兼顾电能质量治理的PWM整流器及其控制方法与流程

本发明的实施例涉及整流器及其控制方法，具体而言，涉及一种兼顾电能质量治理的PWM整流器及其控制方法。

背景技术：

随着电力电子技术的不断推进，电压型PWM整流器正在得到更广泛的应用。

电压型PWM整流器是利用电压环控制实现输出电压控制，使负载得到的直流电压跟踪给定的参考电压值。并网型PWM整流器大部分是电压型PWM整流器，特征是控制直流侧电压稳定。目前，静止无功发生器(SVG)、有源电力(APF)、动态电压恢复器(DVR)实际上采用的整流器都是电压型PWM整流器，因为这些电能质量治理装置需要保持直流侧电压稳定，所以必须从电网侧吸收有功功率。

由大量实验监测可知，PWM整流器并不是时刻工作在满功率状态下的，特别是电压型PWM整流器。为了保持直流侧电压稳定，PWM整流器通常没有工作在较高的功率负荷下，这时并网PWM整流器的容量没有得到很好的利用；进一步地，当整流器处于低负荷状态时，基波含量下降，会使整流器输入侧谐波含量突增，从而裂化整流器电能质量；当直流侧没有负载时，PWM整流器处于空载状态，此时PWM整流器完全处于闲置状态，虽然挂在电网上，但是并没有起到任何作用；更有甚者，当电网缺少有功功率时，直流侧接入电池或者其他能产生电能的设备的普通PWM整流器并不能将有功功率回送到电网中。

综上所述，电压型PWM整流器控制的是直流侧电压，在负荷较小时，有功电流变小而自身谐波电流基本不变，导致交流测(输入侧)电流谐波含量增大，并且此时整流器仍有很大一部分功率没有利用起来。因此，作为电压型PWM整流器，如何在保证直流侧电压稳定的同时利用好闲置富余容量改善用电环境是一个亟待解决的问题，也是一个技术发展方向。

发明专利(CN102868309B)中，提出了一种不检测负载电流的情况下，通过检测系统侧电流，使用重复控制补偿无源性控制的PWM整流器，该整流器可以实现无功补偿功能和有源滤波功能。但由于重复控制是将上一周期的无功和谐波作为控制指令信号加入到本周期的控制，如果谐波发生突变情况下，重复可能会引起系统不稳定，因此它不适合在负载谐波频谱变化广的应用场合，同时实时性差，对于非周期性的谐波响应迟滞。该发明专利提出了一种基于拉格朗日-夏比积分法和重复控制补偿的无源性控制方法。然而，首先该方法提到的重复控制方法由于是采用之前周期的计算出来的无功和谐波作为补偿指令信号，其检测延迟比较大并且是固有难以根除的，对于非周期性的干扰信号难以根除，对于突变的有功、无功以及谐波信号更是难以应对。其次，该方法提到的通过拉格朗日-夏比积分法获取PWM整流器的基于端口受控耗散哈密顿模型的互联和阻尼配置的控制规律，然而该方法计算复杂，在工程应用中由于设备的理论参数和实际参数总是有一定的误差，所以过于精细的控制方式会使工程师们难以设置合理的控制参数。最后，该发明没有针对电压型PWM控制剩余容量进行优化，也没有涉及多个整流器模块之间的协调控制。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术中的上述缺陷，提供一种以直流侧电压为控制目标，同时能利用富余容量和闲置时间兼顾电能质量治理的PWM整流器。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：一种兼顾电能质量治理的PWM整流器，包括集中控制器、至少一个从属控制器、以及至少一个整流器主电路；所述集中控制器接入电网公共点，计算电网公共点的电能质量指标参数并送给所有的从属控制器；所述至少一个从属控制器与所述至少一个整流器主电路一对一耦合，从属控制器接收该指标参数作为电能质量控制为参考值，通过在功率内环控制器中引入功率前馈解耦控制方法，控制与其耦合的整流器主电路输出有功功率、或回馈有功功率、或输出有功功率时又向电网公共点注入无功功率和/或谐波抑制、或回馈有功功率时又向电网公共点注入无功功率和/或谐波抑制。

此外，本发明还提供如下附属技术方案：

所述集中控制器与电网公共点之间耦合有电网电流传感器和电网电压传感器；每个整流器主电路的交流侧都耦合有输入电流传感器和输入滤波器；每个整流器主电路的直流侧都耦合有输出电压传感器和输出滤波电容。

相比于现有技术，本发明的PWM整流器其结构特征是一种电压型PWM整流器，控制系统有集中控制器，和至少一个从属控制器，集中控制器负责计算电网公共点电能质量控制指标，从属控制器以该电能质量指标为参考值，结合自身输出裕量对整流器主电路进行具体控制，并将自身剩余的输出能力余量值返回给集中控制器。实现了以完成直流侧有功功率传输为首要目的，充分利用PWM整流器剩余容量及电池的储能能力解决公共点的电能质量问题

