CN113067337B - 一种多功能电能质量控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能电能质量控制器，包括：变压器、无源滤波器、调制信号生成模块、逆变器；变压器一次侧绕组串联在电源和非线性负载之间，无源滤波器与非线性负载并联。调制信号生成模块通过检测变压器一次侧绕组两端谐波电压使电压源型逆变器呈现可控的谐波阻抗，从而使变压器谐波磁通可控，通过设定合理的控制系数后使其呈现很高的谐波阻抗，起到谐波隔离的作用。同时，将变压器一次侧绕组两端的谐波电压信号，和负载两端电压信号与参考电压的偏差信号进行叠加，生成调制信号，并送入逆变器；逆变器根据调制信号产生对应的电压加在变压器二次绕组两端。如此，本发明能够实现电压补偿和谐波抑制的功能，从而改善电力***的电能质量。

Description

一种多功能电能质量控制器

技术领域

本发明属于电能质量控制技术领域，更具体地，涉及一种多功能电能 质量控制器。

背景技术

随着现代工业的发展，电力***的***稳定、电能质量等越来越重要。 可调电抗器作为电抗器的一个重要分支，用作电压控制和无功补偿的主要 元件，可以提高***稳定性和改善电能质量，应用范围相当广泛。

然而，(1)传统可调电抗器结构简单，容易控制，没有谐波产生，使 用普通的电抗器调节抽头的方法，可以应用于高压条件下，但是控制的精 度不好，所以应用前景不理想。(2)磁控电抗器结构相对复杂，控制简单， 精度好，使用调节磁通的方法控制，适用于高压场合，但是产生的谐波较 大。(3)晶闸管控制电抗器结构简单，控制容易，精度好，但由于使用移 相方法调节，谐波成分大；另外，由于受到电力电子器件的耐压限制，较 难用于高压条件下。(4)PWM控制电抗器结构简单，控制精度好，使用 PWM斩控方法，低次谐波含量低，控制方法相对复杂，但由于电力电子器 件耐压限制了高压场合下的应用。同时，这些可调电抗器均没有将可调电 容、可调正电阻、可调负电阻和可调电感统一起来进行研究，且不能实现 连续无级可调和补偿电压。

发明内容

为了改善现有可调电抗器的不足，本发明提供了一种多功能电能质量 控制器，通过设置控制参数使阻抗器表现出连续可调的电感、电容、正电 阻、负电阻及其混合的特性和变压器一次侧电压连续可调，从而提高电力 ***运行稳定性和改善电力***的电能质量。

为实现上述目的，本发明提供了一种多功能电能质量控制器，包括： 变压器、无源滤波器、调制信号生成模块、逆变器；

所述变压器一次侧绕组串联在电源和非线性负载之间，与所述电源和 非线性负载构成回路；二次侧绕组与所述逆变器的输出端并联；所述逆变 器的输入端与所述调制信号生成模块的输出端连接；

