专利名称：一种微源并网电能质量控制系统的制作方法
技术领域：
—种微源并网电能质量控制系统技术领域[0001]本实用新型涉及一种智能配电网微源并网及电能质量控制多变流系统。
背景技术：
[0002]微网是基于可再生能源的分布式微型电网技术，近年来越来越受到人们的关注。 不过微网在并网运行时，由于微源的间歇性、不稳定性，以及大量电力电子的使用造成微网内部和配电网接入出点电能质量指标较差。同时当大量分布式电源投入时，更会带来诸多的电能质量问题。这将对一些对供电质量要求很高的设备产生极大的危害，也会对大电网的电能质量产生不好的影响。为解决这一问题，对微源并网时电能质量处理有了更高的要求能够进行微源并网供电的同时进行电能质量的处理、限制负载短路电流。而现有的一些装置存在以下不足[0003]I、现有的限制负载短路电流的装置如图I所示为带旁路电感的变压器耦合三相桥式固态限流器，其工作原理是正常运行时，三相桥晶闸管Tf T6各导通180°，T7、T8触发脉冲常加，直流电感中的电流为负载电流耦合到二次侧的电流峰值，近似恒定，直流电感两端的电压近似为零，所以耦合变压器副边电压近似为零，耦合变压器副边等效阻抗为零，原边相当于被短路，串联电抗不起作用，不影响系统正常运行；当发生短路故障时，变压器上承受电压，旁路电感和通过变压器耦合到原边的等效直流电感并联后串入主回路，限流电流的上升；控制系统封锁各晶闸管脉冲，使桥路退出运行，副边相当于短路，从而旁路电感自动串入被短路线路，起到限流的目的，因此，当电网正常运行时，限流器串入电网中存在空载运行，这样就形成了损耗，造成了资源浪费。[0004]2、现有的电能质量治理装置如图2所示为统一电能质量控制器。其工作原理电路系统由一个串联APF和一个并联APF组成，两者共用直流侧。其中，靠近电网侧的串联 APF按受控电压源方式工作，通过变压器串联连接在电网和负载之间，当电网侧电压发生波动时，向电网注入一个幅值、相位可控的补偿电压，以保证负载电压稳定；而靠近负载侧的并联APF按受控电流源方式工作，通过输出电感L连接在负载侧，向电网注入与负载谐波和无功电流大小相等方向相反的电流，抑制非线性负载电流对电网的影响。直流侧电容电压的稳定由并联APF从电网吸收或释放有功功率来维持。[0005]现有的电能质量治理装置，短路限流装置，光伏发电装置都不能兼顾电能质量治理、故障限流和光伏发电，使得微网建设成本增加。同时固态限流器在正常工作时Τ1-Τ8管及直流电感长时间都有电流流过，形成了长时间的损耗，造成了资源的浪费。发明内容[0006]本实用新型所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种微源并网电能质量控制系统，兼顾电能质量治理、故障限流和光伏发电，降低微网建设成本，节约资源。[0007]为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是一种微源并网电能质量控制系统，包括统一电能质量控制器、耦合变压器、驱动电路、短路电流检测电路、DSP控制器，所述统一电能质量控制器由串联型有源电力滤波器和并联型有源电力滤波器串联组成，所述串联型有源电力滤波器三个输出端各通过一个开关管与一个耦合变压器连接，所述三个耦合变压器接入三相电网和三相负载之间，所述三个耦合变压器的原边各并联有一个限流大电感，所述三个耦合变压器副边两两连接，每个耦合变压器副边并联有一个电容; 所述并联型有源电力滤波器并接入三相电网，所述并联型有源电力滤波器直流侧电容侧依次并联有一个开关管和光伏电源；所述光伏电源包括光伏阵列和光伏阵列电容，所述光伏阵列与光伏阵列电容并联；所述短路电流检测电路与第一驱动电路连接，第一驱动电路与串联型有源电力滤波器和耦合变压器之间的开关管连接；所述DSP控制器与第二驱动电路、第三驱动电路、第四驱动电路连接，所述第二驱动电路与串联型有源电力滤波器的开关管连接，所述第三驱动电路与并联型有源电力滤波器的开关管，所述第四驱动电路与光伏电源侧的开关管连接。