专利名称：一种混合型电能质量治理装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种电能质量治理装置，尤其是一种应用于供配电系统的新型并 联混合型有源和无源电能质量治理装置。
背景技术：
供配电系统电能质量的好坏直接关系到电力系统稳定、用电设备安全和是否经济 用电。随着电力电子装置和敏感负荷的使用日益增加，电能质量问题已经成为国际供电界 关注的首要技术问题，其主要体现在电压的波动、谐波、闪变等，以及电流中的无功、负序、 谐波分量的影响等。通过对电能质量的治理不仅可以抑制配电系统的电压波动和闪变等， 还可以提高设备生产率、降低线损和提高设备利用率，从而实现节能降耗的目的。为了解决 这一问题，一系列的治理装置陆续出现，主要分为串联、并联或其混合型，其中并联型由于 具有投切方便以及各种保护简单的优点，成为了众多公司研究的重点，包括TSCXThyristor Switched Capcitor，晶闸管投切电容器)、TCR (Thyristor Controlled Reactor，晶闸管控 制电抗器)、APF (Active Power Filter，有源电力滤波器)、SVG Gtatic Var Generator，静 止无功发生器)及HAPF (Hybrid Active Power Filter，混合注入式有源电力滤波器)。其 中TSC和TCR是以半控器件晶闸管为开关器件，响应时间一般在1-2个工频周期，其中TSC 是分级补偿，有时兼顾某次谐波的部分补偿，适合于负载波动小的场合；而TCR必须与TSC 或者FC(Fixed Capcitor，固定电容补偿)配合使用，具备无功连续可调，但其自身也是谐波 源，滤波效果差；而 APF 和 SVG 是以全控器件 IGBTansulated Gate Bipolar Transistor, 绝缘栅双极型晶体管)或者IGCT(Integrated Gate-Commutated ^Thyristor，集成门极换流 晶闸管)为开关器件，响应时间远快于TSC和TCR，但由于受全控器件的电压电流水平限制， 高压大容量需要数十个器件的并联和串联，成本及控制复杂度高，可靠性较差，因此目前一 般使用于低压小容量场合；而HAPF由于与FC变量提高部分等效容量，但实际中不能动态调 节无功功率输出。在现有技术当中与本专利申请相关的内容主要有以下几篇文献，文献一为由西安赛博电气有限责任公司于2009年6月沈日申请，2009年11 月25日公开，公开号为CN101588069的中国实用新型专利申请公开文件，基于双向动 态无功补偿装置的谐波和无功综合补偿系统具体介绍了一种利用了机械投切电容MSC (Mechanically Switched Capacitor，机械投切电容器)和静止无功发生器SVG和有源电力 滤波器APF组成的并联系统，如图1所示。这种方法是利用APF治理谐波，利用MSC来降低 SVG的容量，比单独实用SVG相比，其容量可以降低一半。而且相对于图2所示的方式，采用 SVG代替了 TCR，这样减轻了 APF的负担，因为TCR会带入谐波，而SVG不会。该系统主要是 利用SVG能在感性和容性运行，而利用MSC提供容性，则可以提供更宽的容性运行空间。这 种方式可以降低SVG的补偿容量的一半，但是对于实际所需的大容量时，SVG的容量还是要 很大，成本高。而且图中这种单个机组很难实现高压和大容量，只适合于低压小容量系统。 整个系统有源受器件电压水平的限制只适合于低压系统。而且由于MSC不能频繁投切，在空载情况下，SVG需额定运行，空载损耗大。文献二为由湖南大学于2007年12月19日申请，2008年5月21日公开，公开号为 CN101183791的中国实用新型专利申请公开文件，一种静止无功补偿器和有源电力滤波器 联合运行系统及其控制方法，具体介绍了一种利用TCR和HAPF相结合，而TCR与HAPF中的 FC部分构成SVC (static var compensator，静止无功补偿器)进行谐波补偿，而APF配合 FC滤除谐波的补偿系统及其控制方法，如图3所示。该系统和控制方法利用TCR配合HAPF 中的FC进行无功治理，而APF配合FC进行无功补偿。