所述调制信号生成模块用于将所述变压器一次侧绕组两端的谐波电压 信号，和所述非线性负载两端电压与参考电压的偏差信号进行叠加，生成 调制信号，并送入所述逆变器；

所述逆变器用于生成与所述调制信号同频率的交流电压信号，并送入 所述变压器二次侧绕组，以使所述变压器一次侧绕组端口阻抗实现连续无 级可调；

所述无源滤波器并联在所述非线性负载两端，对谐波电压呈现高阻抗， 对基波电压呈现低阻抗。

进一步地，所述调制信号生成模块包括：

谐波电压检测单元，用于检测所述变压器一次侧绕组两端的谐波电压 信号；

电压补偿单元，用于检测所述非线性负载两端电压与参考电压的偏差 信号，再乘以电压降控制系数进行比例放大；

信号放大单元，用于对所述谐波电压信号进行比例放大；

信号叠加单元，用于将放大后的谐波电压信号与放大后的偏差信号进 行叠加；

调制信号生成单元，用于将叠加后的信号经过正弦脉冲宽度调制，生 成所述调制信号以控制所述逆变器的导通与关断。

进一步地，所述谐波电压检测单元，具体用于将所述变压器一次侧绕 组两端的电压与基波电压相减得到所述谐波电压信号；所述基波电压利用 二阶带通滤波器得到。

进一步地，所述电压补偿单元，还用于将所述偏差信号的相位与所述 电源电压的相位保持一致。

进一步地，所述信号放大单元包括：

第一信号放大子单元，用于对所述谐波电压信号进行比例放大；

第二信号放大子单元，用于对所述谐波电压信号等幅移相90°后进行 比例放大。

进一步地，所述调制信号

表示为：

式中，

表示放大后的谐波电压信号，

表示放大后的偏差信号， k_1||表示所述第一信号放大子单元的放大倍数，k_1⊥表示所述第二信号放大子 单元的放大倍数，k₂表示电压降控制系数，

表示所述谐波电压信号，

表示所述偏差信号。

进一步地，所述变压器一次侧绕组端口的等效阻抗分别表示为：

所述变压器二次侧绕组端口的等效阻抗分别表示为：

式中，U₁、U₂分别表示变压器一次侧绕组端口AX和二次侧绕组端口ax的电压，I₁、I₂分别表示变压器一次侧绕组和二次侧绕组流过的电流，Z₁为变压器一次侧的漏阻抗，Z′₂为变压器二次侧的漏阻抗，X₁和X′₂为相应的 电抗，Z_m为变压器的励磁阻抗，k_T为变压器一次侧和二次侧绕组匝数变比。

进一步地，通过调节放大倍数k_1||和k_1⊥，使所述变压器一次侧绕组端口 阻抗实现连续无级可调；通过调节电压降控制系数k₂，补偿线路的电压。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效 果：

(1)本发明通过检测变压器一次侧绕组两端谐波电压使电压源型逆变 器呈现可控的谐波阻抗，从而使变压器谐波磁通可控，通过设定合理的控 制系数后使其呈现很高的谐波阻抗，起到谐波隔离的作用。同时，将变压 器一次侧绕组两端的谐波电压信号，和负载两端电压信号与参考电压的偏 差信号，进行叠加，生成调制信号，并送入逆变器；从而控制逆变器产生 对应的电压加在变压器二次绕组两端。如此，同时实现电压补偿和谐波抑 制的功能。

(2)本发明能够同时将可调电抗器、可调电容、可调电阻和可调负电 阻统一在一起进行调节，使本发明的可调阻抗器应用更加广泛。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种多功能电能质量控制器电路拓扑示意 图；

图2为本发明实施例提供的等幅移相电路图；

图3为本发明实施例提供的变压器等效阻抗图。

具体实施方式

为了使本发明的目标、技术方案和优点更加清晰明了，下面结合说明 书附图，对本发明实施例进一步详细说明。需要说明，此处的实施实例仅 解释此发明，但并不限于本发明。

(1)多功能电能质量控制器整体介绍

参阅图1，结合图2和图3，本发明提供了一种多功能电能质量控制器， 包括：变压器1、无源滤波器2、调制信号生成模块3、逆变器4；

变压器一次侧绕组串联在电源和非线性负载之间，与电源和非线性负 载构成回路；二次侧绕组与逆变器4的输出端并联；逆变器4的输入端与 调制信号生成模块3的输出端连接；

调制信号生成模块3用于将变压器一次侧绕组两端的谐波电压信号， 和非线性负载两端电压与参考电压的偏差信号进行叠加，生成调制信号， 并送入逆变器4；所述参考电压一般设定为220V；

逆变器4用于生成与调制信号同频率的交流电压信号，并送入变压器 二次侧绕组，以使变压器一次侧绕组端口阻抗实现连续无级可调；

无源滤波器2并联在非线性负载两端，对谐波电压呈现高阻抗，对基 波电压呈现低阻抗。

具体的，变压器1，一次绕组会呈现四象限连续无级可调的阻抗和一次 侧电压可以呈现连续可调。变压器AX表示一次绕组端口，ax表示二次绕 组端口。变压器二次侧绕组ax会因逆变器加在上面的电压，而使变压器一 次绕组端口对外会呈现出可调阻抗的特性。变压器一次侧电压会呈现连续 变化，通过调节电压的比例系数，实现变压器一次侧电压连续可调，进而 实现补偿线路电压的功能。

无源滤波器2，由滤波电感L和滤波电容C组成。值得指出的是，可根 据实际谐波污染和滤波等情况需求，配置单调谐无源滤波支路。本实施例 中只给出了单相电力***中三次和五次单调谐无源滤波器，三相***中一 般含有6k±1次谐波，可配置七次单调谐无源滤波器。

