多端统一电能质量控制器直流侧电压控制装置及方法

摘要

本发明具体涉及多端统一电能质量控制器直流侧电压控制装置及方法，属于电力系统电力电子技术技术领域。该装置由直流侧电压检测电路、直流侧电压偏差计算电路、PI控制器、补偿运算电路、共轭滤波电感、串联有源滤波器、直流侧电容、若干数目的滞环控制器和若干数目的并联有源滤波器组成；若干数目的并联有源滤波器通过直流侧电容与串联有源滤波器相连；每个并联有源滤波器分别与对应的用户相连；每个并联有源滤波器分别与对应的滞环控制器相连；补偿运算电路分别与每个用户和每个用户对应的滞环控制器相连。本发明可有效提高直流侧电压控制的可靠性。

说明书

技术领域

本发明具体涉及多端统一电能质量控制器直流侧电压控制装置及方法，属于电力系统电力电子技术技术领域。 

背景技术

随着智能电网的建立，除了传统的非线性负荷，如大功率电力电子装置（如节电装置等），大功率的电力拖动设备、直流输出装置、电气化铁路、电弧炉等其他非线性设备造成的电能质量问题外，接入配电网的各种类型的分布式电源、各类储能设备以及电动汽车等新型电力产品将给电网带来更多新的电能质量问题。分布式电源是建立在电力电子技术基础之上的，分布式电源通过电力电子器件构成的变流器装置接入配电网，其开关器件频繁的开通和关断易产生开关频率的谐波分量，大量分布式电源的接入将对电网造成谐波污染。除分布式电源外，电动汽车，这种由变流器、储能设施等组成的非线性负载的广泛使用将给电网带来很大的谐波，大量电动汽车的无序充电会恶化电网电能质量。随着智能电网的建设，大量电力电子设备将接入电网，加重目前电网的电能质量问题。 

但是智能电网中的各种复杂的、精密的通信、计算机及管理等基础设施对电能的供应提出更高的质量要求。与此同时智能电网的建设，将使电力系统的运营更加环保、安全、经济，也将给电力系统的运营带来重大变革。这些变革将更加强调传统的低压配网中的电力用户的权力，电力运营商要为用户定制更 多更具竞争力的市场营销策略，针对用户的不同需求定制不同的服务，允许用户向电网提供多余的电力，根据用户的信誉控制电力的供给，使用户对电能质量有更多的选择。智能电网的建设将给电力系统带来新的活力，同时也会带来一系列新的问题，要求电网为低压配网用户提供更优质且差异化的电能质量服务。 

同时通信技术、计算机技术在电力系统中的使用与完善，先进的系统监控方法的实施以及高级电力电子设备的大量使用，为拓扑结构灵活、可控的电能质量控制装置的使用提供了更高的可能性。 

现有技术中，本发明中涉及的相关电路和元件的用途如下： 

直流侧电压检测电路，用于检测多端统一电能质量控制器的直流侧实际电压V_dc； 

直流侧电压偏差计算电路，用于计算得到多端统一电能质量控制器的直流侧电压实际值V_dc与运行人员设定的多端统一电能质量控制器的直流侧电压参考值V_r之间的直流侧电压偏差V_err； 

共轭滤波电感，用于消除串联有源滤波器差生的谐波； 

串联有源滤波器，用于治理ABC三相电网的电压暂降、电压暂升； 

所述并联滤波器，用于根据滞环控制电路提供的PWM控制信号，产生含多端统一电能质量控制器直流侧电压调压信号i_p的补偿电流； 

PI控制器，用于控制得到多端统一电能质量直流侧电压调压信号i_p。 

发明内容

本发明针对目前智能电网中的各种复杂的、精密的通信、计算机及管理等基础设施的质量不高的不足，提出了多端统一电能质量控制器直流侧电压控制 装置及方法。 

多端统一电能质量控制器直流侧电压控制装置，该装置主要由直流侧电压检测电路、直流侧电压偏差计算电路、PI控制器、补偿运算电路、共轭滤波电感、串联有源滤波器、直流侧电容、若干数目的滞环控制器和若干数目的并联有源滤波器组成；其中， 

