本发明属于电力系统中，配电网侧电能质量治理领域，具体讲涉及一种拓扑电能质量治理系统及其控制方法。
背景技术：
随着社会经济不断发展和人民生活水平不断提高，人们对电能质量的要求越来越高，目前有关电力系统低压配电网中，对用户端电压低关注较高，治理的措施、相关产品、装置也较多，整体解决技术成熟；但对于用户端电压高的问题，关注较少，目前基本没有对应的成熟方案和措施来解决配电网领域中电能质量不达标的问题。根据国网对各级配电单位关于电能质量的最新要求，对于终端用户，无论电压是过低、还是过高都不符合要求。因为用户端电能质量不达标带来的危害更大，一些地区甚至出现因电能质量不达标导致家用电器烧毁的现象，社会影响极为恶劣。因此为积极贯彻国家农电政策，大力实施“新农村、新电力、新服务”发展战略，解决配电网中电能质量不高的问题尤为迫切。
技术实现要素：
根据现有技术的不足，本发明提出一种拓扑电能质量治理系统及其控制方法，该系统具有集成度高、能耗低、针对性强、灵活治理的特点；可根据用户端电能状态自动跟踪补偿，具有动态响应速度快、安装方便、快捷等特点，可实现用户端电能质量不达标的有效治理。同时通过并接与配电网用户侧，实时跟踪、检测补偿用户侧无功、谐波，实现治理线路上电能质量差的问题。
本发明按以下技术方案实现：
一种拓扑电能质量治理系统，包括单相电网，还包括并网接口、emc滤波器、高频滤波电抗器、主变流回路、控制系统、电流互感器和igbt驱动及保护系统；所述并网接口一端并接到单相电网中，另一端与控制系统相连，实现和电网系统实时能量交互的功能，同时为控制系统提供能量传递通道电压采集通道；所述emc滤波器串接在高频滤波电抗器和并网接口之间，确保设备内部和配电网系统间电磁兼容性能；所述高频滤波电抗器串接在主变流回路和emc滤波器之间，实现滤除因主变流回路内高频开关管高频变换时产生的高次谐波；所述电流互感器一端直接卡接单相电网的火线上，另一端接入到控制系统中，实现对配电网负荷电流的实时监测功能；所述igbt驱动及保护系统一端与控制系统相连，另一端与主变流回路相连。
优选的是，所述单相电网为配电网220v系统。
优选的是，所述并网接口包括依次相连的单相电网电压接入端子、断路器、单相电网电压检测端；所述单相电网电压接入端子为3针端子排，分别接入单相电网的一个火线、一个零线和一根地线；所述单相电网电压检测端包括霍尔型电压传感器，该霍尔型电压传感器为pcb焊接式，工作电源为控制系统提供，其端电压取自断路器内侧，实现对配电网电压的实时监测。
优选的是，所述emc滤波器由共模电感和安规电容x电容，y电容组成。
优选的是，所述高频滤波电抗器由滤波电感和高磁导率磁芯组成。
优选的是，所述主变流回路由多个igbt模块、直流支撑电容c和直流电压、电流检测系统组成；所述多个igbt模块包括由igbt模块t1、igbt模块t2、igbt模块t3、igbt模块t4组成的h桥变流回路和由igbt模块t5、igbt模块t6组成可交流旁路的桥臂；所述h桥变流回路是由igbt模块t1、igbt模块t2串联成一支路与igbt模块t3、igbt模块t4串联成一支路后并联组成的两个桥臂，其中，igbt模块t1、igbt模块t2和igbt模块t3、igbt模块t4串联连接处为电力电子变换输出端，分别对应配电网系统的火线和零线；igbt模块t5、igbt模块t6串接后跨接在由igbt模块t1、igbt模块t2、igbt模块t3、igbt模块t4组成的桥臂间，通过控制igbt模块t5、igbt模块t6的开通和关断实现h桥高频变换时能量续流通道，实现对交流输出的旁路功能；所述直流支撑电容c和h桥变流回路并联连接，为主变流回路拓扑提供变换时电压支撑功能。
