一種配電網(wǎng)綜合補償裝置及其控制算法
【專利摘要】一種配電網(wǎng)綜合補償裝置及其控制算法，裝置主要包括控制器、電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為三相四線制電壓型變流器，變流器的三相橋臂的每個橋臂由兩個IGBT組成，IGBT的公共點為直流母線，連接有兩串聯(lián)的電容和兩串聯(lián)的電阻，電容支路與電阻支路并聯(lián)，電容的連接中點為零線，變流器的每相通過電阻及與電阻并聯(lián)的接觸器與電網(wǎng)連接；控件器的一端連接三個變壓器、三個電流傳感器、三個電流互感器，另一端連接IGBT，變壓器采集三相電壓，電流傳感器采集補償裝置電流、電流互感器采集負(fù)荷電流。通過控制算法，在不增加硬件成本的基礎(chǔ)上，可以實現(xiàn)無功、諧波、負(fù)序和零序電流分量的綜合補償，響應(yīng)速度快，精度高，補償效果好，同時體積小，損耗低。
【專利說明】一種配電網(wǎng)綜合補償裝置及其控制算法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于配電網(wǎng)的電力電子裝置，該電力電子裝置具有補償無功、諧 波、零序分量和負(fù)序分量的綜合補償效果。

【背景技術(shù)】
[0002] 在低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)中，三相四線制供電方式是最主要的供電方式，配電網(wǎng)中的用 電設(shè)備大多以單相負(fù)荷為主。由于用電設(shè)備的不同時性，變壓器幾乎都在三相不平衡狀態(tài) 下運行，同時用電設(shè)備還會產(chǎn)生大量無功分量。低壓配電系統(tǒng)變壓器連接組別一般是Dynll 或者YynO,三相不平衡時造成的中性點漂移以及零序電流增大會造成變壓器利用率降低、 某相電壓升高、變壓器溫升提高等問題。大大影響了低壓配電網(wǎng)的用電安全。
[0003] 目前低壓配電網(wǎng)中的補償器大部分采用無源器件進(jìn)行無功和不平衡補償，中國專 利CN 202772596 U介紹了一種采用容性調(diào)節(jié)的三相電流不平衡補償系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用調(diào)節(jié) 電容器的投切來補償不平衡，具有補償速度慢，補償效果階梯化精度低等特點。中國專利CN 203574371 U介紹了一種SVG型配網(wǎng)電能質(zhì)量綜合補償器，該補償器采用SVG補償無功和負(fù) 序分量，通過零序分流器吸收零序電流分量，SVG具有補償快速，補償效果平滑可調(diào)的優(yōu)點， 但是該套裝置通過SVG和零序分流器兩種設(shè)備搭配來完成綜合補償功能，設(shè)備體積較大， 成本不利于降低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，發(fā)明了單個電力電子綜合補償裝置。 通過優(yōu)化算法和改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了無功、負(fù)序分量、零序分量以及諧波的綜合補償，縮減 了裝置體積，降低了裝置整體成本。
[0005] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)手段實現(xiàn)的： 一種配電網(wǎng)綜合補償方法，經(jīng)過以下的步驟： 1) 對模擬信號進(jìn)行采樣，采樣內(nèi)容包括三相電網(wǎng)電壓、配電網(wǎng)綜合補償裝置三相裝置 電流、三相負(fù)荷電流和直流母線電壓； 2) 對配電網(wǎng)綜合補償裝置三相電壓進(jìn)行SPLL (軟件鎖相環(huán)）運算，產(chǎn)生三相電壓的相 位息和頻率息； 3) 對配三相負(fù)荷電流SPLL的運算結(jié)果進(jìn)行分離運算，將三相負(fù)荷電流信號轉(zhuǎn)換為有 