[0008]该系统控制方法步骤如下[0009]I)检测三相电网侧电压^^’三相电网侧电流U、i4、U，率禹合变压器原边电压^、、h' ,三相负载电流,并联型有源电力滤波器输出电流‘、—、—，直流侧电容电压、光伏阵列输出电容电压、光伏阵列输出电流‘通过PLL数字锁相环测量三相电网电压的A相电网电压过零点后的数字相位；[0010]2)根据检测到的负载侧电流值匕、b，短路电流检测电路判断负载侧是否出现短路故障，并输出相应的开关信号G ;如果负载侧出现短路，短路电流检测电路输出低电平，即G为0，则第一驱动电路使串联型有源电力滤波器与耦合变压器副边之间的开关管全部断开，同时第二驱动电路使统一电能质量控制器的串联型有源电力滤波器的开关管全部关断，第三驱动电路、第四驱动电路分别使统一电能质量控制器的并联型有源电力滤波器及光伏电源侧的开关管全部断开，光伏电源及统一电能质量控制器完全退出运行；如果负载侧没有出现短路故障，短路电流检测电路输出高电平，即^为1，则第一驱动电路使串联型有源电力滤波器与耦合变压器副边之间的开关管全部导通，第二驱动电路使串联型有源电力滤波器工作在谐波电压治理及电压补偿状态，第三驱动电路、第四驱动电路分别使并联型有源电力滤波器及光伏电源工作在光伏发电及负载谐波电流补偿状态，统一电能质量控制器和光伏电源投入运行，进入3)；[0011]3)根据CZp , / ,通过MPPT算法得到光伏发电有功电流参考值4 ,光伏阵列电容电压参考值巧》;[0012]4)根据三相负载电流tJle、光伏发电有功电流参考值以及PLL数字锁相环测量到的A相电网电压过零点后的数字相位，通过复合ip-iq算法得到串联型有源电力滤波器需补偿的有功、无功及谐波电流复合参考信号44C，经电流反馈后通过DSP控制器及第三驱动电路控制并联型有源电力滤波器产生输出电流；其中光伏发电有功电流参考值/“.及并联型有源电力滤波器直流侧电容的参考信号与检测信号I的差值经pi调节器一起叠加到瞬时有功分量上，保证直流侧电容稳定及光伏发电有功能通过并联型有源电力滤波器传输到三相电网；[0013]5)根据MPPT算法得到的光伏阵列电容电压参考值，经电压反馈后通过DSP控制器及第四驱动电路，驱动光伏电源侧的开关管，保证光伏电源工作在最大功率点处；[0014]6)由PLL数字锁相环测量到的A相电网电压过零点后的数字相位经过三相负载电压指令计算，得到三相负载需要的电压波形，该波形与实际三相电网侧电压、&相减得到串联型有源电力滤波器需要补偿的电压参考信号;同时通过电压反馈经DSP控制器及第二驱动电路形成PWM信号控制串联型有源电力滤波器产生补偿电压。[0015]作为优选方案，所述短路电流检测电路包括三个一次电流互感器、或非门和处理器，三个一次电流互感器各通过依次连接的二次电流互感器、A/D采样电路、比较器接入或非门，或非门与处理器连接。[0016]作为优选方案，所述第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路、第四驱动电路均为光电耦合驱动电路。[0017]通过UPQC (统一电能质量控制器)、故障限流器(限流电感和与耦合变压器串联的开关管)及光伏电源的共同作用，实现了微源并网发电的同时电能质量治理及故障限流的作用。[0018]本实用新型的微源并网电能质量控制系统的工作原理是电网正常时，运行在 UPQC及光伏发电模式，串联型有源电力滤波器补偿来自电网侧的电压谐波和抑制电压波动，并联型有缘电力滤波器抑制各种非线性、冲击性负载引起的谐波与无功电流以及光伏发电引起的谐波问题，同时光伏电源通过并联型有缘电力滤波器向电网输出有功能量。此时耦合变压器两端只有谐波电压降及电压波动，且由于耦合变压器原边并联电感(限流电感)La、Lb、Lc电感值比较大，谐波阻抗较高，因此，电感上流过的电流很小，不影响UPQC及电网正常运行，电网发生短路故障时，关闭所有开关管，运行在限流模式，此时UPQC和光伏电源退出运行，串联变压器副边呈极大阻抗，电网电流从限流电感La、Lb、Lc中流过，从而限制电网短路电流。[0019]与现有技术相比，本实用新型所具有的有益效果为本实用新型突破了传统固态限流器在电网正常运行时空载运行的现状，充分利用了开关器件，同时通过将光伏发电装置与电能质量治理装置UPQC有效结合，解决了微网并网发电中短路电流限制、谐波抑制以及电压波动等电能质量问题，兼顾电能质量治理、故障限流和光伏发电，降低了微网建设成本，节约了资源。