若干数目的并联有源滤波器通过直流侧电容与串联有源滤波器相连； 

串联有源滤波器通过共轭滤波电感与ABC三相交流电网相连； 

ABC三相交流电网通过共轭滤波电感与每个用户相连； 

每个并联有源滤波器分别与对应的用户相连； 

每个并联有源滤波器分别与对应的滞环控制器相连； 

补偿运算电路分别与每个用户和每个用户对应的滞环控制器相连； 

直流侧电容与直流侧电压检测电路、直流侧电压偏差计算电路、PI控制器和补偿运算电路依次相连。 

所述补偿运算电路包括αβ变换模块、瞬时电流计算模块、锁相环、第一低通滤波器、第二低通滤波器、正弦余弦信号发生电路、第一逻辑运算模块、第二逻辑运算模块、三相电流计算模块和αβ反变换模块；其中， 

用户与αβ变换模块和瞬时电流计算模块依次相连； 

瞬时电流计算模块分别与第一低通滤波器、第二低通滤波器、第一逻辑运算模块、第二逻辑运算模块和正弦余弦信号发生电路相连； 

第一逻辑运算模块与PI控制器相连； 

ABC三相交流电网的A相与锁相环和正弦余弦信号发生电路依次相连； 

第一低通滤波器与第一逻辑运算模块相连； 

第二低通滤波器与第二逻辑运算模块相连； 

三相电流计算模块分别与正弦余弦信号发生电路、第一逻辑运算模块、第二逻辑运算模块和αβ反变换模块相连； 

αβ反变换模块与滞环控制器相连。 

多端统一电能质量控制器直流侧电压控制方法，该方法包括以下步骤： 

步骤1：直流侧电压检测电路检测直流侧电容的电压，直流侧电容的电压即多端统一电能质量控制器直流侧电压实际值V_dc，将多端统一电能质量控制器直流侧电压实际值V_dc送入直流侧电压偏差计算电路； 

步骤2：设定多端统一电能质量控制器的直流侧电压偏差计算电路的直流侧电压参考值V_r； 

步骤3：直流侧电压偏差计算电路确定多端统一电能质量控制器直流侧电压偏差V_err； 

直流侧电压偏差计算电路根据直流侧电压参考值V_r和直流侧电压实际值V_dc通过下式计算得到直流侧电压偏差V_err： 

V_err=V_r-V_dc； 

步骤4：将直流侧电压偏差计算电路得到的直流侧电压偏差V_err送入PI控制器调节后，得到直流侧电压调压信号i_p； 

步骤5：并联有源滤波器将检测到用户的三相电流i_1a、i_1b和i_1c送入补偿运算电路和滞环控制电路； 

步骤6：补偿运算电路接收用户的三相电流i_1a、i_1b和i_1c，以及PI控制器调节输出的直流侧电压调压信号i_p，补偿运算电路确定用户三相电流分别对应的补偿电流参考值和

步骤7：滞环控制电路根据用户的三相电流i_1a、i_1b和i_1c以及补偿运算电路 提供的对应的补偿电流参考值和产生要对并联有源滤波器输出的PWM控制信号； 

步骤8：并联有源滤波器根据滞环控制电路提供的PWM控制信号，输出用户三相电流的补偿电流值，实现多端统一电能质量控制器直流侧电压的控制。 

所述补偿运算电路确定用户三相电流分别对应的补偿电流参考值和 的方法如下： 

（1）并联有源滤波器检测到的用户的三相电流分别为： 

式中，n=3k±1，其中k为整数；ω为电网电源角频率，I_l1n、分别为用户三相电流各次电流的有效值和初相角； 

（2）用户的三相电流i_1a、i_1b和i_1c送入补偿运算电路的αβ变换模块， 

根据下式通过αβ变换模块变换后得到用户的三相电流i_1a、i_1b和i_1c在αβ两相坐标系下的α相电流i_α和β相电流i_β： 

$\left(\begin{array}{c}{i}_{\alpha }\\ i_{\beta }\end{array}\right)=T_{\mathrm{abc}}^{\mathrm{\alpha \beta }}\left(\begin{array}{c}{i}_{1a}\\ i_{1b}\\ i_{1c}\end{array}\right),$其中，$T_{\mathrm{abc}}^{\mathrm{\alpha \beta }}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left(\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right);$

