LC网络开关并联型统一电能质量控制器及其控制方法与流程

本发明涉及电力电子和柔性交流输配电
技术领域：
，具体涉及lc网络开关并联型统一电能质量控制器及其控制方法。
背景技术：
：在通讯、医疗和高端制造业等领域，大量敏感负荷对以电压暂降为代表的电压型电能质量问题和供电可靠性要求愈加严格，例如，半导体晶圆制造工艺复杂，对用电质量的要求极高(通常为99.99999％)，一个12英寸半导体晶圆加工厂发生电压暂降导致生产线停顿，可造成数百万美元的经济损失。具有灵活高效、经济环保等优点的光伏、风电等可再生能源正大量接入常规电网，可在大电网发生故障时独立运行，有效提高配、用电网和供电可靠性。另一方面，大量接入的敏感电力电子负荷和和可再生能源并网逆变器注入电网中无功、谐波和负序等潮流，又恶化了配、用电网和上级电网的电能质量。因此，配电、用电和微网中往往需要同时解决电压型和电流型电能质量问题。目前主要采用柔性交流配电(d-facts)技术解决各种电能质量问题。串联型d-facts设备典型如动态电压恢复器(dvr)、串联型有源电力滤波器(apf)可有效解决电压暂降问题，由于串联在电网与负载之间，无法解决电网开路造成的供电中断(如断路器跳闸等)问题。此外，这些装置在电网电压正常时处于旁路状态，利用率低，成本较高，也无法抑制谐波、负序和无功电流。并联型d-facts设备如配电网静止同步补偿器(d-statcom)、并联型apf、等，广泛被用于抑制谐波、负序和无功等电流型电能质量问题，却难以解决电压暂降等电压型电能质量问题、。综合型d-facts设备如统一电能质量控制器(upqc)、双变换型不间断电源(ups)、delta型ups等，包括串、并联补偿两部分结构，能同时解决电压、电流两类电能质量问题，但设备成本高、过载能力弱、损耗较高，尤其是较大容量应用场合局限性较大。在线互动式ups作为一种并联型设备，依赖电子开关的模式切换能实现对负荷端电压暂降的恢复，但由于采用晶闸管自然换流方式断开电网与负载，切换时间为4～10ms，无法实现无缝切换，难以满足敏感负荷的要求。例如，风电并网对于低电压穿越能力要求很高，电网电压跌落超过3ms即有可能引起风机失稳。针对该问题，文献(guoqiaoshen；dehongxu；xiaomingyuan,"anovelseamlesstransfercontrolstrategybasedonvoltageamplituderegulationforutility-interconnectedfuelcellinverterswithanlcl-filter,"inpowerelectronicsspecialistsconference,2006.pesc'06.37thieee,vol.,no.,pp.1-6,18-22june2006)提出了晶闸管强迫换流的切换开关。但由于敏感负荷对电能质量尤其是输入电压要求严格，分布式电源尤其是电压源的接入使得负载侧的电压难以大幅度降低，当电压暂降程度较大时，这种方式难以降低负载侧电压来实现晶闸管的强迫换流，开关关断时间长甚至无法关断。文献(赵荔,魏应冬,姜齐荣.大容量并联型统一电能质量控制器中的变流器及其控制研究[j].大功率变流技术,2016,(03):17-20+26.)及专利cn104135009a提出了基于谐振型电子开关的s-upqc，但该装置由于开关中的电感、电容体积较大，成本较高，限制了工程应用。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，目的在于提供lc网络开关并联型统一电能质量控制器及其控制方法，解决传统双向晶闸管强迫换流方式在负荷侧为含有分布式电源的配、用网时存在的换流困难，以及谐振型电子开关装置体积大、成本高的应用困难的问题；实现含分布式发电的配、用、微网在电网故障时向孤岛模式的无缝切换的目的。