优选的是，所述igbt模块由高频绝缘栅双极型晶体管igbt和高速续流二极管组成，其高频绝缘栅双极型晶体管igbt的开关频率为15khz以上；所述直流支撑电容c由多组电解电容或金属膜薄膜电容串并联组成，耐压等级高达900v。
优选的是，所述控制系统由数字控制器dsp单元、模数采集单元ad、工作电源单元、输出控制接口组成；所述数字控制器dsp单元是基于ti公司的c2000dsp及其外围电路组成。
优选的是，所述igbt驱动及保护系统包括igbt驱动电源、igbt驱动隔离光耦、igbt短路保护电路、igbt过压保护电路、igbt过温保护电路；所述igbt驱动电源总共有四组驱动电源，分别是由驱动igbt模块t1的电源ⅰ、驱动igbt模块t3的电源ⅱ、驱动igbt模块t5和igbt模块t6的电源ⅲ，驱动igbt模块t2和igbt模块t4的电源ⅳ组成；所述驱动电源为+15v和-10v双电源，电源ⅰ、电源ⅱ、电源ⅲ、电源ⅳ相互隔离。
一种拓扑电能质量治理系统的控制方法，该方法为：配电网负荷电压和配电网负荷电流分别通过并网接口与电流互感器进入到系统中，控制系统实时监测配电网负荷电流和负荷电压状态，通过其内部高速计算器进行快速傅里叶变换计算，计算出配电网系统中所需补偿无功量，通过控制主变流回路中h桥变流回路的开通顺序和开通持续时间，快速补偿配电网基波无功，实现对配电网实时无功补偿的功能，达到动态直流配电网电能质量的目的；在h桥变流回路上连接有由igbt模块t5、igbt模块t6组成可交流旁路的桥臂，通过控制系统控制igbt模块t5、igbt模块t6的有序通断续流，使得h桥变流回路上流过电流的调制开关的正向电压由vdc降低为1/2vdc，减小了开关管的损耗，这一拓扑结构采用双极性pwm调制的输出调制波形同全桥拓扑采用单极性pwm调制的输出波形一致，可有效抑制电流纹波，减小高频滤波电抗器上的损耗，提升整个系统的转换效率。
与现有技术相比，本发明创造性的提出在配电网线路上串联双绕组电抗器，即交流绕组和直流控制绕组。通过改变直流控制绕组的励磁电流，调节电感器内部的磁场强度，改变电抗器磁芯的饱和程度，从而改变交流绕组的动态感值，最终实现调节线路上过电压问题。该装置可配合静止无功发生器，基本能完全治理终端用户的端电能质量不达标、过低的问题，使得终端用户的端电压全天候符合国家及国网对电能质量的要求。该系统的最大特点，可以最经济化、最便捷、高效的方式解决目前广泛存在的的低压配电网领域中电网电能质量不达标、过低的问题。
整个发明系统可为配电网领域中用户终端电能治理问题的治理提供一种全新的方法，让配电网负荷侧根据实际运行工况，自动调节控制。真正做到无人值守，精准调节治理的功效。为解决配电网端因用户侧电能质量差、无功消耗大，造成线路损耗大，变压器负荷大，发热严重等问题提供了一种全新的解决模式，为终端用电户带来全新的用电感受。可为企业创造巨大的经济和社会效益。
本发明具有极强的创新性、具有集成度高、能耗低、针对性强、灵活治理的特点；可根据用户端电能状态自动跟踪补偿，具有动态响应速度快、安装方便、快捷等特点，可实现用户端电能质量不达标的有效治理。同时该发明一种拓扑电能质量治理系统及其控制方法其通过并接与配电网用户侧，实时跟踪、检测补偿用户侧无功、谐波，实现治理线路上电能质量差的问题。该发明最大的优点是，在装置系统交流侧并联一对串联的开关管，通过这两个管子的续流，使得h桥上流过电流的调制开关的正向电压由vdc降低为1/2vdc，减小了开关管的损耗，同时，这一拓扑结构采用双极性pwm调制的输出调制波形同全桥拓扑采用单极性pwm调制的输出波形一致，有效地抑制了电流纹波，减小了滤波电感上的损耗，效率高达96.3%以上。基于本拓扑的系统具有极强的可靠性，具有投入少，回报高的特点。市场前景广阔，社会效应强。
