWM脉冲优化模块产生一定次序的空间矢量PWM驱动脉冲，该PWM脉冲信号通过驱动电路单元进行功率放大后控制串联型变换器(2)的A₁相开关管S_a11、S_a12、S_a13、S_a14，B₁相开关管S_b11、S_b12、S_b13、S_b14，D₁相开关管S_c11、S_c12、S_c13、S_c14的开通和关断，从而将存储在电容C₁、C₂的直流电变换成可以抵消电压跌落的三相交流分量。该输出分量通过网侧滤波电感L_a1、L_b1、L_c1及电容C_v1、C_u1、C_w1组成的滤波电路整形后，由耦合变压器T_u1、T_v1、T_w1接入线路，以实时补偿负荷侧U2、V2、W2的电压跌落值。其中，S_a11与S_a13，S_a12与S_a14，S_b11与S_b13，S_b12与S_b14，S_c11与S_c13，S_c12与S_c14的开通和关断情况是互补关系。

为了满足***的抗干扰性能以及对输出电压波形高质量的要求，本发明提出了基于准比例谐振控制器的电流控制策略。其步骤如下：

步骤一，单相T型三电平拓扑如图3所示，直流电压U_d经T型三电平逆变后，由LC滤波后得到电压V_o。

步骤二，从V_o到V_i的传递函数为：

其中，L为滤波电感量；C为滤波电容量；R为负载电阻；ω_n为固有频率；δ为误差率；V_o为输入电压；V_i为输出电压；s是时间t的拉氏变换。

步骤三，基于准比例谐振控制器的电流控制，其控制框图如图4所示。

为准比例谐振控制器的传递函数，其中，K_p、K_i分别为比例系数和积分系数，ω₀为谐振频率，ω_c为截止频率。

步骤四，基于滤波电容电流反馈的控制策略，可提前校正逆变器输出电压，使***的负载特性***。

基于电容电流反馈***的开环传递函数为：

其中，L为滤波电感量；C为滤波电容量；R为负载电阻；K_v为电压反馈系数；K_i为电流反馈系数；K_svpwm为比例系数。

上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采取等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于T型三电平的统一电能质量调节器的电能质量调节方法，其特征在于：所述电能质量调节方法包括谐波电流调节方法与电压闪变补偿方法，其中：

所述谐波电流调节方法包括：主数字控制器实时检测U1、V1、W1处的电流量，将三相电流的数字量通过3/2坐标变换转到d、q同步坐标系下，其中，基波分量在d轴下表征为直流信号，谐波分量表征为交流信号，采用数字低通滤波器滤除交流信号，留下表征基波分量的直流量，并将该直流信号经3/2坐标反变换后与U1、V1、W1处检测的原始交流量作差，得到装置补偿用的畸变电流参考指令，准比例谐振控制器通过其电流控制策略实时跟踪并控制电流补偿效果；与此同时，实时检测电容C3、C4直流电压差，并进行上下压差调节，再将调节结果叠加至补偿分量中进行综合处理，并产生PWM脉冲信号，该脉冲信号按照优化次序驱动并联型变换器(3)的A₂相开关管S_a21、S_a22、S_a23、S_a24，B₂相开关管S_b21、S_b22、S_b23、S_b24，D₂相开关管S_c21、S_c22、S_c23、S_c24，从而将电容C₃、C₄的直流电转换成与谐波分量大小相等相位相反的交流信号输出侧，再通过网侧滤波电感L_a2、L_b2、L_c2及电容C_u2、C_v2、C_w2组成的滤波电路处理后注入电网，其中开关管S_a21与S_a23、S_a22与S_a24、S_b21与S_b23、S_b22与S_b24、S_c21与S_c23、S_c22与S_c24的开通和关断情况是互补关系；

所述电压闪变补偿方法包括：主数字控制器实时检测U2、V2、W2处的电压幅值与相位信息，通过正/负序坐标变换与滤波处理运算，提取电压闪变时的畸变分量，进而得出相应补偿量，再经PWM脉冲优化模块产生一定次序的空间矢量PWM驱动脉冲，该PWM脉冲信号通过驱动电路单元进行功率放大后控制串联型变换器(2)的A₁相开关管S_a11、S_a12、S_a13、S_a14，B₁相开关管S_b11、S_b12、S_b13、S_b14，D₁相开关管S_c11、S_c12、S_c13、S_c14的开通和关断，从而将存储在电容C₁、C₂的直流电变换成可以抵消电压跌落的三相交流分量，该三相交流分量通过网侧滤波电感L_a1、L_b1、L_c1及电容C_v1、C_u1、C_w1组成的滤波电路整形后，由耦合变压器T_u1、T_v1、T_w1接入线路，以实时补偿负荷侧U2、V2、W2的电压跌落值，其中，S_a11与S_a13，S_a12与S_a14，S_b11与S_b13，S_b12与S_b14，S_c11与S_c13，S_c12与S_c14的开通和关断情况是互补关系。

2.根据权利要求1所述的一种基于T型三电平的统一电能质量调节器的电能质量调节方法，其特征在于：所述准比例谐振控制器的电流控制策略包括以下步骤：

A、直流电压U_d经T型三电平逆变后，由LC滤波后得到电压V_o；

B、从V_o到V_i的传递函数为：其中 L为滤波电感量，C为滤波电容量，R为负载电阻，ω_n为固有频率，δ为误差率，V_o为输入电压；V_i为输出电压；s是时间t的拉氏变换；

C、基于准比例谐振控制器的电流控制，其传递函数为其中，K_p、K_i分别为比例系数和积分系数，ω₀为谐振频率，ω_c为截止频率，s是时间t的拉氏变换；

D、基于滤波电容电流反馈的控制策略，基于电容电流反馈的开环传递函数为：其中L为滤波电感量，C为滤波电容量；R为负载电阻，K_v为电压反馈系数，K_i为电流反馈系数，K_svpwm为比例系数。