本发明通过下述技术方案实现：lc网络开关并联型统一电能质量控制器，包括电压源变流器、储能单元、主控制系统，还包括电感电容网络和开关单元，所述电感电容网络和开关单元串联组成lc网络开关，其中：所述电感电容网络的一端接入外部电网公共连接点pcc1、另一端与开关单元的一端相连，所述开关单元的另一端接入含分布式发电的微网公共连接点pcc2；所述电压源变流器的交流输出端口并联接入pcc2、直流侧端口与储能单元的输出端口相连接；所述主控制系统的输出端分别与电压源变流器和开关单元连接，主控制系统采集pcc1点和pcc2点的电压和电流信号、电压源变流器的输出电流信号、以及储能单元输出的直流电压和直流电流信号，并输出电压源变流器以及开关单元的控制脉冲信号。进一步的，本发明对综合治理电压型和电流型电能质量问题的s-upqc进行改进，相比现有技术，增加了电感电容网络、开关单元，感电容网络与开关单元串联构成了lc网络开关，lc网络开关接在外部电网与带有分布式发电的微电网之间；主控制系统检测到外部电网侧pcc1点电压跌落时停止t1触发信号，并控制pcc2点电压在电感l1两端制造电压差，使t1中电流迅速减小，将开关关断时间控制在1ms以内；并且由于lc网络开关l、c谐振，在电压跌落瞬间支撑节点n处电压，负载侧电压不需发生较大幅度的下降即可实现晶闸管强迫关断，满足分布式电源和敏感负荷的要求。相比现有技术，本发明利用电感电容网络和开关单元串联组成lc网络开关取代了现有的谐振型电子开关装置，极大的缩短了切换时间，基本实现了从电流源控制模式向电压源控制模式的无缝切换，克服了传统双向晶闸管强迫换流方式在负荷侧为含有分布式电源的配、用网时存在的换流困难的问题；并且lc网络开关结构更加简单，相比现有的谐振型电子开关装置体积更小、成本更低，可应用更广，实用性较强。本发明中的电压源变流器、储能单元、主控制系统均为现有设备，电压源变流器由全控型电力电子开关器件构成，可采用电平、电平三相桥结构或单相h桥结构之任一种；具备电压型控制和电流型控制两种模式。储能单元由超级电容、飞轮或电池组等储能单元及其附属电力电子电路构成，可实现存储电能、向储能元件充电以及向电压源变流器提供有功功率的功能，根据负载容量提供2～3s的短时供电。主控制系统主要由主控制器及与主控制器相连的多个传感器构成，各传感器分别对配、用电系统关键节点电压、电流潮流以及s-upqc自身关键电气节点实时检测；主控制系统实时计算并判定当前电能质量故障类型，根据电能质量故障类型控制s-upqc装置采用对应电能质量运行模式。优选的，所述电感电容网络包括三相相同的结构，每相包括一组电感l和电容c，所述电感l的一端为电感电容网络3的端口31且与外部电网连接、另一端为电感电容网络3的端口32且与开关单元4的端口41连接；所述电容c的一端与端口32连接、另一端三相短接接地或接入三相中性点。进一步的，以上所述为电感电容网络的优选结构，采用三相结构的电感电容网络现场测量电容器时无需拆除连接线，且测量工作量小、快捷简便、性能稳定、测量准确、故障检出率高。优选的，所述开关单元包括三相相同的结构，每相包括一组双向晶闸管开关t1和连接小电感l1，所述双向晶闸管开关t1的一端为开关单元4的端口41且电感电容网络3的端口31连接、另一端与连接小电感l1连接，所述连接小电感l1的另一端为开关单元4的端口42且与微电网通过连接电0抗lmg相连。进一步的，本发明的双向晶闸管开关t1根据系统的额定电压、电流等级并留有一定裕度进行选取，连接小电感l1在能够承受系统要求电流的情况下，阻抗值应尽可能小。所述lc网络开关包括电感l、电容c、连接小电感l1以及一对双向晶闸管t1，其中：当外部电网电压正常时t1导通，外部电网通过l、c与负载相连。进一步的，电感l、电容c的阻值应尽可能小，这样由于l、c的阻抗值较小，节点n处电压uc与pcc1点电压幅值相近，不影响负载正常工作。同时，由于电感电容网络中采用的元件阻抗值较小，使得整个电路网络具有结构简单、成本低廉，抗过载能力强、运行效率高的优点。并且，由于l、c谐振，在电压跌落瞬间支撑节点n处电压，负载侧电压不需发生较大幅度的下降即可实现晶闸管强迫关断，满足分布式电源和敏感负荷的要求。