CN106887855A - 一种新型并联电能质量控制器 - Google Patents

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胡晶
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Abstract

本发明实施例公开了一种新型并联电能质量控制器，用于解决现有技术中的无功补偿装置难以动态补偿***无功，且无功调节范围窄、无法进行有效滤波的技术问题。本发明实施例包括：电源、负载、基波电流检测模块、移相控制电路、电压源逆变器、耦合变压器；电源与耦合变压器连接，负载与耦合变压器的一次侧绕组并联；基波电流检测模块包括电流互感器和基波电流检测电路，电流互感器与耦合变压器的一次侧绕组连接，电流互感器还与基波电流检测电路的输入端连接；基波电流检测电路的输出端与移相控制电路的输入端连接，移相控制电路的输出端与电压源逆变器的输入端连接；电压源逆变器的输出端与耦合变压器的二次侧绕组连接。

Description

一种新型并联电能质量控制器
技术领域
本发明涉及电能质量控制技术领域，尤其涉及一种新型并联电能质量控制器。
背景技术
随着电力电子技术以及PWM控制技术的成熟，电能质量控制器已经进入实用阶段，并在无功补偿和电网谐波抑制等领域发挥越来越重要的作用。迄今为止，已有众多拓扑结构被提出，无功补偿和谐波抑制的目标随着应用场合的特点而变化，但无功补偿一般采取可调电抗，实现动态调节***无功功率；谐波抑制一般以抑制非线性负载产生的谐波电流对电网支路的污染和电网的谐波电压对负载的影响为目的，即减小滤波支路等效阻抗。针对各种电能质量问题，国外提出并开发了许多改善和提高电能质量的装置，主要包括：无源滤波器(TF)、有源电力滤波器(APF)、动态电压恢复器(DVR)、静止无功发生器(SVG)、静止无功补偿器(SVC)、晶闸管开关电容器(TSC)、统一电能质量调节器(SPQC)等。统一电能质量控制器是一种串并联混合型有源补偿装置，它结合了并联型有源电力滤波器和串联型有源电力滤波器的优点，可以综合补偿***的电压、电流扰动，具有较高的性价比。
然而，现有技术中的无功补偿装置难以动态补偿***无功，且无功调节范围窄、无法进行有效滤波，容易使得由非线性负载产生的谐波电流流入电网从而对电网支路造成污染。
发明内容
本发明实施例提供了一种新型并联电能质量控制器，解决了现有技术中的无功补偿装置难以动态补偿***无功，且无功调节范围窄、无法进行有效滤波，容易使得由非线性负载产生的谐波电流流入电网从而对电网支路造成污染的技术问题。
本发明实施例提供的一种新型并联电能质量控制器，包括：
电源、负载、基波电流检测模块、移相控制电路、电压源逆变器、耦合变压器；
电源与耦合变压器连接，负载与耦合变压器的一次侧绕组并联；
基波电流检测模块包括电流互感器和基波电流检测电路，电流互感器与耦合变压器的一次侧绕组连接，电流互感器还与基波电流检测电路的输入端连接；
基波电流检测电路的输出端与移相控制电路的输入端连接，移相控制电路的输出端与电压源逆变器的输入端连接；
电压源逆变器的输出端与耦合变压器的二次侧绕组连接。
可选地，基波电流检测电路的输出端与移相控制电路的输入端之间还连接有增益放大电路。
可选地，还包括电压源逆变器控制***单元，移相控制电路的输出端与电压源逆变器的输入端之间连接有电压源逆变器控制***单元。
可选地，电压源逆变器以三角波为载波且采用SPWM进行控制。
可选地，电压源逆变器的输出端与耦合变压器的二次侧绕组之间还连接有LC滤波器。
可选地，
电压源逆变器直流电压侧连接有电容器；
或
电压源逆变器直流电压侧连接蓄电池；
或
电压源逆变器直流电压侧与电力***感应连接。
可选地，电压源逆变器的逆变桥由IGBT器件构成。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
本发明实施例提供了一种新型并联电能质量控制器，包括：电源、负载、基波电流检测模块、移相控制电路、电压源逆变器、耦合变压器；电源与耦合变压器连接，负载与耦合变压器的一次侧绕组并联；基波电流检测模块包括电流互感器和基波电流检测电路，电流互感器与耦合变压器的一次侧绕组连接，电流互感器还与基波电流检测电路的输入端连接；基波电流检测电路的输出端与移相控制电路的输入端连接，移相控制电路的输出端与电压源逆变器的输入端连接；电压源逆变器的输出端与耦合变压器的二次侧绕组连接，本发明实施例中通过电流互感器感应耦合变压器的一次侧绕组电流并输入基波电流检测电路，基波电流检测电路从畸变的电流中检测出基波电流分量，该基波电流经移相控制单元延迟90°后作为电压源逆变器的参考信号。