功軸分量、無功軸分量和零軸分量，將無功軸分量和零軸分量取反后直接給出，將有功軸分 量進(jìn)行低通濾波，將交流成分取出后取反作為給定值； 4) 將配電網(wǎng)綜合補償裝置三相電流信號與SPLL (軟件鎖相環(huán))計算結(jié)果運算產(chǎn)生有功 軸分量、無功軸分量和零軸分量； 5) 對于三相負(fù)荷電流和三相裝置電流經(jīng)過運算后產(chǎn)生的有功軸分量、無功軸分量和零 軸分量分別進(jìn)行閉環(huán)PI (比例積分）運算； 6) 將閉環(huán)運算結(jié)果進(jìn)行反變換產(chǎn)生三相裝置電流調(diào)制波信號，調(diào)制波信號與控制板自 身產(chǎn)生的三角波信號比較后獲得驅(qū)動信號經(jīng)高速開關(guān)放大。
[0006] -種配電網(wǎng)綜合補償裝置，主要包括控制器、電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為三相四線制電壓型 變流器，變流器的三相橋臂的每個橋臂由兩個IGBT組成，IGBT的公共點為直流母線，連接 有兩串聯(lián)的電容和兩串聯(lián)的電阻，電容支路與電阻支路并聯(lián)，電容的連接中點為零線，變流 器的每相通過電阻及與電阻并聯(lián)的接觸器與電網(wǎng)連接；控件器的一端連接三個變壓器、三 個電流傳感器、三個電流互感器，另一端連接IGBT，變壓器采集三相電壓，電流傳感器采集 補償裝置電流、電流互感器采集負(fù)荷電流。
[0007] 上述配電網(wǎng)綜合補償裝置的優(yōu)選方案，變流器、與電網(wǎng)連接的電阻之間有濾波器， 濾波器為電感，也可以是電感和電容構(gòu)成的濾波電路。
[0008] 上述配電網(wǎng)綜合補償裝置的優(yōu)選方案，IGBT的公共點連接的電容為薄膜電容。
[0009] 上述配電網(wǎng)綜合補償裝置的優(yōu)選方案，控制器由核心控制板和電源驅(qū)動控制板組 成，通過排線連接，核心控制板主要包括主控芯片，主控芯片與變壓器、電流傳感器連接，電 源驅(qū)動控制板主要包括開關(guān)電源、光電隔離驅(qū)動芯片，開關(guān)電源輸入端連接補償裝置的直 流母線，輸出端連接光電隔離驅(qū)動芯片電源輸入端，光電隔離驅(qū)動芯片信號輸入端連接主 控芯片，信號輸出端連接IGBT。
[0010] 核心控制板的功能包括：模擬量采樣、數(shù)字量采樣、PWM (脈寬調(diào)制)信號輸出、數(shù)字 量輸出、通信功能、核心算法運算。電源驅(qū)動控制板的功能包括：能量取電供電功能、驅(qū)動信 號光電隔離功能。核心控制板和電源驅(qū)動控制板之間的連接排線信號包括：三相橋臂PWM (脈寬調(diào)制）信號、故障保護(hù)信號、風(fēng)機控制信號。
[0011] 與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明具有以下明顯的優(yōu)點：在不增加硬件成本的基礎(chǔ)上，通過 一臺綜合補償裝置可以實現(xiàn)無功、諧波、負(fù)序和零序電流分量的綜合補償，綜合補償裝置并 聯(lián)在配電網(wǎng)上正常運行之后，配電網(wǎng)電能質(zhì)量得到治理。本發(fā)明所述的綜合補償裝置響應(yīng) 速度快，精度高，補償效果好，同時體積小，損耗低，具有極大的工業(yè)推廣價值。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012] 圖1綜合補償裝置主電路結(jié)構(gòu)圖； 圖2綜合補償裝置控制電路框圖； 圖3綜合補償裝置控制算法框圖； 圖4綜合補償裝置補償效果試驗圖； 圖中，1-同步變壓器，2-電流傳感器，3-A相電流，4-B相電流，5-C相電流。

【具體實施方式】
[0013] 以下結(jié)合【專利附圖】