[0020]图I为带旁路电感的变压器耦合三相桥式固态限流器(FCL)结构示意图；[0021]图2为串并联型有源电力滤波器UPQC结构示意图；[0022]图3为本实用新型一实施例微源并网电能质量控制系统电路结构示意图；[0023]图4为本实用新型一实施例光伏电源等效电路结构示意图；[0024]图5为本实用新型一实施例复合控制信号计算原理框图；[0025]图6为本实用新型一实施例短路电流检测电路结构示意图；[0026]图7为本实用新型一实施例电压跟踪控制、电流跟踪控制方法图；(a)电压跟踪控制方法图；(b)电流跟踪控制方法图；[0027]图8为本实用新型一实施例光伏电源P-V特性曲线示意图；[0028]图9为本实用新型一实施例光伏电源干扰法流程图。
具体实施方式
[0029]如图3和图4所示，本实用新型一实施例微源并网电能质量控制系统包括统一电能质量控制器、耦合变压器、驱动电路、短路电流检测电路、DSP控制器，所述统一电能质量控制器由串联型有源电力滤波器和并联型有源电力滤波器串联组成，所述串联型有源电力滤波器三个输出端各通过一个开关管与一个耦合变压器连接，所述三个耦合变压器接入三相电网和三相负载之间，所述三个耦合变压器的原边各并联有一个限流大电感，所述三个耦合变压器副边两两连接，每个耦合变压器副边并联有一个电容；所述并联型有源电力滤波器并接入三相电网，所述并联型有源电力滤波器直流侧电容侧依次并联有一个开关管和光伏电源；所述光伏电源包括光伏阵列和光伏阵列电容，所述光伏阵列与光伏阵列电容并联；所述短路电流检测电路与第一驱动电路连接，第一驱动电路与串联型有源电力滤波器和耦合变压器之间的开关管连接；所述DSP控制器与第二驱动电路、第三驱动电路、第四驱动电路连接，所述第二驱动电路与串联型有源电力滤波器的开关管连接，所述第三驱动电路与并联型有源电力滤波器的开关管，所述第四驱动电路光伏电源侧的开关管连接。[0030]所述第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路、第四驱动电路均为光电耦合驱动电路。[0031]本实用新型是在一台UPQC(图2)原有装置和功能的基础上，在直流侧大电容上并联光伏发电装置起光伏并网发电的作用，在UPQC串联逆变器的串联耦合变压器的原边并有大限流电感，副边串联有全控型器件，起FCL的作用。UPQC能抑制来自电网侧的谐波电压和电压波动，抑制各种非线性、冲击性负载引起的谐波和无功电流，是本实用新型的电能质量控制系统。光伏发电装置如图4，光伏发电装置与UPQC共用一个并联型有源电力滤波器，将光能通过直流侧电容及并联型有源电力滤波器输送到电网，是本实用新型的微源系统。FCL装置能限制短路，是本实用新型的限流系统。本实用新型系统的运行状态为，当系统工作正常没有发生短路时，电能质量处理和光伏发电正常同时进行，当系统发生短路时， 电能质量处理和光伏发电同时退出运行。[0032]通过短路电流检测电路检测三相负载侧电流hU是否短路，并产生控制信号来控制耦合变压器副边IGBT的开断，当负载侧发生短路时，短路电流检测电路产生低电平使耦合变压器副边IGBT关断，原边产生高阻抗，限流电感串入电网起限流作用，当负载未出现故障时，短路电流检测电路产生高电平使副边IGBT开通，UPQC和光伏发电投入运行，补偿谐波电压、谐波电流，耦合变压器两端只有谐波电压降，且由于耦合变压器原边并联电感(限流电感)La、Lb、Lc电感值比较大，谐波阻抗较高，因此，电感上流过的电流很小， 不影响UPQC及微网正常运行，具体实施过程如下[0033]根据检测到的负载侧电流值、匕，短路电流检测电路判断负载侧是否出现短路故障，并输出相应的开关信号G ;如果负载侧出现短路，短路电流检测电路输出低电平，即G为0，则第一驱动电路使串联APF与耦合变压器副边之间的开关管全部断开，同时第二驱动电路使UPQC的串联型有源电力滤波器部分的开关管全部关断，第三驱动电路、第四驱动电路分别使UPQC的并联型有源电力滤波器及光伏电源侧的开关管全部断开，光伏电源及UPQC完全退出运行；如果负载侧没有出现短路故障，短路电流检测电路输出高电平，即为1，则第一驱动电路使串联APF与耦合变压器副边之间的开关管全部导通，第二驱动电路使串联型有源电力滤波器工作在谐波电压治理及电压补偿状态，第三驱动电路、 第四驱动电路分别使并联型有源电力滤波器及光伏电源电路工作在光伏发电及负载谐波电流补偿状态，UPQC和光伏发电装置投入运行。[0034]DSP控制器通过采样电网信息，通过程序编程，经A/D转换，计算得到串联型有源电力滤波器需要补偿的电压参考信号^4、*4、并联有缘电力滤波器需补偿的有功、无功及谐波电流复合参考信号匕、I;、4、通过MPPT算法得到光伏发电有功电流参考值ζν和光伏阵列电容电压参考值、这些参考信号经DSP的电压跟踪控制及电流跟踪控制功能产生PWM信号，实现输出。