其中，为从abc三相坐标系变换到αβ两相坐标系的变换矩阵； 

（3）锁相环获取ABC三相交流电网的A相电压的相位角θ并将电网A相电压的相位角θ送入正弦余弦信号发生电路，正弦余弦信号发生电路产生与电网a相电压同相位的正弦信号sinθ和余弦信号cosθ； 

（4）瞬时电流计算模块将根据αβ变换模块提供的三相电流i_1a、i_1b和i_1c在αβ 两相坐标系下的α相电流i_α和β相i_β以及正弦余弦信号发生电路提供的与电网a相电压同相位正弦信号sinθ和余弦信号cosθ，根据下式得到用户三相电流的瞬时有功电流i_11p和瞬时无功电流i_11q； 

$\left(\begin{array}{c}{i}_{l1p}\\ i_{l1q}\end{array}\right)=T\left(\begin{array}{c}{i}_{\alpha }\\ i_{\beta }\end{array}\right),$其中，$T=\left(\begin{array}{cc}\sin \theta & -\cos \theta \\ -\cos \theta & -\sin \theta \end{array}\right);$

T为变换矩阵； 

（5）瞬时有功电流i_l1p经第一低通滤波器得到用户三相基波电流的有功直流分量瞬时无功电流i_l1q经第二低通滤波器得到用户三相基波电流的无功直流分量

（6）第一逻辑运算模块接收瞬时电流计算模块得到的用户三相电流的瞬时有功电流i_l1p与第一低通滤波器得到用户三相基波电流的有功直流分量以及PI控制器调节后得到直流侧电压调压信号i_p，通过运算得到并联有源滤波器的含直流侧电压调压信号i_p的补偿参考电流量的有功直流分量i_lipc； 

（7）第二逻辑运算模块接收将瞬时电流计算模块得到的用户三相电流的瞬时无功电流i_l1q与第二低通滤波器得到的用户三相基波电流的无功直流分量通过运算得到并联有源滤波器的含直流侧电压调压信号i_p的补偿参考电流量的无功直流电流分量i_l1qc； 

（8）将并联有源滤波器的含直流侧电压调压信号i_p的补偿参考电流量的有功直流分量i_lipc和并联有源滤波器的含直流侧电压调压信号i_p的补偿参考电流量的无功直流电流分量i_l1qc与正弦余弦信号发生电路产生的正弦信号sinθ、余弦信号cosθ送到三相电流计算模块中， 

三相电流计算模块根据下式，变换得到αβ两相坐标系下α相补偿电流参考值和β相的补偿电流参考值

$\left(\begin{array}{c}{i}_{\alpha }^{*}\\ i_{\beta }^{*}\end{array}\right)=T^{-1}\left(\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{lipc}}\\ i_{l1\mathrm{qc}}\end{array}\right);$

（9）αβ两坐标系下α相补偿电流参考值和β相的补偿电流参考值送到αβ反变换模块中， 

αβ反变换模块根据下式变换得到并联有源滤波器含多端统一电能质量控制器直流侧电压调压信号i_p的用户三相补偿电流参考值

$\left(\begin{array}{c}{i}_{l1a}^{*}\\ i_{l1b}^{*}\\ i_{l1c}^{*}\end{array}\right)=T_{\mathrm{abc}}^{{\mathrm{\alpha \beta }}^{-1}}\left(\begin{array}{c}{i}_{\alpha }^{*}\\ i_{\beta }^{*}\end{array}\right).$

本发明的有益效果：本发明可有效提高直流侧电压控制的可靠性，从而提高多端统一电能质量控制器运行的可靠性，并且通过此直流侧电压控制方法有利于多端统一电能质量控制器的扩展。 

附图说明

图1为本发明的装置的整体结构示意图； 

图2为补偿运算电路的结构示意图； 

图3为本发明的整体流程图； 

图4为未采用本发明的多端统一电能质量控制器直流侧电压仿真效果对比图； 

图5为采用本发明的多端统一电能质量控制器直流侧电压仿真效果对比图。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明： 