以三角波为载波，采用SPWM控制策略，电压源逆变器将产生一个与参考信号同频率的可控电压，该可控电压加在耦合变压器的二次侧绕组两端，由于该耦合变压器一次侧、二次侧绕组的双侧励磁作用，该变压器一次侧绕组对于基波等效为一个可调电抗。由于电压源逆变器的参考信号中不含谐波分量，因此加在耦合变压器二次侧绕组两端的电压也不含谐波电压分量，即耦合变压器二次侧绕组对于谐波相当于短路，则该变压器一次侧绕组对于谐波等效为非常小的变压器漏抗。该装置与***负载并联，工作时对于基波呈现为一个可调电抗，从而动态调节***无功、平衡电压，提高电网供电质量；对谐波等效为非常小的变压器漏抗，从而为负载谐波电流提供一个低阻通路，在调节无功的时起到自动滤波的作用，解决了现有技术中的无功补偿装置难以动态补偿***无功，且无功调节范围窄、无法进行有效滤波，容易使得由非线性负载产生的谐波电流流入电网从而对电网支路造成污染的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的一种新型并联电能质量控制器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的基波电流检测、增益及SPWM信号产生流程示意图；
图3为本发明实施例提供的移相控制电路的电路结构示意图；
图4为本发明实施例提供的耦合变压器的T型等效电路示意图；
图5为本发明实施例提供的一个变压器基波等效电路示意图；
图6为本发明实施例提供的另一个变压器基波等效电路示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种新型并联电能质量控制器，用于解决现有技术中的无功补偿装置难以动态补偿***无功，且无功调节范围窄、无法进行有效滤波，容易使得由非线性负载产生的谐波电流流入电网从而对电网支路造成污染的技术问题。
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例提供的一种新型并联电能质量控制器，包括：
电源、负载、基波电流检测模块、移相控制电路、电压源逆变器、耦合变压器；
电源与耦合变压器连接，负载与耦合变压器的一次侧绕组并联；
基波电流检测模块包括电流互感器和基波电流检测电路，电流互感器与耦合变压器的一次侧绕组连接，电流互感器还与基波电流检测电路的输入端连接；
基波电流检测电路的输出端与移相控制电路的输入端连接，移相控制电路的输出端与电压源逆变器的输入端连接；
电压源逆变器的输出端与耦合变压器的二次侧绕组连接。
进一步地，基波电流检测电路的输出端与移相控制电路的输入端之间还连接有增益放大电路。
进一步地，还包括电压源逆变器控制***单元，移相控制电路的输出端与电压源逆变器的输入端之间连接有电压源逆变器控制***单元。
进一步地，电压源逆变器以三角波为载波且采用SPWM进行控制。
进一步地，电压源逆变器的输出端与耦合变压器的二次侧绕组之间还连接有LC滤波器。
进一步地，
电压源逆变器直流电压侧连接有电容器；
或
电压源逆变器直流电压侧连接蓄电池；
或
电压源逆变器直流电压侧与电力***感应连接。
进一步地，电压源逆变器的逆变桥由IGBT器件构成。
请参阅图2，为基波电流检测、增益及SPWM信号产生流程示意图，其中，基波电流检测模块包括电流互感器和基波电流检测电路，电流互感器串接在给与负载并联的耦合变压器的原边绕组供电的母线上，感应线路电流送入基波电流检测电路，基波电流检测电路将从畸变的***母线电流中检测出基波电流信号，该基波信号通过一定增益的放大电路并经移相控制电路延迟90°后作为电压源逆变器的参考信号。移相控制电路的电路结构示意图如图3所示。以三角波为载波，将载波和上述参考信号经过一个电流调节器转换成SPWM信号，控制电压源逆变器输出一基波频率的可控电压，该可控电压经过一LC滤波器后加在带气隙的耦合变压器的二次侧绕组两端，通过耦合变压器接入***。电压源逆变器直流侧电压有三种来源方式：1)直流侧接一个电容器，通过控制逆变器使得直流侧电压稳定；2)直流侧接一个蓄电池，通过控制逆变器得到稳定的直流侧电压；3)通过电力***感应取电，经过整流得到稳定的直流侧电压。
耦合变压器用于将电压源逆变器输出的基频可控电压耦合到***中。
耦合变压器双边励磁，其一次侧绕组对于基波呈现为可变电抗，该可变电抗在感、容抗之间切换；由于电压源逆变器的参考信号不含谐波分量，因此加在耦合变压器二次侧绕组两端的电压不含谐波电压，即耦合变压器二次侧绕组对于谐波相当于短路，则该耦合变压器原边绕组对于谐波等效为非常小的变压器漏抗。如图4所示，为耦合变压器的T型等效电路示意图。
该装置中控制变量为放大器增益，通过改变增益即可轻松调节该可变电抗的幅值，从而动态调节***无功功率，响应快速；该并联变压器支路相当于给负载谐波电流提供了一个低阻通路，从而避免了由非线性负载产生的谐波电流对电网支路的污染，降低***对专用滤波器的要求。