其中HAPF是不能动态补偿无功功率 的，所以动态无功调节依赖TCR控制，而TCR的响应时间在60 100ms，这种速度对电压闪 变的抑制效果差。而且这种HAPF方式构造复杂，不适合于高压系统。而且这种空载运行时， TCR运载在额定电流，空载损耗高。文献三为由湖南大学于2007年12月19日申请，2008年12月10日授权公告，公 告号为CN201163721Y的中国实用新型专利，基于静止无功补偿器和混合注入式有源滤波 器的联合运行装置，具体公开了一种利用TCR+TSC型SVC和HAPF相结合，而SVC与HAPF中 的FC部分构成大容量的SVC进行无功补偿，而APF配合FC滤除谐波的无功补偿装置，如图 4所示。该装置在在专利CN101183791的基础上加入了一组TSC，这样使得无功补偿的范围 增大，同时降低了 TCR的容量，降低部分空载损耗。但是由于还是利用TCR控制无功，对闪 变的抑制效果差。而且由于TCR必须与HAPF中的FC匹配，所以还是存在较大的空载损耗。文献四为由荣飞，罗安，范卿发表在2010年第三期《电工技术学报》上的论文《应 用于不平衡系统的STATC0M电压控制新方法》主要公开了一种补偿系统的电压控制方法，在 静止无功发生器STATCOM (Static Synchronous Compensator，静止同步补偿器)在稳定接 入点电压时，常采用双环控制法，但该方法存在多个PI调节器，难以实现，同时也没有考虑 电网电压三相不平衡的问题。本文采用瞬时功率平衡原理，将参考电流信号直接变换为参 考电压信号，省去了传统双环控制中的电流内环PI调节器，同时引入负序电压前馈环节以 维持接入点电压保持三相平衡，并推导了负序电压情况下逆变器输出电压和输出电流之间 的代数关系式。考虑到瞬时功率平衡原理需要STATCOM的等效电阻和等效电感值，而这两 个参数值一般难以精确测量，为此根据反馈信息不断修正这两个参数的测量值。该方法利 用了瞬时功率平衡直接代替传统的双闭环控制，然后再对反馈信息不断修正这等效电阻和 等效电感测量值。这样由于要修正，就有滞后，影响控制的精度，而且鲁棒性不好。文献五为由茅靖峰，孙玉坤，吴爱华，孙运全发表在2007年10期《系统仿真学 报》上的论文《静止同步补偿器装置建模、控制与仿真研究》主要介绍了静止同步补偿器 (STATCOM)的结构和原理。利用输入输出建模方法和能量方程，建立STATCOM装置时域数 学模型和稳态数学模型。根据数学模型，给出了两种STATCOM无功电流控制策略。使用 Matlab/Simulink平台实现了 STATCOM控制系统的建模。仿真结果验证了数学模型的正确 性和控制策略的有效性。该方法利用的传统的双闭环控制，这种控制方式对多个PI调节时 的复杂度高。因此，为了满足电能质量改善和电气节能的迫切需求，研究一种大容量既能对电 压闪变、功率因数、三相不平衡等进行补偿，又能对谐波进行有效抑制的低成本综合补偿装 置有着较大的实用意义和市场推广价值。
实用新型内容本实用新型实施方式提供一种混合型电能质量治理装置，该实用新型实施方式具 有较大的补偿容量，既能对电压闪变、功率因数、三相不平衡等进行补偿，又能对谐波进行 有效抑制的低成本综合补偿。本实用新型提供一种混合型电能质量治理装置的具体实施方式
，一种混合型电能 质量治理装置，包括有源部分和无源部分，有源部分包括有源电力滤波器APF，静止无功 发生器SVG，静止无功发生器SVG用于提供暂态无功功率，有源电力滤波器APF用于滤除谐 波；有源电力滤波器APF和静止无功发生器SVG具有不少于两组，且以并联形式通过变压器 隔离方式与三相电网连接；无源部分包括静止无功补偿器SVC，静止无功补偿器SVC用于提 供稳态无功功率；静止无功补偿器SVC包括晶闸管投切电容器TSC，晶闸管控制电抗器TCR， 固定电容补偿FC，晶闸管投切电容器TSC，晶闸管控制电抗器TCR，固定电容补偿FC均直接 与三相电网相连；晶闸管投切电容器TSC用于提供大容量容性无功功率，固定电容补偿FC 用于提供小容量无功功率，并兼做晶闸管控制电抗器TCR的主要次谐波滤波支路。作为本实用新型进一步的实施方式，混合型电能质量治理装置包括静止无功补 偿器SVC控制模块，静止无功补偿器SVC控制模块包括B点分相无功功率计算模块，比例积
