一種大容量統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)柔性輸配電的統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器UPQC，具體涉及一種大容量統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器UPQC及其控制方法。統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器使用多繞組變壓器副邊連接H橋變換器的結(jié)構(gòu)應用于UPQC并聯(lián)側(cè)。并聯(lián)側(cè)三相等效于跨接在線電壓上的三個單相整流器模型。由于每個H橋整流器都是獨立控制，因此不受三相電壓不平衡的影響，利于電網(wǎng)電壓波動時UPQC直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，并采用基于虛擬正交坐標變換的控制方法，使UPQC并聯(lián)側(cè)的單相整流裝置等效為三相整流器模型，具有三相整流器的功率因數(shù)可控和諧波抑制的功能，能夠完全實現(xiàn)對稱系統(tǒng)電壓條件下三相整流器的所有功能。
【專利說明】一種大容量統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)柔性輸配電的統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器UPQC，具體涉及一種大容量統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器UPQC及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器UPQC是用戶電力技術(shù)(Custom Power)中的新興裝置，它集電壓補償裝置、電流補償裝置于一體，統(tǒng)一實現(xiàn)多重電能質(zhì)量調(diào)節(jié)功能，一機多能，具有更高的性價比，是用戶電力技術(shù)發(fā)展的最新趨勢和關(guān)鍵設(shè)備，也是FACTS技術(shù)中的關(guān)鍵設(shè)備，因此統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器UPQC已成為該領(lǐng)域的研究熱點。
[0003]統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器UPQC主電路由串聯(lián)電壓源型換流器和并聯(lián)電壓源型換流器構(gòu)成。
[0004]UPQC作為功能強大的電能質(zhì)量綜合補償裝置，其串聯(lián)側(cè)具有動態(tài)電壓恢復器DVR、動態(tài)不間斷電源DUPS功能，并聯(lián)側(cè)具有靜止無功發(fā)生器SVG、有源電力濾波器APF功能。UPQC的串聯(lián)和并聯(lián)單元可獨立運行實現(xiàn)各自功能，也可聯(lián)合運行實現(xiàn)統(tǒng)一的綜合功能。
[0005]UPQC的拓撲結(jié)構(gòu)根據(jù)變流器接入電網(wǎng)的方式主要有兩種結(jié)構(gòu)，按照系統(tǒng)側(cè)-UPQC串聯(lián)側(cè)-UPQC并聯(lián)側(cè)-負載側(cè)的連接順序串入電網(wǎng)的UPQC稱為“串并”結(jié)構(gòu)；按照系統(tǒng)側(cè)-UPQC并聯(lián)側(cè)-UPQC并=串聯(lián)側(cè)-負載側(cè)的連接順序串入電網(wǎng)的UPQC稱為“并串”結(jié)構(gòu)。UPQC串并結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，UPQC并串結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。
[0006]兩種結(jié)構(gòu)的UPQC各有自身的優(yōu)劣勢:
[0007]對于“串并”結(jié)構(gòu)的UPQC，因串聯(lián)側(cè)的電壓補償功能，則當系統(tǒng)電壓跌落時，并聯(lián)側(cè)電壓仍然可以保持為三相對稱電壓。因此并聯(lián)在實現(xiàn)維持直流電壓、補償負載諧波電流和無功的功能時，無需考慮三相電壓不平衡的問題，因此并聯(lián)側(cè)控制方式相對簡單。由于并聯(lián)側(cè)所取的有功都經(jīng)過串聯(lián)側(cè)，則大大增加了串聯(lián)側(cè)容量。如按照電網(wǎng)電壓跌落0.5pu，則串聯(lián)側(cè)容量應與負載額定容量相同，其中一半容量提供給了并聯(lián)側(cè)。這種容量的選擇極大的增大了工程成本，不利于發(fā)揮最大的裝置容量。
[0008]對于“并串”結(jié)構(gòu)的UPQC，串聯(lián)側(cè)補償故障系統(tǒng)電壓，保證負載電壓的穩(wěn)定，其容量只與負載需要補償?shù)娜萘肯嚓P(guān)。并聯(lián)側(cè)由于與系統(tǒng)母線直接相連，則需要考慮三相電壓不平衡狀況。若用傳統(tǒng)三相橋的結(jié)構(gòu)，則大大增加控制難度，易導致直流電壓的波動，不適用于UPQC快速動態(tài)響應的特點。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0009]針對“并串”結(jié)構(gòu)的UPQC并聯(lián)側(cè)不易于控制的缺點，本發(fā)明提供一種大容量統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器UPQC及其控制方法，統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器UPQC使用多繞組變壓器副邊連接H橋變換器的結(jié)構(gòu)應用于UPQC并聯(lián)側(cè)。并聯(lián)側(cè)三相等效于跨接在線電壓上的三個單相整流器模型。由于每個H橋整流器都是獨立控制，因此不受三相電壓不平衡的影響，利于電網(wǎng)電壓波動時UPQC直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。[0010]基于虛擬正交坐標變換的控制方式可使UPQC并聯(lián)側(cè)的單相整流裝置等效為三相整流器模型，具有三相整流器的功率因數(shù)功率可控和諧波抑制的功能，能夠完全實現(xiàn)對稱系統(tǒng)電壓條件下三相整流器的所有功能。