本发明还提供一种PWM整流器的控制方法，首先从属控制器判断电网是否需要有功回馈；如果不需要，所述PWM整流器进入能量吸收模式，吸收电网有功并向直流侧提供能量，同时从属控制器还可根据电网需求通过在功率内环控制器中引入功率前馈解耦控制整流器主电路进行无功补偿和/或谐波抑制。

优选地，在能量吸收模式下，从属控制器控制整流器主电路进行无功补偿和/或谐波抑制，包括：1)通过输出电压传感器测得整流器主电路的直流电压，将直流电压平方后作为反馈量与给定电压基准值平方比较，然后经过PI调节器控制，得到有功功率给定参考值；2)在功率内环控制器中引入功率前馈解耦策略，并将步骤1)的有功功率给定参考值加入到该功率内环控制器中；3)当需要进行无功补偿时，将从属控制器的给定无功输出量加入到步骤2)的功率内环控制器中，再经过PI调节器控制后可得无功调制信号，控制无功补偿；当需要进行谐波抑制时，将谐波有功分量和谐波无功分量加入到步骤2)的功率内环控制器中；当需要进行无功补偿和谐波抑制时，将从属控制器的给定无功输出量、谐波有功分量和谐波无功分量加入到步骤2)的功率内环控制器中。

优选地，如果电网需要有功回馈，PWM整流器进入能量反馈模式，往电网输出能量，同时从属控制器还可根据电网需求通过在功率内环控制器中引入功率前馈解耦控制整流器主电路进行无功补偿和/或谐波抑制。

优选地，在能量反馈模式下，从属控制器控制整流器主电路进行无功补偿和/或谐波抑制，包括：1)通过输出电压传感器测得整流器主电路的直流电压，将直流电压平方后并作为反馈量与给定电压基准值比较，然后经过PI调节器控制，得到有功功率给定参考值；2)在功率内环控制器中引入功率前馈解耦策略，并将步骤1)的有功功率给定参考值变换成负值，然后加入到该功率内环控制器中；3)当需要进行无功补偿时，将从属控制器的给定无功输出量加入到步骤2)的功率内环控制器中，再经过PI调节器控制后可得无功调制信号，控制无功补偿；当需要进行谐波抑制时，将谐波有功和谐波无功加入到步骤2)的功率内环控制器中；当需要进行无功补偿和谐波抑制时，将从属控制器的给定无功输出量、谐波有功和谐波无功加入到步骤2)的功率内环控制器中。

本发明的PWM整流器的控制方法使用了在功率内环控制器中引入功率前馈解耦，减少有功功率和无功功率互相干扰，降低PWM整流器在进行无功补偿时对直流侧电压的波动影响。具有能量吸收模式和能量回馈模式，在该两种模式下都可以进行无功补偿和/或谐波抑制，实现了以完成直流侧有功功率传输为首要目的，充分利用PWM整流器剩余容量及储能型负载的能量储存能力解决公共点的电能质量问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例或相关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涉及本发明的一些实施例，并非对本发明的限制。

图1是本发明实施例1的PWM整流器的电路原理图，该图中的输入滤波器为LC型。

图2是本发明实施例1的PWM整流器的电路原理图，该图中的输入滤波器为L型。

图3是本发明实施例2的PWM整流器的电路原理图，该图中的第一输入滤波器和第二输入滤波器为LC型。

图4是本发明实施例2的PWM整流器的电路原理图，该图中的第一输入滤波器和第二输入滤波器为L型。

图5是PWM整流器在能量吸收模式下补偿无功的控制框图。

图6是PWM整流器在能量吸收模式下补偿无功和谐波抑制的控制框图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明技术方案作进一步非限制性的详细描述。

实施例1：

见图1和图2，本实施例的PWM整流器具有一组整流器主电路和从属控制器，具体包括：电网电压传感器1、电网电流传感器2、输入电流传感器3、输入滤波器4、整流器主电路5、输出电压传感器6、输出滤波电容7、从属控制器8、以及集中控制器9。其中，图1所示的输入滤波器4为LC型，图2所示的输入滤波器4为L型；整流器主电路5采用H桥或者其他种类任意的具备四象限工作能力的整流器。为了能接入更高电压等级的电网，本实施例的PWM整流器的前端可加装交流变压器(图未示)。

具体地，

电网电压传感器1和电网电流传感器2耦合在电网公共点与集中控制器9之间，并且该电网电压传感器1和电网电流传感器2相互并联，并且电网电压传感器1用于检测电网公共点处的电压值，电网电流传感器2用于检测电网公共点处的电流值。

输入电流传感器3和输入滤波器4耦合在整流器主电路5的交流侧(输入侧)，其中的输入电流传感器3用于检测整流器主电路5交流侧电流值，输入滤波器4用于减少或消除谐波。

输出电压传感器6和输出滤波电容7耦合在整流器主电路5的直流侧(输出侧)，其中的输出电压传感器6用于检测直流侧负载的电压值，输出滤波电容7用于减少或消除谐波。

集中控制器1根据电网公共点电压值和电网公共点电流值计算出电网公共点的电能质量，比如：需补偿的无功功率和需补偿的谐波含量等，然后将这些需补偿的电能质量发给从属控制器8。从属控制器8以集中控制器1的电能质量为参考值，对整流器主电路5进行具体控制，并将自身剩余的输出能力余量值返回给集中控制器1。由从属控制器8控制，整流器主电路的功能有：输出有功功率、或回馈有功功率、或输出有功功率时又向电网公共点注入无功功率和/或谐波抑制、或回馈有功功率时又向电网公共点注入无功功率和/或谐波抑制。