分模块一，TSC投切控制模块，各相控制角计算模块，电圧 和电流iB输入B点分相无功
功率计算模块，经过比例积分模块一和TSC投切控制模块得到TSC投切控制信号，并根据 TCR需发的无功，进入各相控制角计算模块，得出TCR的分相控制信号。作为本实用新型进一步的实施方式，混合型电能质量治理装置包括有源电力滤 波器APF控制模块，有源电力滤波器APF控制模块包括无功谐波补偿判断模块，目标谐波检
测模块，谐波及直流电压PI调节模块，电压和电流iB输入无功谐波补偿判断模块，无功
谐波补偿判断模块计算出需补偿的目标谐波，输出通过计算得到的目标谐波，并和已经发 出的谐波输入谐波及直流电压PI调节模块进行比例积分控制，确定参考电压，并与固定的 三角波比较产生脉冲触发有源电力滤波器APF中的各重模块。作为本实用新型进一步的实施方式，混合型电能质量治理装置包括静止无功发 生器SVG控制模块，静止无功发生器SVG控制模块包括自适应模糊控制器、无功电流直接计 算模块和基于瞬时功率平衡双闭环PI控制模块，基于瞬时功率平衡双闭环PI控制模块根 据自适应模糊控制器和无功电流直接计算模块的输出信号，得到静止无功发生器SVG的控 制信号。作为本实用新型进一步的实施方式，混合型电能质量治理装置包括基于自适应 模糊控制和瞬时功率平衡的SVG双闭环电压控制模块，基于自适应模糊控制和瞬时功率平 衡的SVG双闭环电压控制模块包括电流内环、电压外环和基于瞬时功率平衡流压转化模 块，输出电流i。反馈至电流内环，a相电压ea通过锁相模块和正弦余弦转换模块进入电流 内环，包括一路来自自适应模糊控制器的输出信号在内的来自电压外环的两路输出信号经 过限幅模块组一，分别与来自电流内环的两路输出信号进行差值运算，输出差值经过PI调 节模块组一和限幅模块组二后，进入基于瞬时功率平衡流压转化模块，基于瞬时功率平衡 流压转化模块经过计算将信号输出至坐标转换模块二。作为本实用新型进一步的实施方式，自适应模糊控制器包括模糊控制器和神经网络预测器，模糊控制器的输入为母线电圧』与目标电压之差和，，输出 为目标无功电流的改变量Δ ，神经网络预测器根据K、K-UK- 2时刻的电压差 mfh戰-谷汉货- )和实际的输出无功电流量如办1)、预测出K+1时
刻的母线电压差ΔΓ( + Ι),从而对模糊控制器的规则系数进行调节。作为本实用新型进一步的实施方式，混合型电能质量治理装置包括基于瞬时无 功电流PI控制的瞬时功率平衡的双闭环控制模块，基于瞬时无功电流PI控制的瞬时功率 平衡的双闭环控制模块包括电流内环、电压外环和基于瞬时功率平衡流压转化模块，输出 电流i。反馈至电流内环，a相电压ea通过锁相模块和正弦余弦转换模块后一路进入电流内 环，另一路与电流ia, ib, i。进入坐标变换模块一，经过低通滤波器组一和PI控制器一后，与 来自电压外环的另一路输出信号经过限幅模块组一，分别与来自电流内环的两路输出信号 进行差值运算，输出差值经过PI调节模块组一和限幅模块组二后，进入基于瞬时功率平衡 流压转化模块，基于瞬时功率平衡流压转化模块经过计算输出信号至坐标转换模块二。作为本实用新型进一步的实施方式，混合型电能质量治理装置包括PWM模块，
PWM模块为正弦脉宽调制模块，坐标转换模块二输出信号U对,与三角波经过PWM模块比
较后，得到SVG各相模块的触发信号，输出至电压源逆变器形成补偿电流，补偿负载电能质量。作为本实用新型进一步的实施方式，正弦脉宽调制模块包括窄脉冲消除模块，窄 脉冲消除模块的上锁信号为每相IGBT触发信号的翻转信号，即PWM的翻转信号，而解锁信 号则为载波的波峰跟波谷，当调制波与载波在交点比较发生翻转完成后，立即上锁，在解锁 之前禁止PWM信号发生翻转。作为本实用新型进一步的实施方式，混合型电能质量治理装置包括开关器件频 率变换模块，所述开关器件频率变换模块与静止无功发生器SVG相连，用于在发出不同无 功电流和谐波电流之间转换改变静止无功发生器SVG中开关器件的频率，并改变允许静止 无功发生器SVG发出无功电流的峰值，保护器件不过流和过压。通过应用本实用新型实施方式所描述的一种混合型电能质量治理装置，利用SVC 的大容量主要补偿稳态时负载所需无功功率，并进行三相不平衡补偿，而利用SVG/APF较 小容量的快速性对补偿中的动态无功或者电压做出快速反应，以抑制电压波动和闪变，同 时利用其APF部分配合SVC中的FC进行谐波治理，能够起到协调利用小容量有源和大容量 无源实现低成本的大容量电能质量补偿的作用。
