一种电能质量优化装置及控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统电能质量控制领域，具体涉及一种电能质量优化装置及控制方法。

背景技术

非线性负载的电流质量问题，即非线性负载的用电质量问题在电力系统中很普遍。如谐波问题，主要由非线性负载引起，同时大量电力电子装置的应用导致了电网谐波水平逐年升高；又如造成电压波动与闪变的扰动源为交直流电弧炉、电弧焊机、工业轧机、绞车、电力牵引机车等用电设备；部分电压暂降由大容量冲击性负荷的启动引起。这些电能质量问题或直接或间接地由负荷运行特性，即负荷电流质量所引发。

传统方法在电网与非线性负载之间加入负载特性优化装置，但是现有技术在装置内电容储能耗尽时无法持续对系统提供功率补偿，也没有对优化装置内的电子元件进行限流保护以及抑制优化装置输出产生的谐波谐振现象。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提升装置在短时和长时冲击下均能满足对非线性负载特性的有效补偿，延长系统的使用寿命，并将直流母线电压限制在规定的安全范围内，以及抑制优化装置输出信号与外电路参数匹配引起的谐波谐振现象。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

依次连接的电池储能运维单元1、直流电压控制斩波器2、直流钳位单元3、直流平波电容4、三相逆变器5、输出滤波器6和谐波谐振能量吸收单元7；

其中，所述输出滤波器6接入电网与非线性负载之间的交流母线上。

优选的，所述电池储能运维单元1包括：IGBT8、泄能电阻9、蓄电池10；

所述蓄电池10的正极分别与所述IGBT8的集电极和所述直流电压控制斩波器2中保护二极管12的阳极连接；

所述蓄电池10的负极与所述直流电压控制斩波器2中保护二极管13的阳极连接；所述蓄电池10的负极经过所述泄能电阻9与所述IGBT8的发射极连接。

优选的，所述直流电压控制斩波器2包括：超级电容11、保护二极管12、保护二极管13、连接电抗器14、IGBT15和IGBT16；

所述保护二极管12的阳极与所述保护二极管13的阳极间接有所述超级电容11；

所述保护二极管12的阴极分别与所述IGBT15的集电极和所述直流钳位单元中IGBT17的集电极连接；

所述IGBT15的发射极与所述IGBT16的集电极连接；

所述IGBT16的发射极与所述直流钳位单元3中的钳位电阻18连接；

所述保护二极管12的阳极与所述IGBT15的发射极接有所述连接电抗器14。

优选的，所述直流钳位单元3包括：IGBT17和泄能电阻18；

所述IGBT17的发射极与所述IGBT16的发射极间接有所述泄能电阻18；

所述IGBT17的集电极与所述IGBT15的集电极连接；

所述IGBT17的集电极和所述三相逆变器5中IGBT23的发射极间接有所述直流平波电容4。

优选的，所述三相逆变器5由IGBT20、IGBT21、IGBT22、IGBT23、IGBT24和IGBT25组成；

所述三相逆变器5的直流侧两端接入所述直流平波电容19；

所述三相逆变器5的交流侧三相输出端分别连接所述输出滤波器6中的电抗器26、电抗器27和电抗器28。

优选的，所述输出滤波器6包括：电抗器26、电抗器27、电抗器28、电容29、电容30和电容31；

所述电抗器26与所述电容31的连接点接入电网与非线性负载之间的交流母线上；

所述电抗器27与所述电容30的连接点接入电网与非线性负载之间的交流母线上；

