CN108306317A - 一种配电网变压器电能质量综合补偿装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种配电网变压器电能质量综合补偿装置及方法，本发明通过在配电变压器高压侧或低压侧安装全功率变流器(VSC)和隔离串联变压器，动态调节输出电压及不平衡电压、负载的不平衡电流、谐波电流以及实现无功功率补偿。本发明能够综合治理配电网的普遍存在的电能质量问题，如电压电流不平衡，谐波电流、无功电流等问题，综合多种传统电能质量治理设备功能与一体，减少安装空间和设备投入成本，具有很好的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及配电网领域，具体涉及一种配电网变压器电能质量综合补偿装置及其方法。
背景技术
工业配电网变压器存在多种电能质量问题。用户端采用单相供电，会引起三相变压器的电压和电流不平衡，由于电压和电流的不平衡，会引起变压器损耗增加和寿命减短。工业应用三相电供电场合，如果电压不平衡也会直接影响供电质量，严重的情况下会影响设备的运行。配电网的变压器的用户侧，电机及拖动等设备会产生谐波和无功，谐波导致电压畸变和电流畸变，引起损耗增加以及影响设备运行，无功导致损耗增加，功率因数变低。
传统电能质量治理设备一般是单独解决特定电能质量问题，如解决无功补偿问题(SVG)或者单独解决谐波问题(APF)，电能质量治理往往需要大量投资，缺少综合且经济解决电能质量的方法和设备，随着配电网对电能质量的要求越来越高，综合且经济解决电能质量的方法和设备的作用尤为重要。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种配电网变压器电能质量综合补偿装置，该装置通过在配电变压器高压侧或低压侧安装全功率变流器(VSC)和隔离串联变压器，动态调节输出电压及不平衡电压、负载的不平衡电流、谐波电流以及实现无功功率补偿。
优选的，所述全功率变流器包括：设置在配电网变压器侧的串联变换器，用于解决电压不平衡和电压波动问题；以及设置在负载侧的并联变换器，用于解决电流不平衡、谐波治理和无功补偿问题。
优选的，所述隔离串联变压器的副边串联于配电变压器输出和负载之间，所述串联变换器接到隔离串联变压器原边，所述并联变换器与负载侧并联。
为解决上述问题，本发明还提供一种配电网变压器电能质量综合补偿方法，该方法通过在配电变压器高压侧或低压侧安装设备，动态调节输出电压及不平衡电压、负载的不平衡电流、谐波电流以及无功功率补偿，其特征在于，所述方法是通过全功率变流器(VSC)和隔离串联变压器来实现的，所述隔离串联变压器串联于配电变压器输出和负载之间，所述全功率变流器的串联变换器接到隔离串联变压器原边，全功率变流器的并联变换器与负载侧并联，所述电网侧的串联变换器用于解决不平衡电压以及电压波动问题，所述负载侧的并联变换器用于解决不平衡电流、无功补偿以及谐波电流问题。
优选的，解决配电网变压器电压不平衡和电压波动问题，具体包括如下步骤：检测配电变压器端电压，并且通过提取电压的正负序分量，控制负序电压为0，控制正序电压为额定值，解决电压的不平衡以及电压波动问题。
优选的，解决负载侧电流不平衡问题具体包括如下步骤：检测负载侧的电流，提取电流的正负序分量，控制负序电流为0，解决电流的不平衡问题。
优选的，解决配电网无功功率补偿问题具体包括如下步骤：检测变压器端的电压电流，通过动态补偿无功电流控制电网功率因数为1，实时、线性解决无功补偿问题。
优选的，解决配电网变压器谐波问题具体包括如下步骤：检测负载端的电压，通过PLL锁相环得到同步相位，并且通过检测负载侧的电流，提取谐波电流分量，控制谐波电流为0，实现电流的谐波治理。
优选的，串联变换器闭环控制解决电压不平衡和电源波动问题，通过如下步骤实现：
(1)通过锁相环PLL获取电网相位θs；
(2)提取电压的正负序分量，对负序分量进行abc/dq变换，得到负序分量的dq值，负序分量的dq给定值都是0，在dq轴上分别进行闭环控制，根据需要，控制器可以是PI控制器，也可以是其他类型的控制器。