参照图1，本发明的装置的整体结构示意图，该装置主要由直流侧电压检测 电路、直流侧电压偏差计算电路、PI控制器、补偿运算电路、共轭滤波电感、串联有源滤波器、直流侧电容、若干数目的滞环控制器和若干数目的并联有源滤波器组成；若干数目的并联有源滤波器通过直流侧电容与串联有源滤波器相连；串联有源滤波器通过共轭滤波电感与ABC三相交流电网相连；ABC三相交流电网通过共轭滤波电感与每个用户相连；每个并联有源滤波器分别与对应的用户相连；每个并联有源滤波器分别与对应的滞环控制器相连；补偿运算电路分别与每个用户和每个用户对应的滞环控制器相连；直流侧电容与直流侧电压检测电路、直流侧电压偏差计算电路、PI控制器和补偿运算电路依次相连。 

参照图2，补偿运算电路的结构示意图，所述补偿运算电路包括αβ变换模块、瞬时电流计算模块、锁相环、第一低通滤波器、第二低通滤波器、正弦余弦信号发生电路、第一逻辑运算模块、第二逻辑运算模块、三相电流计算模块和αβ反变换模块；其中，用户与αβ变换模块和瞬时电流计算模块依次相连；瞬时电流计算模块分别与第一低通滤波器、第二低通滤波器、第一逻辑运算模块、第二逻辑运算模块和正弦余弦信号发生电路相连；第一逻辑运算模块与PI控制器相连；ABC三相交流电网的A相与锁相环和正弦余弦信号发生电路依次相连；第一低通滤波器与第一逻辑运算模块相连；第二低通滤波器与第二逻辑运算模块相连；三相电流计算模块分别与正弦余弦信号发生电路、第一逻辑运算模块、第二逻辑运算模块和αβ反变换模块相连；αβ反变换模块与滞环控制器相连。 

参照图3，本发明的整体流程图，本发明的基础是各并联有源滤波器含多端统一电能质量控制器直流侧电压调压信号的补偿电流参考量的确定及各并联有源滤波器的控制。 

多端统一电能质量控制器直流侧电压控制方法，该方法包括以下步骤： 

步骤1：直流侧电压检测电路检测直流侧电容的电压，直流侧电容的电压即多端统一电能质量控制器直流侧电压实际值V_dc，将多端统一电能质量控制器直流侧电压实际值V_dc送入直流侧电压偏差计算电路； 

步骤2：设定多端统一电能质量控制器的直流侧电压偏差计算电路的直流侧电压参考值V_r； 

步骤3：直流侧电压偏差计算电路确定多端统一电能质量控制器直流侧电压偏差V_err； 

直流侧电压偏差计算电路根据直流侧电压参考值V_r和直流侧电压实际值V_dc通过下（1）式计算得到直流侧电压偏差V_err： 

V_err=V_r-V_dc    （1） 

步骤4：将直流侧电压偏差计算电路得到的直流侧电压偏差V_err送入PI控制器调节后，得到直流侧电压调压信号i_p； 

步骤5：并联有源滤波器将检测到用户的三相电流i_1a、i_1b和i_1c送入补偿运算电路和滞环控制电路； 

步骤6：补偿运算电路接收用户的三相电流i_1a、i_1b和i_1c，以及PI控制器调节输出的直流侧电压调压信号i_p，补偿运算电路确定用户三相电流分别对应的补偿电流参考值和

所述补偿运算电路确定用户三相电流分别对应的补偿电流参考值和 的方法如下： 

（1）并联有源滤波器检测到的用户的三相电流分别为： 

式中，n=3k±1，其中k为整数；ω为电网电源角频率，I_l1n、分别为用户三相电流各次电流的有效值和初相角； 

（2）用户的三相电流i_1a、i_1b和i_1c送入补偿运算电路的αβ变换模块， 

根据（3）式通过αβ变换模块变换后得到用户的三相电流i_1a、i_1b和i_1c在αβ两相坐标系下的α相电流i_α和β相电流i_β： 

$\left(\begin{array}{c}{i}_{\alpha }\\ i_{\beta }\end{array}\right)=T_{\mathrm{abc}}^{\mathrm{\alpha \beta }}\left(\begin{array}{c}{i}_{1a}\\ i_{1b}\\ i_{1c}\end{array}\right)---\left(3\right)$

其中，$T_{\mathrm{abc}}^{\mathrm{\alpha \beta }}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left(\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right)---\left(4\right)$

其中，为从abc三相坐标系变换到αβ两相坐标系的变换矩阵； 

（3）锁相环获取ABC三相交流电网的A相电压的相位角θ并将电网A相电压的相位角θ送入正弦余弦信号发生电路，正弦余弦信号发生电路产生与电网a相电压同相位的正弦信号sinθ和余弦信号cosθ； 