所述电抗器28与所述电容29的连接点接入电网与非线性负载之间的交流母线上。

优选的，所述谐波谐振吸收单元7包括：电容32、电容33、电容34、电阻35、电阻36和电阻37；

所述电容32的一端与所述输出滤波器6中的电抗器26与电容31的连接点连接，另一端与所述输出滤波器6中的电容29、电容30和电容31的连接点通过电阻35连接；

所述电容33的一端与所述输出滤波器6中的电抗器27与电容30的连接点连接，另一端与所述输出滤波器6中的电容29、电容30和电容31的连接点通过电阻36连接；

所述电容34的一端与所述输出滤波器6中的电抗器28与电容29的连接点连接，另一端与所述输出滤波器6中的电容29、电容30和电容31的连接点通过电阻37连接。

一种电能质量优化装置的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

将电网与非线性负载之间的三相电压依次经过锁相环和移相器，得到移相器输出的移相角；

将电网与非线性负载之间的三相电流和移相器输出的移相角经过abc/dq转换器，得到abc/dq转换器输出的d轴电流分量和q轴电流分量；

将d轴电流分量和q轴电流分量经过第一dq/abc转换器，得到第一dq/abc转换器输出的非线性负载的三相基波电流；

将d轴电流分量与非线性负载基波有功电流参考值的差值与q轴电流分量经过第二dq/abc转换器，得到第二dq/abc转换器输出的非线性负载的三相电流值；

将非线性负载的三相电流值和非线性负载的三相基波电流的差作为含有高次谐波的三相负序电流；

将含有高次谐波的三相负序电流和电网与非线性负载之间的三相电流的和作为指令信号电流；

将指令信号电流输入滞环比较器，得到滞环比较器输出的PWM控制信号控制电能质量优化装置内的IGBT。

与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明提供了一种电能质量优化装置，所述装置包括依次连接的电池储能运维单元1、直流电压控制斩波器2、直流钳位单元3、直流平波电容4、三相逆变器5、输出滤波器6和谐波谐振能量吸收单元7；

其中，所述输出滤波器6接入电网与非线性负载之间的交流母线上；

本发明的有益效果在于：

本发明提升了优化装置在短时和长时冲击下均能满足对负荷特性的有效补偿，控制直流母线电压在规定的安全范围内，阻尼抑制调节装置输出信号与外电路参数匹配引起的谐波谐振现象。

附图说明

图1是电能质量优化装置接入系统的原理接线图；

图2是电能质量优化装置的控制方法的流程图；

图3是电能质量优化装置生成电流指令的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

非线性负载的电流质量问题，即非线性负载的用电质量问题在电力系统中很普遍。如谐波问题，主要由非线性负载引起，同时大量电力电子装置的应用导致了电网谐波水平逐年升高；又如造成电压波动与闪变的扰动源为交直流电弧炉、电弧焊机、工业轧机、绞车、电力牵引机车等用电设备；部分电压暂降由大容量冲击性负荷的启动引起。这些电能质量问题或直接或间接地由非线性负载的运行特性，即非线性负载的电流质量所引发。

显然，改善非线性负载的电流质量是解决电能质量问题行之有效的手段之一，本发明提供了一种电能质量优化装置，如图1所示，包括依次连接的电池储能运维单元1、直流电压控制斩波器2、直流钳位单元3、直流平波电容4、三相逆变器5、输出滤波器6和谐波谐振能量吸收单元7；