优选的，并联变换器闭环控制解决电流不平衡和谐波问题，通过如下步骤实现：
(1)通过锁相环PLL获取电网相位θs；
(2)提取负载电流正负序分量，对负序分量进行abc/dq变换，得到负序分量的dq值，负序分量的dq给定值都是0，在dq轴上分别进行闭环控制，根据需要，控制器可以是PI控制器，也可以是其他类型的控制器；
(3)通过提取各次的谐波分量进行相应的abc/dq变换，得到各次谐波电流的dq值，谐波分量的dq给定值都是0，在dq轴上分别进行闭环控制，根据需要，控制器可以是PI控制器，也可以是其他类型的控制器；
(4)采集配电网变压器电压和电流，计算出功率因数，通过给定功率因数为1进行闭环控制，实现实时调节无功分量，控制器可以是PI控制器，也可以是其他类型的控制器。
(5)为了改善变换器的稳定性能和动态响应性能，加入电流环。电流环出来的电压指令，通过SVPWM的调制得到相应的PWM信号，通过隔离放大驱动相应的IGBT模块。
本发明具有如下优点：
(1)本发明提供了一种解决配电网变压器电能质量综合治理方案，通过电网变压器串联变换器解决电压不平衡和无功补偿问题，通过负载并联变换器解决电流不平衡和谐波问题，可以对配网电压电流不平衡、谐波治理、无功补偿的综合补偿，降低电能质量治理投入成本；
(2)本发明过检测变压器端或负载端电压电流，通过调节电压电流的正负序分量自适应实现电压的平衡控制，具有较强实时性和鲁棒性；
(3)本发明通过检测变压器端的电压电流，通过动态补偿无功电流控制电网功率因数，实时、线性解决无功问题。
(4)本发明通过检测负载侧的电流，提取谐波电流分量，控制谐波电流为0，对特定谐波的消除效果显著。
附图说明
图1示出了本发明的一种配电网变压器综合补偿装置的具体结构图。
图2示出了本发明的一种配电网变压器综合补偿装置的拓扑图；
图3示出了本发明的一种配电网变压器综合补偿装置的的控制框图；
具体实施方式
图1示出了一种配电网变压器综合补偿装置的具体结构图，该装置包括隔离串联变压器以及全功率变流器(VSC)。
串联侧结构为隔离串联变压器副边串联在电网与负载之间，隔离串联变压器原边连接全功率变流器(VSC)串联变换器。并联侧结构为全功率变流器(VSC)并联变换器并联在负载侧。配电网变压器侧串联变换器用于解决电压不平衡和电压波动问题，负载侧并联变换器用于解决电流不平衡、无功补偿和谐波治理问题。
图2示出了本发明的一种配电网变压器综合补偿装置的拓扑图，给出了配电网变压器电压电流不平衡、谐波治理、无功补偿综合补偿控制的具体实施方式。串联侧结构为隔离串联变压器副边串联在电网与负载之间，隔离串联变压器原边连接全功率变流器(VSC)串联变换器，并联侧结构为全功率变流器(VSC)的并联变换器并联在负载侧。
连接负载侧的变换器称为并联变换器，主要用来控制VSC直流电压的稳定，电流三相不平衡以及谐波电流补偿。连接隔离串联变压器原边的变换器称为串联变换器，主要用于来控制负载的供电电压，电压三相不平衡和无功补偿。
由于采用了AC/DC/AC变换，使得电网侧和负载侧完全隔离，通过电压闭环控制就可以控制负载电压在任意的设定点上。
所述隔离串联变压器串联于配电变压器输出和负载之间，所述全功率变流器的串联变换器接到隔离串联变压器原边，全功率变流器的并联变换器与负载侧并联，所述电网侧的串联变换器用于解决不平衡电压和电压波动问题，所述负载侧的并联变换器用于解决不平衡电流、无功补偿和或谐波电流问题。
解决配电网变压器电压不平衡和电压波动问题，具体包括如下步骤：检测配电变压器端电压，并且通过提取电压的正负序分量，控制负序电压为0，控制正序电压为额定值，解决电压的不平衡以及电压波动问题。
解决负载侧电流不平衡问题具体包括如下步骤：检测负载侧的电流，提取电流的正负序分量，控制负序电流为0，解决电流的不平衡问题。
解决配电网无功功率补偿问题具体包括如下步骤：检测变压器端的电压电流，通过动态补偿无功电流控制电网功率因数为1，实时、线性解决无功补偿问题。
解决配电网变压器谐波问题具体包括如下步骤：检测负载端的电压，通过PLL锁相环得到同步相位，并且通过检测负载侧的电流，提取谐波电流分量，控制谐波电流为0，实现电流的谐波治理。