调制信号生成模块3，用于生成逆变器电压信号，并产生相应的PWM 脉冲信号来驱动控制逆变器，使逆变器加在变压器二次绕组ax端口的电压 能够受控于调制信号生成模块中控制参数的调节。

调制信号生成模块3包括：谐波电压检测单元，用于检测变压器一次 侧绕组两端的谐波电压信号；电压补偿单元，用于检测非线性负载两端电 压与参考电压的偏差信号，再乘以电压降控制系数进行比例放大；信号放 大单元，用于对谐波电压信号进行比例放大；信号叠加单元，用于将放大 后的谐波电压信号与放大后的偏差信号进行叠加；调制信号生成单元，用 于将叠加后的信号经过正弦脉冲宽度调制，生成调制信号以控制逆变器的导通与关断。

逆变器4，将三角波作为载波信号，利用脉冲宽度调制PWM调制方式， 控制逆变器跟踪参考电压信号以产生可控电压。该可控电压经过LC滤波器 后加在耦合变压器二次侧绕组上，使变压器二次绕组中含有改变幅值和相 位的电压。

(2)可调阻抗的推导与特性分析

如图1所示，U_dc代表逆变器直流侧电压；U₁、U₂分别表示变压器的一 次侧绕组端口AX和二次侧绕组端口ax电压；I₁、I₂表示变压器一次侧绕 组和二次侧绕组流过的电流。

首先，确定逆变器输出电压的调制信号U_MS1。

假设U₁＝U_nmcos(nωt+θ)，则经过信号放大单元后得到的其中一个参 考信号为：

U_1||＝k_1||U_nmcos(nωt+θ)

变压器一次侧绕组谐波信号U₁被放大，且等幅移相电路延时90°，即：

U_1⊥＝k_1⊥U_nmcos(nωt+θ-π/2)

由以上两式可以得到最终的调制电压信号为：

U_MS1＝U_1||+U_1⊥＝k_1||U_nmcos(nωt+θ)+k_1⊥U_nmcos(nωt+θ-π/2)

以该调制信号U_MS1为参考信号，电压源型逆变器采用电压控制去产生 一个可控电压U₂，加在变压器二次绕组上。正弦脉冲宽度调制(SPWM) 作为电压控制的调制方式，电压源型逆变器的传递函数为

式中，K_PWM是电压源型逆变器的增益，T_PWM表示电压源型逆变器的延 时时间。在稳态分析中，电压源型逆变器传递函数中的小惯性环节

可以被忽略。电压源型逆变器的输出电压可以表示为：

U₂＝K_PWMU_MS1＝K_PWM[k_1||U_nmcos(nωt+θ)+k_1⊥U_nmcos(nωt+θ-π/2)]

从变压器等效电路中可以得到变压器一次侧AX和二次侧ax的漏阻抗 分别为Z₁＝r₁+jωl_1σ，Z′₂＝r′₂+jωl′_2σ；Z_m＝r_m+jωl_m是变压器的励磁阻抗。

因此，变压器二次侧等效到一次侧的参考电压为：

U'₂＝k_TU₂＝k_TK_PWMU_MS1＝k_TK_PWMU_nm[k_1||cos(nωt+θ)+k_1⊥cos(nωt+θ-π/2)]

根据变压器等效电路图3可知，变压器的电压方程可以表示为：

变压器一次侧绕组端口和二次侧绕组端口的等效阻抗可以表示为：

从变压器一次侧端口AX等效阻抗表达式可以可知，通过调节可控参 数k_1||和k_1⊥，变压器一次侧阻抗Z_AX是可控的，并且该可控阻抗几乎不产生 谐波，控制方案是十分简单的。值得注意的是，通过调节可控制参数k_1||和k_1⊥， 该阻抗具有连续无级可调的特性。