为保证负载正常工作和外部电网稳定运行，所述lc网络开关中电感、电容参数应满足以下要求：(1)、电感l1很小，外部电网正常工作时，晶闸管t1和电感l1上的压降可忽略，负载侧相电压u2与电容c两端电压uc近似相等，即u2≈uc；(2)、当电网电压正常时，负载侧相电压u2幅值、频率与外部电网正常电压相近，根据敏感负荷对电压的要求，确定电压幅值的偏移裕度m％，即f2≈fs；(3)、定义lc网络开关的切换时间为从检测到故障到晶闸管t1中的电流为零的时间，记为ts，所述ts≤1ms且满足t1通态电流临界变化率；(4)、故障期间pcc2点电压应满足敏感负载对于电压跌落的要求，不低于同一时刻正常电压瞬时值的b％，即|u2(t)|≥b％|u20(t)|，其中u20为正常情况下pcc2点电压瞬时值。进一步的，在以上假设中，负载能够承受的电压跌落深度b％由敏感负荷的工作要求决定。为保证负载正常工作和外部电网稳定运行，所述lc网络开关参数还满足以下要求：(5)、记0时刻发生最大电压跌落深度为a％，u10为系统故障0-时刻pcc1点电压，则故障0+时刻pcc1电压满足关系：u1(t)＝(1-a％)u10(t)；(6)、故障期间s-upqc的输出电流瞬时值不超过设定的最大值，即|i2g(t)|≤i2gmax；同时用i2g表示s-upqc额定输出电流的幅值，定义s-upqc装置过载率c％＝|i2gmax/i2g|×100％。在以上假设中，s-upqc装置过载率c％由s-upqc的容量决定。一种基于控制器的控制方法，主控制系统通过对pcc1点及pcc2点的电压、电流检测，迅速判断外部电网中是否发生电压跌落现象，切换s-upqc的工作模式；所述s-upqc包括3种工作模块：不间断电源模式、并联补偿模式和待机模式。进一步的，本发明中的s-upqc主要针对电压跌落故障，具有不间断电源模式、并联补偿模式和待机模式三种模式，本发明利用以上运行方法，实现迅速抑制故障电流以及对包括电压型和电流型电能质量问题的综合治理，全面解决绝大部分电能质量问题。如不间断电源模式利用主控制系统对s-upqc中的超级电容进行判断，以实现对s-upqc的及时充电，保证其正常运行；并联补偿模式一方面可避免由于电压暂降和短时中断造成的生产过程中断、重要数据丢失、重要负荷可靠性丧失造成的重大损失，另一方面可满足电力系统和生产过程中由于非线性负荷等问题造成的电能质量污染，对指标考核或生产过程的影响。所述电压源变流器包括整流、逆变两种工作状态，控制器的运行控制方法具体包括以下步骤：a：所述主控制系统通过对pcc1点和pcc2点的电压和电流信号、电压源变流器的输出电流信号、以及储能单元输出的直流电压和直流电流信号进行检测，判断外部电网中是否发生电压跌落现象；若检测到电压跌落故障，则进入步骤b，否则进入步骤c；b：判断晶闸管是否关断；若晶闸管未被关断，则控制器使用电流反馈环，电压源变流器工作在逆变状态；否则控制器使用电压反馈环，电压源变流器也工作在逆变状态；c：判断s-upqc中的超级电容是否需要充电；若超级电容需要充电，所述电压源变流器工作在整流状态，s-upqc进入不间断电源模式中的充电模式；若超级电容已充满电，s-upqc则进入待机模式，电压源变流器不工作。进一步的，以上所述为主控制检测到电压跌落故障时依次的判断程序。所述步骤a还包括以下步骤：a1：当检测到电压跌落故障时，所述主控制系统切除开关单元的控制脉冲，通过调整s-upqc输出电流控制pcc2点电压，使开关单元中的晶闸管开关t1迅速关断；当晶闸管开关t1关断后，主控制系统调整s-upqc中超级电容的输出电流，为负载提供2～3s的短时供电；a2：当未检测到电压跌落故障时，所述主控制系统工作在并联补偿模式，补偿系统中的谐波及无功电流。进一步的，本发明利用主控制系统检测到电网侧pcc1点电压跌落时停止t1触发信号，并控制pcc2点电压在电感l1两端制造电压差，使t1中电流迅速减小，开关关断时间在1ms以内，基本实现了从电流源控制模式向电压源控制模式的无缝切换。