其中，所述输出滤波器6接入电网与非线性负载之间的交流母线上。

所述电池储能运维单元1包括：IGBT8、泄能电阻9、蓄电池10；

其中所述蓄电池10的正极分别与所述IGBT8的集电极和所述直流电压控制斩波器2中保护二极管12的阳极连接；

所述蓄电池10的负极与所述直流电压控制斩波器2中保护二极管13的阳极连接；所述蓄电池10的负极经过所述泄能电阻9与所述IGBT8的发射极连接。

所述直流电压控制斩波器2包括：超级电容11、保护二极管12、保护二极管13、连接电抗器14、IGBT15和IGBT16；

其中所述保护二极管12的阳极与所述保护二极管13的阳极间接有所述超级电容11；

所述保护二极管12的阴极分别与所述IGBT15的集电极和所述直流钳位单元中IGBT17的集电极连接；

所述IGBT15的发射极与所述IGBT16的集电极连接；

所述IGBT16的发射极与所述直流钳位单元3中的钳位电阻18连接；

所述保护二极管12的阳极与所述IGBT15的发射极接有所述连接电抗器14。

所述直流钳位单元3包括：IGBT17和泄能电阻18；

所述IGBT17的发射极与所述IGBT16的发射极间接有所述泄能电阻18；

所述IGBT17的集电极与所述IGBT15的集电极连接；

所述IGBT17的集电极和所述三相逆变器5中IGBT23的发射极间接有所述直流平波电容4。

所述三相逆变器5由IGBT20、IGBT21、IGBT22、IGBT23、IGBT24和IGBT25组成；

所述三相逆变器5的直流侧两端接入所述直流平波电容19；

所述三相逆变器5的交流侧三相输出端分别连接所述输出滤波器6中的电抗器26、电抗器27和电抗器28。

所述输出滤波器6包括：电抗器26、电抗器27、电抗器28、电容29、电容30和电容31；

所述电抗器26与所述电容31的连接点接入电网与非线性负载之间的交流母线上；

所述电抗器27与所述电容30的连接点接入电网与非线性负载之间的交流母线上；

所述电抗器28与所述电容29的连接点接入电网与非线性负载之间的交流母线上。

所述谐波谐振吸收单元7包括：电容32、电容33、电容34、电阻35、电阻36和电阻37；

所述电容32的一端与所述输出滤波器6中的电抗器26与电容31的连接点连接，另一端与所述输出滤波器6中的电容29、电容30和电容31的连接点通过电阻35连接；

所述电容33的一端与所述输出滤波器6中的电抗器27与电容30的连接点连接，另一端与所述输出滤波器6中的电容29、电容30和电容31的连接点通过电阻36连接；

所述电容34的一端与所述输出滤波器6中的电抗器28与电容29的连接点连接，另一端与所述输出滤波器6中的电容29、电容30和电容31的连接点通过电阻37连接。

进一步的，本发明还有一种电能质量优化装置的控制方法，该方法流程如图2所示，包括：

将电网与非线性负载之间的三相电压依次经过锁相环和移相器，得到移相器输出的移相角；

将电网与非线性负载之间的三相电流和移相器输出的移相角经过abc/dq转换器，得到abc/dq转换器输出的d轴电流分量和q轴电流分量；

将d轴电流分量和q轴电流分量经过第一dq/abc转换器，得到第一dq/abc转换器输出的非线性负载的三相基波电流；

将d轴电流分量与非线性负载基波有功电流参考值的差值与q轴电流分量经过第二dq/abc转换器，得到第二dq/abc转换器输出的非线性负载的三相电流值；

将非线性负载的三相电流值和非线性负载的三相基波电流的差作为含有高次谐波的三相负序电流；

将含有高次谐波的三相负序电流和电网与非线性负载之间的三相电流的和作为指令信号电流；

将指令信号电流输入滞环比较器，得到滞环比较器输出的PWM控制信号控制电能质量优化装置内的IGBT。

电能质量优化装置生成电流指令的原理框图如图3所示。

本发明提供的最优实施例中，当电网与非线性负载之间存在波动需要充电补偿时，将非线性负载的三相电压值V

本发明提供的最优实施例中，当电网与非线性负载之间存在波动需要放电补偿时，将非线性负载的三相电压值V

本发明提供的最优实施例中，当电网与非线性负载之间不存在波动时，将非线性负载的三相电压值V

本发明所提供的电能质量优化装置和非线性负荷并联运行，通过实现有源滤波、无功和负序补偿、短时有功支持的作用使得从系统侧看负荷电流质量达到理想负荷的条件，即(1)吸收稳定、无谐波的正弦电流、(2)三相功率平衡、(3)没有冲击涌流或大的启动电流、(4)功率因数为1，从而实现改善电能质量的目标。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。