通过对全功率变流器(VSC)采用闭环控制，实时调节不平衡电压、不平衡电流、无功补偿以及谐波治理。
通过广义二阶积分法提取电压的正负序分量和电流的正负序分量。
广义二阶积分法具体公式如下：
式中：v是输入信号，v'是输入信号，Hd(s)为带通滤波器传递函数，Hq(s)为低通滤波器传递函数，ω为滤波器中心角频率，k为阻尼比。
当输入电压或电流信号角频率与滤波器中心角频率一致时，输入信号v经过Hd(s)，得到角频率为ω的输出电压信号v'；输出信号qv'与v'幅值相同，但相位滞后90°，即输出信号v'与qv'正交。从而利用广义二阶积分法实现电压或电流正负序信号提取。
参见图2，串联变换器闭环控制解决电压不平衡、电压波动和无功补偿问题，通过如下步骤实现：
(1)通过锁相环PLL获取电网相位θs；
(2)提取电压的正负序分量，对负序分量进行abc/dq变换，得到负序分量的dq值，负序分量的dq给定值都是0，在dq轴上分别进行闭环控制，根据需要，控制器可以是PI控制器，也可以是其他类型的控制器。
参见图2，并联变换器闭环控制解决电流不平衡和谐波问题、无功补偿问题，通过如下步骤实现：
(1)通过锁相环PLL获取电网相位θs；
(2)提取负载电流正负序分量，对负序分量进行abc/dq变换，得到负序分量的dq值，负序分量的dq给定值都是0，在dq轴上分别进行闭环控制，根据需要，控制器可以是PI控制器，也可以是其他类型的控制器；
(3)通过提取各次的谐波分量进行相应的abc/dq变换，得到各次谐波电流的dq值，谐波分量的dq给定值都是0，在dq轴上分别进行闭环控制，根据需要，控制器可以是PI控制器，也可以是其他类型的控制器；
(4)采集配电网变压器电压和电流，计算出功率因数，通过给定功率因数为1进行闭环控制，实现实时调节无功分量，控制器可以是PI控制器，也可以是其他类型的控制器；
(5)为了改善变换器的稳定性能和动态响应性能，一般会加入电流环。电流环出来的电压指令，通过SVPWM的调制得到相应的PWM信号，通过隔离放大驱动相应的IGBT模块。
这样既可以满足负载的优质供电电能质量要求，又可以达到很好的节能效果。
图3示出了以全功率变流器(VSC)作为本发明的一种配电网变压器综合补偿装置实施方式的具体控制框图。
电网侧串联变换器和负载侧并联变换器都采用矢量控制策略，主要的功能模块包括：用于检测电网侧电压相位的PLL锁相环、PI控制器(以PI为例，根据实际情况需要可以采用其他类型的控制器)、坐标变换模块(abc/dq变换和dq/abc变换器)、比较器等。通过矢量控制可以保持各个给定量(包括直流电压、网侧功率、网侧电压正序负序d轴q轴分量、负载侧电流正序负序d轴q轴分量)达到设定值。
以负载侧并联变换器为例说明如下：
(1)采集VSC的直流电压Udc，电网侧电压Uabcl和负载侧三相电流Iabcl。
(2)利用锁相环PLL和电压Uabcl得到电网同步角度θ。基于θ将三相电流Iabcl变换到dq轴上，正序分量分别为Idlpos和Iqlpos，负序分量分别为Idlnes和Iqlnes。
(3)直流电压的给定值为将和实际电压Udc比较之后通过PI控制器得到了d轴的电流给定，q轴的电流给定为0；d轴、q轴电流给定和实际正序电流分析Idlpos、Iqlpos比较，通过PI控制器再加上相关耦合项之后得到了变换器输出的d轴和q轴电压。
(4)负序变换器d轴和q轴的电流给定为0，电流给定和实际正序电流分析Idlpos、Iqlpos比较，通过PI控制器得到电流三相不平衡补偿分量。
(5)正负序d轴和q轴谐波通过谐波电流提取，计算谐波电流补偿分量。
(6)逆变器输出电压的给定值经过PWM调理之后直接控制变换器的IGBT实现了闭环控制。