以上对本发明实施例提供的一种新型并联电能质量控制器的结构进行的详细描述，以下将对本发明实施例提供的新型并联电能质量控制器工作原理进行详细的描述。
假定电流传感器增益为h，带气隙变压器的变比为kT，原边漏抗为Z1，副边漏抗等效到原边为Z2′，励磁漏抗为Zm。变压器原边电流为i1＝i1 (1)+∑i1 (n)，检测其基波分量为该基波分量经放大器(增益为k)放大，再通过移相电路移相90°后作为逆变器的参考信号iref＝hkImcos(ωt+θ-π/2)。
逆变器环节的增益为KPWM，忽略其延时，则逆变器输出电压为：
u2＝KPWMhkIm(ωt+θ-π/2) (1)
该电压与变压器一次侧基波电流同频率，根据图3将该电压等效到变压器原边绕组两端为：
u'2＝kTu2＝kTKPWMhkIm(ωt+θ-π/2) (2)
令kTKPWMhk＝β，则上式可以写成如下相量形式：
U'2＝-jβI1 (3)
其中β为控制参数。
下面通过叠加原理分别对并联变压器原边绕组基波、谐波等效电路进行分析：
1)对于基波，变压器等效二端口网络电压相量表达式：
联立式(3)(4)可得变压器一次侧绕组等效阻抗：
变压器基波等效电路如图5所示，改变逆变器参考信号中放大器的增益，即可实现变压器一次侧基波等效电抗在感、容抗之间连续无级调节，从而动态调节***无功，控制策略简单、精度高。电压源逆变桥由IGBT器件构成，采用SPWM控制策略，***响应迅速；
2)对于n次谐波，由于逆变器的参考信号不含谐波分量，因此加在变压器二次侧绕组两端的电压不含谐波电压，即变压器二次侧绕组对于谐波相当于短路u2 (n)＝0，则该变压器原边绕组对于谐波等效为非常小的变压器漏抗
变压器基波等效电路如图6所示，该并联变压器支路相当于给负载谐波电流提供了一个低阻通路，从而避免由非线性负载产生的谐波电流对电网支路的污染。
本发明实施例提供的新型并联电能质量控制器和现有技术中普通的电能质量控制器相比主要具有如下特点：
1)调节范围广，常规无功补偿器件仅能针对感性或容性无功中的一类无功功率进行补偿，无功调节能力受限。本方案中由于变压器一次侧基波等效阻抗可以在感、容抗之间切换，因而对***输出的无功也可以在从感性无功到容性无功的大范围内调节，从而提高无功补偿的范围和灵活性；
2)自带滤波功能，本方案中并联变压器一次侧谐波等效阻抗为带气隙的变压器漏抗，相当于为由非线性负载造成的负载谐波电流提供了一条低阻通路，避免了负载谐波电流流入***电源支路，降低了***对专用滤波器的要求；
3)响应迅速、操作简单，电压源逆变桥由IGBT器件构成，采用SPWM控制策略，***响应迅速；仅通过调节放大器增益，即可轻松改变并联变压器一次侧绕组基波等效阻抗，从而实现***无功调节，控制简单高效、成本更低。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的***，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种新型并联电能质量控制器，其特征在于，包括：
电源、负载、基波电流检测模块、移相控制电路、电压源逆变器、耦合变压器；
所述电源与所述耦合变压器连接，所述负载与所述耦合变压器的一次侧绕组并联；
所述基波电流检测模块包括电流互感器和基波电流检测电路，所述电流互感器与所述耦合变压器的一次侧绕组连接，所述电流互感器还与所述基波电流检测电路的输入端连接；
所述基波电流检测电路的输出端与所述移相控制电路的输入端连接，所述移相控制电路的输出端与所述电压源逆变器的输入端连接；
所述电压源逆变器的输出端与所述耦合变压器的二次侧绕组连接。
2.根据权利要求1所述的新型并联电能质量控制器，其特征在于，所述基波电流检测电路的输出端与所述移相控制电路的输入端之间还连接有增益放大电路。
3.根据权利要求1所述的新型并联电能质量控制器，其特征在于，还包括电压源逆变器控制***单元，所述移相控制电路的输出端与所述电压源逆变器的输入端之间连接有所述电压源逆变器控制***单元。
4.根据权利要求1所述的新型并联电能质量控制器，其特征在于，所述电压源逆变器以三角波为载波且采用SPWM进行控制。
5.根据权利要求1所述的新型并联电能质量控制器，其特征在于，所述电压源逆变器的输出端与所述耦合变压器的二次侧绕组之间还连接有LC滤波器。
6.根据权利要求1所述的新型并联电能质量控制器，其特征在于，
所述电压源逆变器直流电压侧连接有电容器；
或
所述电压源逆变器直流电压侧连接蓄电池；
或
所述电压源逆变器直流电压侧与电力***感应连接。
7.根据权利要求1所述的新型并联电能质量控制器，其特征在于，所述电压源逆变器的逆变桥由IGBT器件构成。
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