[0011]本發(fā)明的目的是采用下述技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0012]本發(fā)明提供一種大容量統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器，所述統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器采用三相三線制并串結(jié)構(gòu)，包括通過公共直流母線連接的并聯(lián)型電壓源變流器和串聯(lián)型電壓源變流器；其改進之處在于，所述并聯(lián)型電壓源變流器采用多繞組的單相變壓器連接單相H橋變換器結(jié)構(gòu)，所述多繞組單相變壓器原邊通過并聯(lián)電抗器接入交流側(cè)電網(wǎng)，所述多繞組單相變壓器副邊與H橋變換器的交流側(cè)連接；所述串聯(lián)型電壓源變流器采用單相H橋變換器結(jié)構(gòu)，與并聯(lián)型電壓源變流器的H橋變換器形成“背靠背”結(jié)構(gòu)，串聯(lián)型電壓源變流器的單相H橋變換器分別通過RLC濾波電路以及旁路晶閘管單元以級聯(lián)的方式接入直流側(cè)電網(wǎng)。
[0013]進一步地，所述串聯(lián)側(cè)單相H橋變換器包括并聯(lián)的H橋、濾波電容器C支路和電阻Rl支路；電抗器-電阻串聯(lián)支路連接在H橋其中兩個橋臂之間的a點，直流電源Us與電抗器-電阻串聯(lián)支路并聯(lián)后連接在H橋另外兩個橋臂之間的b點；所述電抗器-電阻串聯(lián)支路由串聯(lián)的電抗器L和電阻R組成；
[0014]所述H橋由四個橋臂組成，每個橋臂由IGBT模塊組成，所述IGBT模塊包括IGBT器件以及與其反并聯(lián)的二極管組成。
[0015]進一步地，所述并聯(lián)型電壓源變流器的單相H橋變換器結(jié)構(gòu)與串聯(lián)型電壓源變流器的單相H橋變換器結(jié)構(gòu)之間并聯(lián)有電容器。
[0016]進一步地，所述RLC濾波電路由串聯(lián)的電容器、電阻和電抗器組成；所述晶閘管單元由反并聯(lián)的兩個晶閘管組成。
`[0017]進一步地，所述并聯(lián)型電壓源變流器和串聯(lián)型電壓源變流器均為雙向PWM變流`器。
[0018]本發(fā)明基于另一目的提供的一種大容量統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器的控制方法，其改進之處在于，所述控制方法通過基于虛擬正交坐標變換的控制方式實現(xiàn)，所述基于虛擬正交坐標變換使統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器并聯(lián)型電壓源變流器的單相H橋變換器等效為三相整流器，等效后具有三相整流器的功率因數(shù)可控和諧波抑制的功能，用于實現(xiàn)三相對稱電壓系統(tǒng)條件下三相整流器的功能。
[0019]進一步地，所述單相H橋變換器采用基爾霍夫定律得到的數(shù)學模型如下:
【權(quán)利要求】
1.一種大容量統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器，所述統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器采用三相三線制并串結(jié)構(gòu)，包括通過公共直流母線連接的并聯(lián)型電壓源變流器和串聯(lián)型電壓源變流器；其特征在于，所述并聯(lián)型電壓源變流器采用多繞組的單相變壓器連接單相H橋變換器結(jié)構(gòu)，所述多繞組單相變壓器原邊通過并聯(lián)電抗器接入交流側(cè)電網(wǎng)，所述多繞組單相變壓器副邊與H橋變換器的交流側(cè)連接；所述串聯(lián)型電壓源變流器采用單相H橋變換器結(jié)構(gòu)，與并聯(lián)型電壓源變流器的H橋變換器形成“背靠背”結(jié)構(gòu)，串聯(lián)型電壓源變流器的單相H橋變換器分別通過RLC濾波電路以及旁路晶閘管單元以級聯(lián)的方式接入直流側(cè)電網(wǎng)。
2.如權(quán)利要求1所述的統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器，其特征在于，所述串聯(lián)側(cè)單相H橋變換器包括并聯(lián)的H橋、濾波電容器C支路和電阻&支路；電抗器-電阻串聯(lián)支路連接在H橋其中兩個橋臂之間的a點，直流電源Us與電抗器-電阻串聯(lián)支路并聯(lián)后連接在H橋另外兩個橋臂之間的b點；所述電抗器-電阻串聯(lián)支路由串聯(lián)的電抗器L和電阻R組成； 所述H橋由四個橋臂組成，每個橋臂由IGBT模塊組成，所述IGBT模塊包括IGBT器件以及與其反并聯(lián)的二極管組成。