附图说明
图1为本发明系统连接示意图；
1—并网接口，2—emc滤波器，3—高频滤波电抗器，4—主变流回路，5—控制系统，6—电流互感器，7—单相电网，8—igbt驱动及保护系统。
具体实施方式
以下结合附图，通过具体实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，一种拓扑电能质量治理系统，包括单相电网7，还包括并网接口1、emc滤波器2、高频滤波电抗器3、主变流回路4、控制系统5、电流互感器6和igbt驱动及保护系统8；并网接口1一端并接到单相电网7中，另一端与控制系统5相连，实现和电网系统实时能量交互的功能，同时为控制系统5提供能量传递通道电压采集通道；emc滤波器2串接在高频滤波电抗器3和并网接口1之间，确保设备内部和配电网系统间电磁兼容性能；高频滤波电抗器3串接在主变流回路4和emc滤波器2之间，实现滤除因主变流回路4内高频开关管高频变换时产生的高次谐波；电流互感器6一端直接卡接单相电网7的火线上，另一端接入到控制系统5中，实现对配电网负荷电流的实时监测功能；igbt驱动及保护系统8一端与控制系统5相连，另一端与主变流回路4相连。
单相电网7为配电网220v系统，靠近用户侧。
并网接口1做为系统中的输入和输出端，主要包括依次相连的单相电网电压接入端子、断路器、单相电网电压检测端；其中单相电网电压接入端子为3针端子排，分别接入单相电网7的一个火线、一个零线和一根地线；断路器是具备短路和过流热磁脱口功能；单相电网电压检测端，主要由霍尔型电压传感器组成，其中霍尔型电压传感器为pcb焊接式，工作电源为控制系统提供；端电压取自断路器内侧；实现对配电网电压的实时监测。并网接口1主要实现把配电网系统引入到设备系统中，实现和电网系统实时能量交互的功能，同时为设备控制系统提供能量传递通道电压采集通道。
emc滤波器2主要由共模电感和安规电容x电容，y电容组成，确保设备内部和配电网系统间电磁兼容性能。
高频滤波电抗器3主要由滤波电感和高磁导率磁芯组成，实现滤除因主变流回路内高频开关管高频变换时产生的高次谐波，使得主回路输出基波无功和有功电流更平滑、正弦的功能。
主变流回路4由多个igbt模块、直流支撑电容c和直流电压、电流检测系统组成；多个igbt模块包括由igbt模块t1、igbt模块t2、igbt模块t3、igbt模块t4组成的h桥变流回路和由igbt模块t5、igbt模块t6组成可交流旁路的桥臂；h桥变流回路是由igbt模块t1、igbt模块t2串联成一支路与igbt模块t3、igbt模块t4串联成一支路后并联组成的两个桥臂，其中，igbt模块t1、igbt模块t2和igbt模块t3、igbt模块t4串联连接处为电力电子变换输出端，分别对应配电网系统的火线和零线；igbt模块t5、igbt模块t6串接后跨接在由igbt模块t1、igbt模块t2、igbt模块t3、igbt模块t4组成的桥臂间，通过控制igbt模块t5、igbt模块t6的开通和关断实现h桥高频变换时能量续流通道，实现对交流输出的旁路功能；直流支撑电容c和h桥变流回路并联连接，为主变流回路拓扑提供变换时电压支撑功能。igbt模块由高频绝缘栅双极型晶体管igbt和高速续流二极管组成，其高频绝缘栅双极型晶体管igbt的开关频率为15khz以上；直流支撑电容c由多组电解电容或金属膜薄膜电容串并联组成，耐压等级高达900v。