所述超级电容供电时还包括以下两种情况：(1)当超级电容电量耗尽时，所述s-upqc进入待机模式，电压源变流器不工作；(2)当超级电容电量未耗尽时，则进入步骤b。进一步的，对晶闸管是否关断进行判断后，不论控制器使用电流反馈环还是电流反馈环，在电压源变流器也工作在逆变状态，此时对s-upqc中超级电容的消耗较快，主控制系统实时对超级电容电量进行检测，当超级电容电量耗尽时，所述s-upqc进入待机模式，电压源变流器不工作，以保证对电网故障程序的稳定运行。本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：1、本发明lc网络开关并联型统一电能质量控制器及其控制方法，增加了电感电容网络、开关单元，感电容网络与开关单元串联构成了lc网络开关，主控制系统检测到外部电网侧pcc1点电压跌落时停止t1触发信号，并控制pcc2点电压在电感l1两端制造电压差，使t1中电流迅速减小，将开关关断时间控制在1ms以内，以此极大的缩短了切换时间，实现了含分布式发电的配、用、微网在电网故障时向孤岛模式的无缝切换的目的，克服了传统双向晶闸管强迫换流方式在负荷侧为含有分布式电源的配、用网时存在的换流困难的问题；并且lc网络开关结构更加简单，相比现有的谐振型电子开关装置体积更小、成本更低，可应用更广，实用性较强；2、本发明lc网络开关并联型统一电能质量控制器及其控制方法，对综合治理电压型和电流型电能质量问题的s-upqc进行改进，提高了其解决配、用电系统发生电压暂降、电压突升、电压暂时中断等电压质量问题的速度，可避免由于电压暂降和短时中断造成的生产过程中断、重要数据丢失、重要负荷可靠性丧失造成的重大损失，在最大程度上提高了配、用电系统的供电质量和可靠性，进而创造出可观的经济效益。附图说明此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：图1为本发明lc网络开关并联型统一电能质量控制器的结构示意图；图2为本发明电感电容网络三相结构示意图；图3为本发明提出的s-upqc控制策略的逻辑框图；图4为现有技术基于谐振型电子开关的并联型统一电能质量控制装置s-upqc装置结构图。具体实施方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。实施例1如图1～3所示，本发明lc网络开关并联型统一电能质量控制器，包括电压源变流器、储能单元、主控制系统，还包括电感电容网络和开关单元，所述电感电容网络和开关单元串联组成lc网络开关，其中：所述电感电容网络的一端接入外部电网公共连接点pcc1、另一端与开关单元的一端相连，所述开关单元的另一端接入含分布式发电的微网公共连接点pcc2；所述电压源变流器的交流输出端口并联接入pcc2、直流侧端口与储能单元的输出端口相连接；所述主控制系统的输出端分别与电压源变流器和开关单元连接，主控制系统采集pcc1点和pcc2点的电压和电流信号、电压源变流器的输出电流信号、以及储能单元输出的直流电压和直流电流信号，并输出电压源变流器以及开关单元的控制脉冲信号。所述电感电容网络包括三相相同的结构，每相包括一组电感l和电容c，所述电感l的一端为电感电容网络3的端口31且与外部电网连接、另一端为电感电容网络3的端口32且与开关单元4的端口41连接；所述电容c的一端与端口32连接、另一端三相短接接地或接入三相中性点。所述开关单元包括三相相同的结构，每相包括一组双向晶闸管开关t1和连接小电感l1，所述双向晶闸管开关t1的一端为开关单元4的端口41且电感电容网络3的端口31连接、另一端与连接小电感l1连接，所述连接小电感l1的另一端为开关单元4的端口42且与微电网通过连接电0抗lmg相连。所述lc网络开关包括电感l、电容c、连接小电感l1以及一对双向晶闸管t1，其中：当外部电网电压正常时t1导通，外部电网通过l、c与负载相连。