3.如權(quán)利要求1所述的統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器，其特征在于，所述并聯(lián)型電壓源變流器的單相H橋變換器結(jié)構(gòu)與串聯(lián)型電壓源變流器的單相H橋變換器結(jié)構(gòu)之間并聯(lián)有電容器。
4.如權(quán)利要求1所述的統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器，其特征在于，所述RLC濾波電路由串聯(lián)的電容器、電阻和電抗器組成；所述晶閘管單元由反并聯(lián)的兩個晶閘管組成。
5.如權(quán)利要求1所述的統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器，其特征在于，所述并聯(lián)型電壓源變流器和串聯(lián)型電壓源變流器均為雙向PWM變流器。
6.一種大容量統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器的控制方法，其特征在于，所述控制方法通過基于虛擬正交坐標變換的控制方式實現(xiàn)，所述基于虛擬正交坐標變換使統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器并聯(lián)型電壓源變流器的單相H橋變換器等效為三相整流器，等效后具有三相整流器的功率因數(shù)可控和諧波抑制的功能，用于實現(xiàn)三`相對稱電壓系統(tǒng)條件下三相整流器的功能。
7.如權(quán)利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述單相H橋變換器采用基爾霍夫定律得到的數(shù)學模型如下: L~ = us^Rh ~u?h ⑴； at C dU.dc _ ^abh ^dc(2) 其中:L為電抗器L電感值，is為流經(jīng)電抗器-電阻串聯(lián)支路的電流值，Us為交流電源的電壓值，R為線路損耗等效電阻R的阻值；uab為H橋a、b兩點之間的電壓值，C為電容器C的電容值，Ud。為電容器C兩端的電壓值，Rl為等效直流負載電阻&的阻值。
8.如權(quán)利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述三相整流器的直角坐標系下的控制方案是將三相電壓信號ua、ub和U。轉(zhuǎn)化為兩相靜止直角坐標系下的Ua和Ue表示；所述直角坐標系即dq坐標系，所述兩相靜止直角坐標系即a ^坐標系，將三相電壓信號ua、Ub和U。轉(zhuǎn)化為兩相靜止直角坐標系下的Ua和U0表示包括: ①構(gòu)造與a &坐標系相位差為0 ,以《角頻率逆時針旋轉(zhuǎn)的同步旋轉(zhuǎn)的dq坐標系，其中CO為三相電壓信號ua、ub和U。的角頻率；②將a ^坐標系下的兩個電壓信號Ua和U0通過坐標變化，轉(zhuǎn)化為①中dq同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的Ud和U,，在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標系下Ud和Uq分量均為直流電壓信號； 其中:當dq坐標系的起始位置與a P坐標系重合,貝U有Q = ?t, a P坐標系向dq坐標系轉(zhuǎn)化如式(3)所示，dq坐標系向a ^坐標系轉(zhuǎn)化如式(4)所示，其中0 = cot;
9.如權(quán)利要求6所述的控制方法，其特征在于，將并聯(lián)型電壓源變流器的單相H橋變換器等效為三相整流器指的是將并聯(lián)型電壓源變流器的單相H橋變換器等效為三相整流器坐標系a ^和坐標系dq下的dq量,包括:
<1> 令 ia = isH = Iscos w t,Uci = Us = Uscos w t,在 dq 坐標系下，令 Ud = Us,Uq = 0,則d軸上分量為有功分量，q軸上為無功分量，則控制的目標是使得電流的有功分量和無功分量都為給定的值；假設(shè)2個變量ie和U0 ,其中ie = IsSinwt, U0 = UsSinwt ;采用dq坐標系下的變量來等效，由式(4)得出式(5)、(6)和(7)成立，分別如下:
10.如權(quán)利要求6所述的控制方法，其特征在于，單相H橋變換器等效為三相整流器的控制方案采用以電壓為外環(huán)調(diào)節(jié)和電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)的雙閉環(huán)控制，所述電壓為外環(huán)調(diào)節(jié)采用直流側(cè)輸出電壓的實際值Ud。與給定值的誤差信號進行PI調(diào)節(jié)，用于直流側(cè)輸出電壓穩(wěn)定，進行PI調(diào)節(jié)的PI調(diào)節(jié)器輸出為給定電流 < 的幅值€，給定電流/I的頻率和相位通過鎖相環(huán)PLL檢測網(wǎng)側(cè)電源電壓得到； 電流內(nèi)環(huán)采用dq坐標系下預測電流控制來實現(xiàn)實際電流isH跟蹤給定的電流〖I，實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)輸入端給定的功率因數(shù)。
11.如權(quán)利要求10所述的控制方法，其特征在于，所述dq坐標系下預測電流控制經(jīng)過一個PWM開關(guān)周期Ts使實際合成電流is(t+Ts)與指令電流/>)相等； 當開關(guān)頻率遠遠大于電網(wǎng)頻率時，在一個開關(guān)周期Ts內(nèi)有:
【文檔編號】H02J3/00GK103618310SQ201310652084
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月5日
【發(fā)明者】張一博, 燕翚, 葉衛(wèi)華, 訾振寧, 劉琳 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院, 中電普瑞科技有限公司