电网侧串联变换器同样采用类似的矢量控制策略，在此不再赘述。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明，尤其是将装置串联在配电变压器高压侧的方式与本发明本质上是一致的。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种配电网变压器电能质量综合补偿装置，该装置通过在配电变压器高压侧或低压侧安装全功率变流器(VSC)和隔离串联变压器，动态调节输出电压及不平衡电压、负载的不平衡电流、谐波电流以及无功功率补偿。
2.如权利要求1所述的综合补偿装置，其特征在于，所述全功率变流器包括：设置在配电网变压器侧的串联变换器，用于解决电压不平衡和波动问题，以及设置在负载侧的并联变换器，用于解决电流不平衡、谐波治理和无功补偿问题。
3.如权利要求1或2所述的综合补偿装置，其特征在于，所述隔离串联变压器的副边串联于配电变压器输出和负载之间，所述串联变换器接到隔离串联变压器原边，所述并联变换器与负载侧并联。
4.一种配电网变压器电能质量综合补偿方法，该方法通过在配电变压器高压侧或低压侧安装设备，动态调节输出电压及不平衡电压、负载的不平衡电流、谐波电流以及无功功率补偿，其特征在于，所述方法是通过全功率变流器(VSC)和隔离串联变压器来实现的，所述隔离串联变压器串联于配电变压器输出和负载之间，所述全功率变流器的串联变换器接到隔离串联变压器原边，全功率变流器的并联变换器与负载侧并联，所述电网侧的串联变换器用于解决不平衡电压以及电压波动问题，所述负载侧的并联变换器用于解决不平衡电流、无功补偿以及谐波电流问题。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，解决配电网变压器电压不平衡和电压波动问题，具体包括如下步骤：检测配电变压器端电压，并且通过提取电压的正负序分量，控制负序电压为0，控制正序电压为额定值，解决电压的不平衡以及电压波动问题。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，解决负载侧电流不平衡问题具体包括如下步骤：检测负载侧的电流，提取电流的正负序分量，控制负序电流为0，解决电流的不平衡问题。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，解决配电网无功功率补偿问题具体包括如下步骤：检测变压器端的电压电流，通过动态补偿无功电流控制电网功率因数为1，实时、线性解决无功补偿问题。
8.如权利要求4所述的方法，其特征在于，解决配电网变压器谐波问题具体包括如下步骤：检测负载端的电压，通过PLL锁相环得到同步相位，并且通过检测负载侧的电流，提取谐波电流分量，控制谐波电流为0，实现电流的谐波治理。
9.如权利要求4-8任一所述的方法，其特征在于，串联变换器闭环控制解决电压不平衡和电压波动问题，通过如下步骤实现：
(1)通过锁相环PLL获取电网相位θs；
(2)提取电压的正负序分量，对负序分量进行abc/dq变换，得到负序分量的dq值，负序分量的dq给定值都是0，在dq轴上分别进行闭环控制，根据需要，控制器可以是PI控制器，也可以是其他类型的控制器。
10.如权利要求4-8任一所述的方法，其特征在于，并联变换器闭环控制解决电流不平衡和谐波问题，通过如下步骤实现：
(1)通过锁相环PLL获取电网相位θs；
(2)提取负载电流正负序分量，对负序分量进行abc/dq变换，得到负序分量的dq值，负序分量的dq给定值都是0，在dq轴上分别进行闭环控制，根据需要，控制器可以是PI控制器，也可以是其他类型的控制器；
(3)通过提取各次的谐波分量进行相应的abc/dq变换，得到各次谐波电流的dq值，谐波分量的dq给定值都是0，在dq轴上分别进行闭环控制，根据需要，控制器可以是PI控制器，也可以是其他类型的控制器；
(4)采集配电网变压器电压和电流，计算出功率因数，通过给定功率因数为1进行闭环控制，实现实时调节无功分量，控制器可以是PI控制器，也可以是其他类型的控制器。
(5)为了改善变换器的稳定性能和动态响应性能，加入电流环，电流环出来的电压指令，通过SVPWM的调制得到相应的PWM信号，通过隔离放大驱动相应的IGBT模块。
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