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例 或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅 是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提 下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为现有技术基于双向动态无功补偿装置的谐波和无功综合补偿系统的电气 原理图；[0024]图2为现有技术基于APF与TCR及与MSC组成的混合系统的电气原理图；图3为现有技术静止无功补偿器和有源电力滤波器联合运行系统的电气原理图；图4为现有技术基于静止无功补偿器和混合注入式有源滤波器的联合运行装置 的电气原理图；图5为本实用新型一种混合型电能质量治理装置的拓扑结构电气原理图；图6为本实用新型一种混合型电能质量治理装置的单相等效模型电路原理图；图7为本实用新型一种混合型电能质量治理装置的控制原理框图；图8为本实用新型一种混合型电能质量治理装置的基于自适应模糊控制和瞬时 功率平衡的SVG双闭环电压控制原理框图；图9为本实用新型一种混合型电能质量治理装置的电压自适应模糊控制器结构 原理框图；图10为本实用新型一种混合型电能质量治理装置的基于瞬时无功电流PI控制和 瞬时功率平衡的双闭环控制原理框图；图11为本实用新型一种混合型电能质量治理装置载波上升沿处窄脉冲的波形示 意图；图12为本实用新型一种混合型电能质量治理装置载波下降沿处窄脉冲的波形示 意图；图13为本实用新型一种混合型电能质量治理装置解锁机制的波形示意图；图14为本实用新型一种混合型电能质量治理装置未采用上锁机制的波形示意 图；图15为本实用新型一种混合型电能质量治理装置采用上锁机制的波形示意图；其中，I-B点分相无功功率计算模块，2-比例积分模块一，3- TSC投切控制模块， 4-各相控制角计算模块，5-无功谐波补偿判断模块，6-目标谐波检测模块，7-谐波及直流 电压PI调节模块，8-自适应模糊控制器，9-无功电流直接计算模块，10-基于瞬时功率平衡 双闭环PI控制模块，11-限幅模块组一，12-PI调节模块组一，13-限幅模块组二，14-PWM模 块，15-电压源逆变器，16-坐标变换模块二，17-模糊控制器，18-神经网络预测器，19-坐标 变换模块一，20-低通滤波器组一，21-PI控制器一，22-锁相模块，23-正弦余弦转换模块。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部 的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提 下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。作为本实用新型一种混合型电能质量治理装置的具体实施方式
，如图5所示的 拓扑结构电气原理图具体公开了混合型电能质量治理装置的电路拓扑结构。考虑到闪 变治理需要补偿装置的系统响应时间在一个工频周期内，结合目前技术的成熟度和性 价比，采用了 一种由变压器耦合式多重化SVG/APF和直挂式SVC相结合的新型并联混合 有源禾口无源电能质量补偿装置(parallel mixed active and passive power quality compensator-PMAPPQC),其利用后者的大容量主要补偿稳态时负载所需无功功率，并进行三相不平衡补偿，而利用前者的较小容量的快速性对补偿中的动态无功或者电压做出快速 反应，以抑制电压波动和闪变，同时利用其APF部分配合SVC中的FC进行谐波治理，协调利 用小容量有源和大容量无源实现低成本的大容量的电能质量补偿。下面结合所述方案对控 制及工程应用中的实际问题处理方法进行描述。本实用新型的具体实施方式