【附圖說明】和【具體實施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述： 附圖1為綜合補償裝置主電路結(jié)構(gòu)圖，交流器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為三相四線制，兩個IGBT 串聯(lián)組成單個橋臂，三個橋臂組成三相全橋變流器結(jié)構(gòu)，三相橋臂IGBT的公共點為三相全 橋變流器的直流側(cè)，串聯(lián)的兩個電容器為C1和C2,電容器C1、C2串聯(lián)中點引出作為三相四 線制的零線引出，電容器與均壓放電電阻R2并聯(lián)，電阻對串聯(lián)的容器起到放電和均壓的雙 重作用。
[0014] 交流器通過電抗器L、緩沖電阻R1、三相交流接觸器KM與電網(wǎng)連接，緩沖電阻R1 與三相交流接觸器KM并聯(lián)，實現(xiàn)緩沖電阻R1的充電和短接，KM分?jǐn)鄷r，電網(wǎng)通過緩沖電阻 R1給變流器直流側(cè)充電，KM吸合時，緩沖電阻R1兩端短接。
[0015] 同步變壓器1的功能為將0.4KV配電網(wǎng)電壓變換為15V左右的低壓信號。
[0016] 本實施例中采用1200V/200A等級的英飛凌IGBT三支，每支IGBT包含兩個IGBT 節(jié)。由于補償負(fù)序電流時直流側(cè)會存在100Hz的紋波，因此直流側(cè)電容器Cl、C2選擇薄膜 電容而不是電解電容，薄膜電容的紋波電流耐受力大大強于電解電容。
[0017] 為了提高并網(wǎng)電流質(zhì)量降低電流中高頻諧波成分的含量，并網(wǎng)連接電抗器可以改 成具有濾波作用的LCL電路。
[0018] 變流器通過電流傳感器2串入主電路獲得補償裝置電流信號。
[0019] 附圖2為綜合補償裝置控制電路框圖，控制電路結(jié)構(gòu)主要包含核心控制板和電源 驅(qū)動控制板兩部分組成，本實施例中核心控制板主控制芯片采用TI (美國德州儀器）公司 的TMS32028335芯片，模擬量信號采樣部分需要獲取同步變壓器1傳來的三相電壓信號， 電流傳感器2傳來的補償裝置、C2的電壓信號。電源驅(qū)動控制板與直流側(cè)正負(fù)母線連接， 吸收能量后經(jīng)過板內(nèi)開關(guān)電源為控制系統(tǒng)供電，用于0.4KV配電系統(tǒng)的裝置中直流側(cè)正 負(fù)母線電壓值大約800V左右，電源驅(qū)動控制板開關(guān)電源產(chǎn)生的電壓等級包含：+24V、+5V、 ±12V。電源驅(qū)動控制板上存在光電隔離的驅(qū)動芯片，本實施例選用美國Avago公司的產(chǎn)品 HCPL-316J，驅(qū)動信號由核心控制板傳送過來，經(jīng)過光電隔離器之后驅(qū)動IGBT。
[0020] 核心控制板還具有數(shù)字量信號的輸入輸出作用，數(shù)字量輸入信號包括交流接觸器 KM的吸合狀態(tài)，外部交流合閘狀態(tài)以及外部控制狀態(tài)，數(shù)字量輸出信號包括交流接觸器KM 的吸合控制，散熱風(fēng)機的開關(guān)控制，外部故障的狀態(tài)量輸出等。
[0021] 圖3為綜合補償裝置控制算法框圖，該控制算法主要在核心控制板內(nèi)的DSP中進(jìn) 行運算。
[0022] DSP (數(shù)字信號處理器）芯片采樣三相電壓信號Ua、Ub、Uc后經(jīng)過軟件 鎖相環(huán)子模塊獲得電壓的相角和頻率信息，該相角和頻率信息供給ABC/DQ0變換 子模塊和DQ0/ABC變換子模塊使用，其中ABC/DQ0變換子模塊的變換矩陣為：

【權(quán)利要求】