[0035]光伏电源工作原理采用最大功率点跟踪控制方法(基于扰动的自寻优MPPT控制方法)。由太阳能电池光伏P-V曲线图8可知，在小于Umax的区域，输出功率随电压的增大而增大，在大于Umax的区域,输出功率随电压的增大为减小,可见最大功率点跟踪实质上是一个自寻优过程，即通过控制太阳电池端电压，当光伏电池的工作电压Uf*等于Umx时，其输出功率P也随之达到最大值，使得光伏电池工作在最大功率点，这样就保证了光伏电池能适应日照和温度环境的变化，从而智能的工作在最大功率点，不断获得最大功率输出。[0036]MPPT算法的基本原理给光伏阵列的输出电压周期性的加一个扰动量C，比较其当前输出功率与上一周期输出功率大小的变化，如果输出量功率是增加的，则下一个周期不改变扰动方向，继续添加扰动量C，否则向相反的方向添加扰动，本系统的扰动量为电压。系统通过对光伏电源中Boost电路的占空比A的控制来实现对光伏阵列电容电压的控制，该干扰法的流程图如图9。[0037]对光伏阵列输出电压进行闭环控制，达到最大功率点跟踪，是由Boost电路实现的，其等效电路如图4所示，Rl为电感LI中的等效电阻。[0038]当系统工作在稳态时，光伏输出电压U v和直流侧电压是稳定不变的，则 Boost电路开关管导通t(!时,有[0039]Ua = Ufnf — I11R1( I)[0040]当Boost电路开关管阻断h时，有[0041 ] I-JIi = U 炉—InRi —Tj dc(2)[0042]由Boost电路的原理可知，稳态时电感LI在一个周期中电压平均值为零，从式(I)及式(2)得
权利要求1.一种微源并网电能质量控制系统，包括统一电能质量控制器、耦合变压器、驱动电路、短路电流检测电路、DSP控制器，其特征在于，所述统一电能质量控制器由串联型有源电力滤波器和并联型有源电力滤波器串联组成，所述串联型有源电力滤波器三个输出端各通过一个开关管与一个耦合变压器连接，所述三个耦合变压器接入三相电网和三相负载之间，所述三个耦合变压器的原边各并联有一个限流大电感，所述三个耦合变压器副边两两连接，每个耦合变压器副边并联有一个电容；所述并联型有源电力滤波器并接入三相电网，所述并联型有源电力滤波器直流侧电容侧依次并联有一个开关管和光伏电源；所述光伏电源包括光伏阵列和光伏阵列电容，所述光伏阵列与光伏阵列电容并联；所述短路电流检测电路与第一驱动电路连接，第一驱动电路与串联型有源电力滤波器和耦合变压器之间的开关管连接；所述DSP控制器与第二驱动电路、第三驱动电路、第四驱动电路连接，所述第二驱动电路与串联型有源电力滤波器的开关管连接，所述第三驱动电路与并联型有源电力滤波器的开关管，所述第四驱动电路与光伏电源侧的开关管连接。
2.根据权利要求I所述的微源并网电能质量控制系统，其特征在于，所述开关管为IGBT。
3.根据权利要求I所述的微源并网电能质量控制系统，其特征在于，所述短路电流检测电路包括三个一次电流互感器、或非门和处理器，三个一次电流互感器各通过依次连接的二次电流互感器、A/D采样电路、比较器接入或非门，或非门与处理器连接。
4.根据权利要求3所述的微源并网电能质量控制系统，其特征在于，所述处理器为单片机。
5.根据权利要求I所述的微源并网电能质量控制系统，其特征在于，所述第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路、第四驱动电路均为光电耦合驱动电路。
专利摘要本实用新型公开了一种微源并网电能质量控制系统，包括统一电能质量控制器、耦合变压器、驱动电路、短路电流检测电路、DSP控制器，通过在UPQC的串联有源电力滤波器侧的耦合变压器原边并联一个比较大的限流电感，在UPQC的直流大电容侧并联光伏发电电源。本实用新型解决了微网并网发电中短路电流限制、谐波抑制以及电压波动等电能质量问题，兼顾电能质量治理、故障限流和光伏发电，降低了微网建设成本，节约了资源。
文档编号H02J3/38GK202817792SQ201220463320
公开日2013年3月20日 申请日期2012年9月12日 优先权日2012年9月12日
发明者帅智康, 涂春鸣, 盘宏斌, 戴晓宗, 楚烺, 姚鹏, 肖凡, 张杨, 蒋玲 申请人:湖南大学