(3)变压器一次侧电压连续可调的分析

将检测到的负载电压和设定的参考电压作比较，得到***电压发生的 波动

再乘以电压降控制系数k₂，得到逆变器输出电压的调制电压信号 2即

如下：

式中，

表示检测的电压偏差波动控制逆变器输出电压的调制电压 信号2。电源***输出电压

负载两端电压

变压器一次绕组两端电 压

三者时间所满足的关系式为：

可选地，

经过控制***控制电压源型逆变器，会产生对应的交流 电压，加在变压器二次侧绕组端口上，耦合到变压器一次侧端口后会产生 的电压为

通过调节电压降偏差控制系数k₂，即可实现串联型有源电力 滤波器对***电压波动

的补偿。变压器二次侧电压等效到一次侧的电压 为：

通过调节比例系数k₂，可以实现变压器一次侧电压 连续可调，进而实现可补偿线路的电压功能。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多功能电能质量控制器，其特征在于，包括：变压器(1)、无源滤波器(2)、调制信号生成模块(3)、逆变器(4)；

所述变压器(1)一次侧绕组串联在电源和非线性负载之间，与所述电源和非线性负载构成回路；二次侧绕组与所述逆变器(4)的输出端并联；所述逆变器(4)的输入端与所述调制信号生成模块(3)的输出端连接；

所述调制信号生成模块(3)用于将所述变压器(1)一次侧绕组两端的谐波电压信号，和所述非线性负载两端电压与参考电压的偏差信号进行叠加，生成调制信号，并送入所述逆变器(4)；

所述逆变器(4)用于生成与所述调制信号同频率的交流电压信号，并送入所述变压器(1)二次侧绕组，以使所述变压器(1)一次侧绕组端口阻抗实现连续无级可调；

所述无源滤波器(2)并联在所述非线性负载两端，对谐波电压呈现高阻抗，对基波电压呈现低阻抗。

2.如权利要求1所述的多功能电能质量控制器，其特征在于，所述调制信号生成模块(3)包括：

谐波电压检测单元，用于检测所述变压器(1)一次侧绕组两端的谐波电压信号；

电压补偿单元，用于检测所述非线性负载两端电压与参考电压的偏差信号，再乘以电压降控制系数进行比例放大；

信号放大单元，用于对所述谐波电压信号进行比例放大；

信号叠加单元，用于将放大后的谐波电压信号与放大后的偏差信号进行叠加；

调制信号生成单元，用于将叠加后的信号经过正弦脉冲宽度调制，生成所述调制信号以控制所述逆变器(4)的导通与关断。

3.如权利要求2所述的多功能电能质量控制器，其特征在于，所述谐波电压检测单元，具体用于将所述变压器(1)一次侧绕组两端的电压与基波电压相减得到所述谐波电压信号；所述基波电压利用二阶带通滤波器得到。

4.如权利要求2所述的多功能电能质量控制器，其特征在于，所述电压补偿单元，还用于将所述偏差信号的相位与所述电源电压的相位保持一致。

5.如权利要求2所述的多功能电能质量控制器，其特征在于，所述信号放大单元包括：

第一信号放大子单元，用于对所述谐波电压信号进行比例放大；

第二信号放大子单元，用于对所述谐波电压信号等幅移相90°后进行比例放大。

6.如权利要求5所述的多功能电能质量控制器，其特征在于，

所述调制信号

表示为：

式中，

表示放大后的谐波电压信号，

表示放大后的偏差信号，k_1||表示所述第一信号放大子单元的放大倍数，k_1⊥表示所述第二信号放大子单元的放大倍数，k₂表示电压降控制系数，

表示所述谐波电压信号，

表示所述偏差信号。

7.如权利要求6所述的多功能电能质量控制器，其特征在于，

所述变压器一次侧绕组端口的等效阻抗分别表示为：

所述变压器二次侧绕组端口的等效阻抗分别表示为：

式中，U₁、U₂分别表示变压器一次侧绕组端口AX和二次侧绕组端口ax的电压，I₁、I₂分别表示变压器一次侧绕组和二次侧绕组流过的电流，Z₁为变压器一次侧的漏阻抗，Z′₂为变压器二次侧的漏阻抗，X₁和X′₂为相应的电抗，Z_m为变压器的励磁阻抗，k_T为变压器一次侧和二次侧绕组匝数变比。

8.如权利要求7所述的多功能电能质量控制器，其特征在于，通过调节放大倍数k_1||和k_1⊥，使所述变压器一次侧绕组端口阻抗实现连续无级可调；通过调节电压降控制系数k₂，补偿线路的电压。

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