是由SVC、变压器隔离型多重化SVG和APF组成，由于 SVC不受电压等级限制，而SVG、APF有变压器隔离，可以适用于各种电压等级的系统。同时 SVC中包括TCR、TSC和FC，其中TSC提供大容量容性无功功率，而FC提供小容量无功功率 并兼做TCR的主要次谐波滤波支路。这样使得在空载时，TCR只需要和小容量的FC互相补 偿，其运行损耗和空载损耗少，而且利用FC滤除部分谐波，减轻了 APF的谐波滤除功能。整 个SVC利用控制TCR实现负序的治理。而SVG主要是补偿SVC补偿后的无功的不足，即SVC 提供稳态无功功率，而SVG提供暂态无功功率，这样所需的SVG的容量较少。而随着负荷的 增大，SVG采用的是多重化并联的方式，既可以成倍提高容量还可以提高等效开关频率。同 样APF也可以通过多重化扩大补偿容量。而SVG在无功补偿量较少时可以改变开关频率， 实现部分APF的功能改善谐波。如图5所示，PMAPPQC主要分为基于全控器件的有源和基于半控或不控的无源两 个部分。无源部分的加入主要是为了减少有源部分的容量，节约了成本，两者通过协同控制 达到单独使用大容量有源补偿同样的效果。其中有源部分采用了变压器隔离多重化技术， 由于开关器件、连接电抗等不同，将其分解为多重化SVG和多重化APF，其中SVG主要补偿 无功电流，APF补偿谐波电流，而在电压跌落严重时APF也可作为无功发生器以弥补SVG容 量的不足。两者都采用多重化技术使得只需根据实际补偿的需要选择合适的耦合变压器变 比和变流器重数，可达到降低所需功率器件的电压和电流等级，这就避开了为实现大容量 采取功率器件串并联方式带来的众多问题；并且采用开关频率较高的小功率器件，价格便 宜同时使得装置控制精度高，反应迅速，并通过载波移相提高等效开关频率；另外，由于各 个逆变模块并没有直接的电气联系，在冗余情况下，若有模块因故障被切除，其他模块通过 调控能迅速自动弥补差异，装置可降额工作。在无源部分中，其中的TCR与TSC、FC组合成 大容量的直挂式SVC进行无功补偿，并通过对TCR的三相不对称控制，对三相不对称进行补 偿。其中加入TSC是为了减少TCR的容量，同时与FC兼做某些次谐波的滤波支路，在实际 应用中可根据实际需要，分成多组或者选用其中一部分。在控制中，A点为变压器出线点；B点为有源补偿连接后点；C点为无源补偿TCR连 接前点，SVC是通过采集图5中B点的电压电流信号，对此点无功电流和负序电流为零为控 制目标，这是对负载无功电流的闭环控制。而有源部分中的APF是根据采集的C点的谐波 电流，并与SVC中的FC、TSC进行配合分频抑制谐波，选中C点谐波电流为目标是为了滤除 负载及TCR的谐波，同时抑制FC、TSC支路与电源支路造成的并联谐振，提高系统的稳定性。 而有源部分中的SVG是以A点的电压为控制目标，通过改变对电网注入的无功电流来实现 对暂态电压进行控制，抑制闪变。由于负载产生的电流型谐波源可视为一个理想的谐波电流源与一个很大的谐波 阻抗的并联电路，而晶闸管控制电抗器TCR通过数学分析可等效成由一个非线性可变阻抗
和一个谐波电流源两部分组成，根据图6的PMAPPQC单相等效模型所示。其中~为系统电源电压，4、Zi、 、k、Zfcr分别为电网阻抗、非线性负载的阻抗、FC支路阻抗、TSC支路 阻抗及TCR等效的可变阻抗。hk为负载产生的谐波电流源，U为TCR的谐波电流源，而有 源补偿部分被假设为一个理想的受控电流源^，其他电气量的定义如图所示，只是利用A 和J分别表示相应量的谐波分量和基波分量。由图6可知，当只考虑基波电流时，则只需要通过该变TCR的控制角则可改变其 电流以控制B点的无功电流，即可以消除负载电流&中的无功及负序电流；而通过控制
b中的无功电流^f分量即可将SVC补偿后的所剩的无功电流，使得母线电流^不含无功电
流。而当只考虑谐波时，只需要t中的谐波电流U分量使其滤除C点中的部分谐波电流，即
不含有在运行的FC和TSC已经调谐的特征次谐波^ ,使得C点处除含有k外无其他谐波，
而^将被和^rf所滤除，使得母线电流^不含谐波电流。其中，U指的就是FC和TSC将