控制系统5由数字控制器dsp单元、模数采集单元ad、工作电源单元、输出控制接口组成；数字控制器dsp单元是基于ti公司的c2000dsp及其外围电路组成。控制系统5根据电流互感器6传回的实时电流值和检测到的电网电压状态值，通过内部高速计算器进行快速傅里叶变换计算，计算出配电网系统中所需补偿无功量，通过控制主变流回路4拓扑igbt的开通顺序和开通持续时间，快速补偿电网基波无功，实现对电网实时无功补偿的功能，达到动态直流配电网电能质量的目的。
电流互感器6为无源互感器，实现对配电网负荷电流的实时监测功能，电流互感器根据所在配电网容量可自行选择变比。
igbt驱动及保护系统8包括igbt驱动电源、igbt驱动隔离光耦、igbt短路保护电路、igbt过压保护电路、igbt过温保护电路；igbt驱动电源总共有四组驱动电源，分别是由驱动igbt模块t1的电源ⅰ、驱动igbt模块t3的电源ⅱ、驱动igbt模块t5和igbt模块t6的电源ⅲ，驱动igbt模块t2和igbt模块t4的电源ⅳ组成；驱动电源为+15v和-10v双电源，电源ⅰ、电源ⅱ、电源ⅲ、电源ⅳ相互隔离。
一种拓扑电能质量治理系统的控制方法，该方法为：配电网负荷电压和配电网负荷电流分别通过并网接口1与电流互感器6进入到系统中，控制系统5实时监测配电网负荷电流和负荷电压状态，通过其内部高速计算器进行快速傅里叶变换计算，计算出配电网系统中所需补偿无功量，通过控制主变流回路4中h桥变流回路的开通顺序和开通持续时间，快速补偿配电网基波无功，实现对配电网实时无功补偿的功能，达到动态直流配电网电能质量的目的；在h桥变流回路上连接有由igbt模块t5、igbt模块t6组成可交流旁路的桥臂，通过控制系统5控制igbt模块t5、igbt模块t6的有序通断续流，使得h桥变流回路上流过电流的调制开关的正向电压由vdc降低为1/2vdc，减小了开关管的损耗，这一拓扑结构采用双极性pwm调制的输出调制波形同全桥拓扑采用单极性pwm调制的输出波形一致，可有效抑制电流纹波，减小高频滤波电抗器上的损耗，提升整个系统的转换效率。
本发明创新性的应用在电能质量治理装置上，可在有效治理配电网电能质量问题的同时，最大化减少对电网的二次污染和损耗，真正做到对配电网电能质量的绿色治理。
本发明的一种拓扑电能质量治理系统的电能质量治理装置以分布式安装，就近治理的原则，使得电能质量治理效果显著。
本发明基于另一目的提供的一种拓扑电能质量治理系统及其控制方法，其创新之处在于，所述方法可同时包括
(1)通过在低压配电网负荷端，加装该装置，实现对负荷端无功补偿，功率因数提升，负荷端电压的调节功能。
(2)通过在传统h桥拓扑上增加交流旁路电子开关，降低开关管自身损耗，提升装置的效能。
(3)通过新型拓扑在电能质量治理装置的应用，可在对电网电能质量治理的同时，进一步降低装置本身对电网的二次污染。
整个发明系统可为配电网领域中用户终端电能治理问题的治理提供一种全新的方法，让配电网负荷侧根据实际运行工况，自动调节控制。真正做到无人值守，精准调节治理的功效。为解决配电网端因用户侧电能质量差、无功消耗大，造成线路损耗大，变压器负荷大，发热严重等问题提供了一种全新的解决模式，为终端用电户带来全新的用电感受。可为企业创造巨大的经济和社会效益。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。