（4）瞬时电流计算模块将根据αβ变换模块提供的三相电流i_1a、i_1b和i_1c在αβ两相坐标系下的α相电流i_α和β相i_β以及正弦余弦信号发生电路提供的与电网a相电压同相位正弦信号sinθ和余弦信号cosθ，根据（5）式得到用户三相电流的瞬时有功电流i_11p和瞬时无功电流i_11q； 

$\left(\begin{array}{c}{i}_{l1p}\\ i_{l1q}\end{array}\right)=T\left(\begin{array}{c}{i}_{\alpha }\\ i_{\beta }\end{array}\right)---\left(5\right)$

其中，$T=\left(\begin{array}{cc}\sin \theta & -\cos \theta \\ -\cos \theta & -\sin \theta \end{array}\right)---\left(6\right)$

T为变换矩阵； 

（5）瞬时有功电流i_l1p经第一低通滤波器得到用户三相基波电流的有功直流分量瞬时无功电流i_l1q经第二低通滤波器得到用户三相基波电流的无功直流分量

（6）第一逻辑运算模块接收瞬时电流计算模块得到的用户三相电流的瞬时有功电流i_l1p与第一低通滤波器得到用户三相基波电流的有功直流分量以及PI控制器调节后得到直流侧电压调压信号i_p，通过运算得到并联有源滤波器的含直流侧电压调压信号i_p的补偿参考电流量的有功直流分量i_lipc； 

（7）第二逻辑运算模块接收将瞬时电流计算模块得到的用户三相电流的瞬时无功电流i_l1q与第二低通滤波器得到的用户三相基波电流的无功直流分量通过运算得到并联有源滤波器的含直流侧电压调压信号i_p的补偿参考电流量的无功直流电流分量i_l1qc； 

（8）将并联有源滤波器的含直流侧电压调压信号i_p的补偿参考电流量的有功直流分量i_lipc和并联有源滤波器的含直流侧电压调压信号i_p的补偿参考电流量的无功直流电流分量i_l1qc与正弦余弦信号发生电路产生的正弦信号sinθ、余弦信号cosθ送到三相电流计算模块中， 

三相电流计算模块根据（7）式，变换得到αβ两相坐标系下α相补偿电流参考值和β相的补偿电流参考值

$\left(\begin{array}{c}{i}_{\alpha }^{*}\\ i_{\beta }^{*}\end{array}\right)=T^{-1}\left(\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{lipc}}\\ i_{l1\mathrm{qc}}\end{array}\right)---\left(7\right)$

（9）αβ两坐标系下α相补偿电流参考值和β相的补偿电流参考值送到αβ反变换模块中， 

αβ反变换模块根据（8）式变换得到并联有源滤波器含多端统一电能质量控制器直流侧电压调压信号i_p的用户三相补偿电流参考值

$\left(\begin{array}{c}{i}_{l1a}^{*}\\ i_{l1b}^{*}\\ i_{l1c}^{*}\end{array}\right)=T_{\mathrm{abc}}^{{\mathrm{\alpha \beta }}^{-1}}\left(\begin{array}{c}{i}_{\alpha }^{*}\\ i_{\beta }^{*}\end{array}\right)---\left(8\right)$

步骤7：滞环控制电路根据用户的三相电流i_1a、i_1b和i_1c以及补偿运算电路提供的对应的补偿电流参考值和产生要对并联有源滤波器输出的PWM控制信号； 

步骤8：并联有源滤波器根据滞环控制电路提供的PWM控制信号，输出用户三相电流的补偿电流值，实现多端统一电能质量控制器直流侧电压的控制。 

如图4所示，横坐标表示仿真时间，单位为秒（s），纵坐标表示仿真的直流侧电压，单位为千伏（kV），描述；未使用本发明进行直流侧电压控制时，多端统一电能质量控制器的直流侧电压低于其直流侧参考电压。 

如图5所示，横坐标表示仿真时间，单位为秒（s），纵坐标表示仿真的直流侧电压，单位为千伏（kV），描述；可以看出通过本发明可将多端统一电能质量控制器直流侧电压控制在直流侧参考电压附近，提高直流侧电压控制的可靠性，从而提高多端统一电能质量控制器运行的可靠性。