滤除的谐波，即W =、+U ,这样，APF和FC、TSC就不会滤除相同次的谐波，防止耦合。由于系统中的稳态无功功率由SVC补偿，而SVG只补偿弥补电压暂态过程中所需 的无功功率。因此，SVC的容量为测量负载在无补偿时的平均无功功率，而SVG的容量根据 负载波动无功功率的95%概率最大值减去平均无功功率。这是以目标无功补偿率为95% 进行计算的，结合SVG的响应时间为5ms，整个系统的闪变改善率将接近80%。为了减少 SVG的容量，也可根据实际所需的闪变改善率来确定其容量。在图6中，设B、C点的电压为 由于PMAPPQC各个部分的功能不一样，因此其控
制也自然的分为SVC、APF和SVG三部分如图7所示。其中，静止无功补偿器SVC控制模块 包括B点分相无功功率计算模块1，比例积分模块一 2，TSC投切控制模块3，各相控制角计
算模块4，电圧 和电流iB输入B点分相无功功率计算模块1，经过比例积分模块一 2和
TSC投切控制模块3，得到TSC投切控制信号，并根据TCR需发的无功，进入各相控制角计算 模块4，得出TCR的分相控制信号；有源电力滤波器APF控制模块包括无功谐波补偿判断模
块5，目标谐波检测模块6，谐波及直流电压PI调节模块7，电压和电流iB输入无功谐波
补偿判断模块5，无功谐波补偿判断模块5计算出需补偿的目标谐波，输出通过计算得到的 目标谐波，并和已经发出的谐波输入谐波及直流电压PI调节模块7进行比例积分控制，确 定参考电压，并与固定的三角波比较产生脉冲触发有源电力滤波器APF中的各重模块；静 止无功发生器SVG控制模块包括自适应模糊控制器8、无功电流直接计算模块9和基于瞬时 功率平衡双闭环PI控制模块10，基于瞬时功率平衡双闭环PI控制模块10根据自适应模糊 控制器8和无功电流直接计算模块9的输出信号，得到静止无功发生器SVG的控制信号。其具体控制过程如下SVC装置对B点的无功功率进行PI控制，并采用对TCR的
分相控制及对TSC的投切控制。而APF首先根据！^,电压有效值偏离目标电压的程度，若
电压偏离度大于15%则直接发出满额无功功率来支撑电压，以弥补SVG容量的不足；若电压 偏离度不大于15%时，则结合目前在运行的FC和TSC的来确定需补偿的目标谐波，与FC和 TSC进行分频来抑制谐波，消除耦合。将计算得到的目标谐波和已经发出的谐波进行PI控制，并按照并联的重数进行分配，同时需对其直流侧电压进行PI控制，确定参考电压，并与 固定的三角波比较产生脉冲触发APF中的各重模块。对于SVG来说则直接以A点电压为控 制目标，或以A点电流的无功分量为控制目标，为提高其响应速度和系统稳定性，应用了基 于自适应模糊控制及基于瞬时功率平衡的双闭环电压控制策略和基于瞬时无功电流PI控 制的瞬时功率平衡双闭环控制策略。为了利用静止无功发生器稳定接入点电压，最常见的控制方法是双闭环法，这种 控制方法的鲁棒性好，其不足之处是必须设计4个PI调节器，并且利用PI控制进行有功和 无功电流的解耦控制，实际应用时参数难确定。文献四《应用于不平衡系统的STATC0M电压 控制新方法》从瞬时功率平衡原理出发，推导了逆变器输出电流到输出电压的变换关系式， 从而省去了双闭环中的电流内环PI调节器，但该方法需要知道SVG装置的等效电阻和电感 值，而这两个参数一般难以精确测量，需要在线修正。此外，没有电流内环控制，导致没有考 虑逆变器死区等对直流侧充电等影响，使得直流侧的电压波动大，同时对无功电流的控制 精度低。本实用新型的具体实施方式
综合了这两种方法的优势，利用基于瞬时功率平衡较 容易的实现了有功和无功电流的解耦和电流到电压的转换，减少了单独使用双闭环设计的 复杂度。同时利用电压内环和电流内环组成的双闭环可以弥补等效电阻和等效电感值不精 确的缺陷，如图3所示。同时考虑由于直流电容是一个相对稳定的控制对象，普通的PI控 制器能满足要求，而电网电压受电网、负载、补偿等多种制约，通常的PI调节的控制参数是 通过试验，并折衷暂态和稳态过程以达到一种较满意的效果，这显然会影响其在大扰动或 小扰动下的控制效果。而自适应模糊控制是智能控制的一种，其在不需要知晓系统信息和 其数序模型而在较宽的系统运行条件下进行有效控制，增加了系统的鲁棒性。因此，本实用 新型具体实施方式