为保证负载正常工作和外部电网稳定运行，所述lc网络开关中电感、电容参数应满足以下要求：(1)、电感l1很小，外部电网正常工作时，晶闸管t1和电感l1上的压降可忽略，负载侧相电压u2与电容c两端电压uc近似相等，即u2≈uc；(2)、当电网电压正常时，负载侧相电压u2幅值、频率与外部电网正常电压相近，根据敏感负荷对电压的要求，确定电压幅值的偏移裕度m％，即f2≈fs；(3)、定义lc网络开关的切换时间为从检测到故障到晶闸管t1中的电流为零的时间，记为ts，所述ts≤1ms且满足t1通态电流临界变化率；(4)、故障期间pcc2点电压应满足敏感负载对于电压跌落的要求，不低于同一时刻正常电压瞬时值的b％，即|u2(t)|≥b％|u20(t)|，其中u20为正常情况下pcc2点电压瞬时值。为保证负载正常工作和外部电网稳定运行，所述lc网络开关参数还满足以下要求：(5)、记0时刻发生最大电压跌落深度为a％，u10为系统故障0-时刻pcc1点电压，则故障0+时刻pcc1电压满足关系：u1(t)＝(1-a％)u10(t)；(6)、故障期间s-upqc的输出电流瞬时值不超过设定的最大值，即|i2g(t)|≤i2gmax；同时用i2g表示s-upqc额定输出电流的幅值，定义s-upqc装置过载率c％＝|i2gmax/i2g|×100％。一种基于控制器的控制方法，主控制系统通过对pcc1点及pcc2点的电压、电流检测，迅速判断外部电网中是否发生电压跌落现象，切换s-upqc的工作模式；所述s-upqc包括3种工作模块：不间断电源模式、并联补偿模式和待机模式。所述电压源变流器包括整流、逆变两种工作状态，控制器的运行控制方法具体包括以下步骤：a：所述主控制系统通过对pcc1点和pcc2点的电压和电流信号、电压源变流器的输出电流信号、以及储能单元输出的直流电压和直流电流信号进行检测，判断外部电网中是否发生电压跌落现象；若检测到电压跌落故障，则进入步骤b，否则进入步骤c；b：判断晶闸管是否关断；若晶闸管未被关断，则控制器使用电流反馈环，电压源变流器工作在逆变状态；否则控制器使用电压反馈环，电压源变流器也工作在逆变状态；c：判断s-upqc中的超级电容是否需要充电；若超级电容需要充电，所述电压源变流器工作在整流状态，s-upqc进入不间断电源模式中的充电模式；若超级电容已充满电，s-upqc则进入待机模式，电压源变流器不工作。所述步骤a还包括以下步骤：a1：当检测到电压跌落故障时，所述主控制系统切除开关单元的控制脉冲，通过调整s-upqc输出电流控制pcc2点电压，使开关单元中的晶闸管开关t1迅速关断；当晶闸管开关t1关断后，主控制系统调整s-upqc中超级电容的输出电流，为负载提供2～3s的短时供电；a2：当未检测到电压跌落故障时，所述主控制系统工作在并联补偿模式，补偿系统中的谐波及无功电流。所述超级电容供电时还包括以下两种情况：(1)当超级电容电量耗尽时，所述s-upqc进入待机模式，电压源变流器不工作；(2)当超级电容电量未耗尽时，则进入步骤b。实施例2如图1～4所示，本发明lc网络开关并联型统一电能质量控制器及其控制方法，在实施例1的基础上，根据为保证负载正常工作和外部电网稳定运行，lc网络开关的参数应满足的(1)～(6)的假设，设计了以下工况，具体工况数据见表1；表1：系统工况将本发明与谐振型电子开关的并联型统一电能质量控制装置s-upqc装置做比较，在表1所示工况下lc网络开关与谐振型电子开关的参数如表2所示。表2：开关参数对比lc网络开关电感l＝0.921mh，电容c＝395uf，电感l1＝0.01mh谐振电子开关并联电感lr1＝5.63mh，串联电感lr2＝1.68mh，电容c＝1800uf根据表1、表2，可以看出同样容量及故障情况下相比于谐振型电子开关，lc网络开关能够显著减小装置体积，降低成本，提高装置实用性。且计算可知在这一工况下，t1关断过程中的电流变化率为0.091a/μs，不超过常见晶闸管的使用要求。例如使用型号为bt137-600的晶闸管，临界通态电流变化率为0.2a/μs。以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12