1. 配電網(wǎng)綜合補償方法，其特征是：經(jīng)過以下的步驟： 1)對模擬信號進(jìn)行采樣，采樣內(nèi)容包括三相電網(wǎng)電壓、配電網(wǎng)綜合補償裝置三相電流、 三相負(fù)荷電流和直流母線電壓； 對配電網(wǎng)綜合補償裝置三相電壓進(jìn)行SPLL運算，產(chǎn)生三相電壓的相位信息和頻率信 息； 對三相負(fù)荷電流SPLL的運算結(jié)果進(jìn)行分離運算，將三相負(fù)荷電流信號轉(zhuǎn)換為有功軸 分量、無功軸分量和零軸分量，將無功軸分量和零軸分量取反后直接給出，將有功軸分量進(jìn) 行低通濾波，將交流成分取出后取反作為給定值； 將配電網(wǎng)綜合補償裝置三相電流信號SPLL運算產(chǎn)生有功軸分量、無功軸分量和零軸 分量； 對于三相負(fù)荷電流和配電網(wǎng)綜合補償裝置三相電流經(jīng)過運算后產(chǎn)生的有功軸分量、無 功軸分量和零軸分量分別進(jìn)行閉環(huán)PI運算； 將閉環(huán)運算結(jié)果進(jìn)行反變換產(chǎn)生三相裝置電流調(diào)制波信號，與控制板自身產(chǎn)生的三角 波信號比較后獲得驅(qū)動信號經(jīng)高速開關(guān)放大。
2. 實現(xiàn)權(quán)利要求1所述的配電網(wǎng)綜合補償方法的配電網(wǎng)綜合補償裝置，主要包括控制 器、電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為三相四線制電壓型變流器，其特征是：所述變流器的三相橋臂的每個橋 臂由兩個IGBT組成，IGBT的公共點為直流母線，連接有兩串聯(lián)的電容和兩串聯(lián)的電阻，所 述電容支路與所述電阻支路并聯(lián)，所述電容的連接中點為零線，所述變流器的每相通過電 阻及與電阻并聯(lián)的接觸器與電網(wǎng)連接；所述控件器的一端連接三個變壓器、三個電流傳感 器、三個電流互感器，另一端連接IGBT，變壓器采集三相電壓，電流傳感器采集補償裝置電 流、電流互感器采集負(fù)荷電流。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的配電網(wǎng)綜合補償裝置，其特征是：所述變流器、與電網(wǎng)連接的 所述電阻之間有濾波器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的配電網(wǎng)綜合補償裝置，其特征是：所述濾波器為電感。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的配電網(wǎng)綜合補償裝置，其特征是：所述濾波器為電感和電容 構(gòu)成的濾波電路。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的配電網(wǎng)綜合補償裝置，其特征是：所述IGBT的公共點連接的 所述電容為薄膜電容。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的配電網(wǎng)綜合補償裝置，其特征是：所述控制器由核心控制板 和電源驅(qū)動控制板組成，通過排線連接。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的配電網(wǎng)綜合補償裝置，其特征是：所述核心控制板主要包括 主控芯片，所述主控芯片與所述電壓傳感器與電流傳感器連接。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的配電網(wǎng)綜合補償裝置，其特征是：所述電源驅(qū)動控制板主要 包括開關(guān)電源、光電隔離驅(qū)動芯片，所述開關(guān)電源輸入端連接所述直流母線，輸出端連接所 述光電隔離驅(qū)動芯片的電源輸入端，所述光電隔離驅(qū)動芯片信號輸入端連接所述主控芯 片，信號輸出端連接IGBT。
【文檔編號】H02J3/01GK104092225SQ201410332251
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月11日
【發(fā)明者】任其廣, 胡順全, 石廣保, 裴寶峰, 侯彬彬, 周玉蘭, 姚海嘉, 李志剛, 宋林林 申請人:山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司