采用了基于自适应模糊控制的电网电压控制，其与直流侧电压PI控制 组成双闭环系统中的电压外环控制。如图7和图8所示，混合型电能质量治理装置包括基 于自适应模糊控制和瞬时功率平衡的SVG双闭环电压控制模块，基于自适应模糊控制和瞬 时功率平衡的SVG双闭环电压控制模块包括电流内环、电压外环和基于瞬时功率平衡流压 转化模块，输出电流i。反馈至电流内环，a相电压ea通过锁相模块22和正弦余弦转换模块 23进入电流内环，包括一路来自自适应模糊控制器8的输出信号在内的来自电压外环的两 路输出信号经过限幅模块组一 11，分别与来自电流内环的两路输出信号进行差值运算，输 出差值经过PI调节模块组一 12和限幅模块组二 13后，进入基于瞬时功率平衡流压转化模 块，基于瞬时功率平衡流压转化模块经过计算将信号输出至坐标转换模块二 16。具体控制过程如下(1)通过检测k时刻直流侧电压,经过一个截止频率为130HZ低通滤波后，与 目标电压K^f比较后经过一个PI调节并限幅后得到有功电流的过程变量k ；同时检测k 时刻VSI (Voltage Source Inverter,电压源逆变器)输出电流b ,对其进行dq变换后并 各自经过一个截止频率为25HZ的低通滤波后得到基波有功电流^和无功电流,将^和 ^的差进行PI调节并限幅后后得到k+1时刻要发出的有功电流^^ ；(2)通过检测k时刻电网相电压仏，与根据目标电压及锁相得到的目标电压瞬时比较，结合经过自适应模糊控制器调节并限幅后得到无功电流的过程变量。；同时 检测k时刻VSI (电压源逆变器)输出基波无功电流,将。和&的差进行PI调节并限幅 后得到k+Ι时刻要发出的无功电； ( 3)将目标有功*和无功电流通过连接等效电抗 和等效Rf根据式(1)
进行电流到电压的转换，其中Wi为连接电抗值，而&不好测量，取经验值为连接电抗值的 20%。选择同步旋转坐标系的d轴与接入点电压矢量重合，并设电压矢量的模为U。值得注 意的是》V在实际应用时不一定要为真实值，但需要改变PI的系数进行修正；
权利要求1.一种混合型电能质量治理装置，其特征在于，包括 有源部分和无源部分，有源部分包括有源电力滤波器APF，静止无功发生器SVG，静止无功发生器SVG主要用 于提供暂态无功功率，有源电力滤波器APF用于滤除谐波；有源电力滤波器APF和静止无功发生器SVG具有不少于两组，且以并联形式通过变压 器隔离方式与三相电网连接；无源部分包括静止无功补偿器SVC，静止无功补偿器SVC用于提供稳态无功功率； 静止无功补偿器SVC包括晶闸管投切电容器TSC，晶闸管控制电抗器TCR，固定电容补 偿FC，晶闸管投切电容器TSC，晶闸管控制电抗器TCR，固定电容补偿FC均直接与三相电网 相连；晶闸管投切电容器TSC用于提供大容量容性无功功率，固定电容补偿FC用于提供小容 量无功功率，并兼做晶闸管控制电抗器TCR的主要次谐波滤波支路。
2.根据权利要求1所述的一种混合型电能质量治理装置，其特征在于，所述的混合型 电能质量治理装置包括静止无功补偿器SVC控制模块，静止无功补偿器SVC控制模块包括 B点分相无功功率计算模块(1 )，比例积分模块一(2)，TSC投切控制模块(3)，各相控制角计算模块(4)，电压和电流iB输入B点分相无功功率计算模块(1)，经过比例积分模块一(2)和TSC投切控制模块(3)，得到TSC投切控制信号，并根据TCR需发的无功，进入各相控 制角计算模块(4)，得出TCR的分相控制信号。
3.根据权利要求2所述的一种混合型电能质量治理装置，其特征在于，所述的混合型 电能质量治理装置包括有源电力滤波器APF控制模块，有源电力滤波器APF控制模块包括 无功谐波补偿判断模块(5 )，目标谐波检测模块(6 )，谐波及直流电压PI调节模块(7 )，电压wP和电流iB输入无功谐波补偿判断模块(5)，无功谐波补偿判断模块(5)计算出需补偿的目标谐波，输出通过计算得到的目标谐波，并和已经发出的谐波输入谐波及直流电压PI调 节模块(7)进行比例积分控制，确定参考电压，并与固定的三角波比较产生脉冲触发有源电 力滤波器APF中的各重模块。
4.根据权利要求1、2、3中任一权利要求所述的一种混合型电能质量治理装置，其特征 在于，所述的混合型电能质量治理装置包括静止无功发生器SVG控制模块，静止无功发生 器SVG控制模块包括自适应模糊控制器(8 )、无功电流直接计算模块(9 )和基于瞬时功率平 衡双闭环PI控制模块(10)，基于瞬时功率平衡双闭环PI控制模块(10)根据自适应模糊控 制器(8)和无功电流直接计算模块(9)的输出信号，得到静止无功发生器SVG的控制信号。
5.根据权利要求4所述的一种混合型电能质量治理装置，其特征在于，所述的混合型 电能质量治理装置包括基于自适应模糊控制和瞬时功率平衡的SVG双闭环电压控制模 块，基于自适应模糊控制和瞬时功率平衡的SVG双闭环电压控制模块包括电流内环、电压 外环和基于瞬时功率平衡流压转化模块，输出电流i。反馈至电流内环，a相电压ea通过锁 相模块(22)和正弦余弦转换模块(23)进入电流内环，包括一路来自自适应模糊控制器(8) 的输出信号在内的来自电压外环的两路输出信号经过限幅模块组一(11 )，分别与来自电流 内环的两路输出信号进行差值运算，输出差值经过PI调节模块组一(12)和限幅模块组二 (13)后，进入基于瞬时功率平衡流压转化模块，基于瞬时功率平衡流压转化模块经过计算将信号输出至坐标转换模块二(16)。
6.根据权利要求5所述的一种混合型电能质量治理装置，其特征在于，所述的自适应 模糊控制器(8)包括模糊控制器(17)和神经网络预测器(18)。
7.根据权利要求4所述的一种混合型电能质量治理装置，其特征在于，所述的混合型 电能质量治理装置包括基于瞬时无功电流PI控制的瞬时功率平衡的双闭环控制模块， 基于瞬时无功电流PI控制的瞬时功率平衡的双闭环控制模块包括电流内环、电压外环和 基于瞬时功率平衡流压转化模块，输出电流i。反馈至电流内环，a相电压ea通过锁相模块 (22)和正弦余弦转换模块(23)后一路进入电流内环，另一路与电流ia, ib, i。进入坐标变换 模块一(19)，经过低通滤波器组一(20)和PI控制器一(21)后，与来自电压外环的另一路 输出信号经过限幅模块组一(11)，分别与来自电流内环的两路输出信号进行差值运算，输 出差值经过PI调节模块组一(12)和限幅模块组二(13)后，进入基于瞬时功率平衡流压转 化模块，基于瞬时功率平衡流压转化模块经过计算输出信号至坐标转换模块二(16)。
8.根据权利要求5或7所述的一种混合型电能质量治理装置，其特征在于，所述的混合 型电能质量治理装置包括PWM模块(14)，所述的PWM模块(14)为正弦脉宽调制模块，坐标转换模块二(16)输出信号,与三角波经过PWM模块(14)比较后，得到SVG各相模块的触发信号，输出至电压源逆变器(15)形成补偿电流，补偿负载电能质量。
9.根据权利要求5或7所述的一种混合型电能质量治理装置，其特征在于，所述的正弦 脉宽调制模块包括窄脉冲消除模块，所述窄脉冲消除模块的上锁信号为每相IGBT触发信 号的翻转信号，即PWM模块(14)的翻转信号，而解锁信号则为载波的波峰跟波谷，当调制波 与载波在交点比较发生翻转完成后，立即上锁，在解锁之前禁止PWM信号发生翻转。
10.根据权利要求5或7所述的一种混合型电能质量治理装置，其特征在于，所述的混 合型电能质量治理装置包括开关器件频率变换模块，所述开关器件频率变换模块与静止 无功发生器SVG相连，用于在发出不同无功电流和谐波电流之间转换改变静止无功发生器 SVG中开关器件的频率，并改变允许静止无功发生器SVG发出无功电流的峰值，保护器件不 过流和过压。
专利摘要本实用新型公开了一种混合型电能质量治理装置，包括有源和无源部分，有源部分包括有源电力滤波器APF，静止无功发生器SVG，SVG用于提供暂态无功功率，APF用于滤除谐波；APF和SVG具有不少于两组，且以并联形式通过变压器隔离方式与三相电网连接；无源部分包括静止无功补偿器SVC，SVC用于提供稳态无功功率；SVC包括晶闸管投切电容器TSC，晶闸管控制电抗器TCR，固定电容补偿FC，TSC，TCR，FC均直接与三相电网相连；TSC用于提供大容量容性无功功率，FC用于提供小容量无功功率，并兼做TCR的主要次谐波滤波支路，用于对电能系统进行协调综合补偿和谐波治理。
文档编号H02J3/01GK201846085SQ20102052155
公开日2011年5月25日 申请日期2010年9月8日 优先权日2010年9月8日
发明者刘华东, 吕顺凯, 周方圆, 周靖, 张定华, 易海泉, 杨磊, 段世彦, 王卫安, 王才孝, 胡晓东, 谭胜武, 邓建华, 黄燕艳, 龙礼兰 申请人:株洲变流技术国家工程研究中心有限公司