实施例2：

见图3和图4，本实施例的PWM整流器具有两组整流器主电路和从属控制器，具体包括：电网电压传感器1、电网电流传感器2、第一输入电流传感器3、第一输入滤波器4、第一整流器主电路5、第一输出电压传感器6、第一输出滤波电容7、第一从属控制器8、集中控制器9、第二输入电流传感器10、第二输入滤波器11、第二整流器主电路12、第二输出电压传感器13、第二输出滤波电容14、以及第二从属控制器15。其中，图3所示的第一输入滤波器4和第二输入滤波器11为LC型，图4所示的第一输入滤波器4和第二输入滤波器11也可为L型；第一整流器主电路5和第二整流器主电路12也都可以是H桥或者其他种类任意的具备四象限工作能力的整流器。为了能接入更高电压等级的电网，本实施例的PWM整流器的前端可加装交流变压器(图未示)。

具体地，电网电压传感器1和电网电流传感器2耦合在电网公共点与集中控制器9之间。第一输入电流传感器3和第一输入滤波器4耦合在第一整流器主电路5的交流侧，第一输出电压传感器6和第一输出滤波电容7耦合在第一整流器主电路5的直流侧。第二输入电流传感10和第二输入滤波器11耦合在第二整流器主电路12的交流侧，第二输出电压传感器13和第二输出滤波电容14耦合在第二整流器主电路12的直流侧。

本实施例的第一整流器主电路5和第二整流器主电路12、第一从属控制器8和第二从属控制器15相互并联，一个从属控制器对应控制一个整流器主电路，而一个集中控制器9可控制多个从属控制器和多个整流器主电路。本实施例虽然是以两组整流器主电路和从属控制器为例说明，但是按此原理，整流器主电路及其外围电路，以及从属控制器的数量是可以为若干组。

实施例3：

本实施例揭示PWM整流器的控制方法，本发明的PWM整流器具备以下几种工作模式：输出有功功率、或回馈有功功率、或输出有功功率时又向电网公共点注入无功功率和/或谐波抑制、或回馈有功功率时又向电网公共点注入无功功率和/或谐波抑制。本发明不限定为三相电路应用，单相系统也可以通过构造三相电路信号等方式实施本发明的方法。

PWM整流器的控制方法包括如下步骤：

1)从属控制器判断电网是否需要有功回馈，如果不需要，PWM整流器进入能量吸收模式，吸收电网有功并向直流侧提供能量，同时从属控制器还可根据电网需求通过在功率内环控制器中引入功率前馈解耦控制整流器主电路进行无功补偿和/或谐波抑制。

见图5，无功补偿的控制方法是，首先将整流器主电路直流侧电压平方后的值作为反馈量，与给定电压基准值比较，经过PI调节器控制后得到有功功率给定参考值P^*；再将从属控制器的给定无功输出量Q^*加入到功率内环控制器中，再经过PI调节器控制后可得无功调制信号，控制无功补偿。

见图6，同时进行无功补偿和谐波抑制时的控制方法是，有功功率给定参考值P^*、给定无功输出量Q^*、以及谐波的瞬时有功功率P_h和谐波的瞬时无功功率Q_h加入功率内环控制器中。

只进行谐波抑制时，有功功率给定参考值P^*、以及谐波的瞬时有功功率P_h和谐波的瞬时无功功率Q_h加入功率内环控制器中，即，在图6的基础上将给定无功输出量Q^*设定为零即可。

为提高控制效果，在功率内环控制器中还插入了系统电压平方值前馈。系统电压即电网公共点电压u_sa、u_sb、u_sc，通过电网电压传感器采集，经过d-q分解的变换矩阵T_abc/dq计算后得到电网公共点电压在d-q坐标系下的分量u_sd，平方后得到

2)如果电网需要有功回馈，PWM整流器进入能量反馈模式，往电网输出能量，同时从属控制器也还可根据电网需求通过在功率内环控制器中引入功率前馈解耦控制整流器主电路进行无功补偿和/或谐波抑制。

在能量反馈模式下，从属控制器的无功补偿和/或谐波抑制控制方式与能量吸收模式下的控制方式基本相同，只是有功功率给定参考值P^*变换为负值即可。

本实施例的上述给定无功输出量Q^*的计算步骤如下：

1)从属控制器计算PWM整流器的输出裕量，并送给集中控制器。输出裕量的计算步骤为：

1.1)电网电压传感器测得电网公共点电压，锁相后得到锁相信号；再通过输入电流传感器测得交流侧电流；利用d-q分解的变换矩阵T_abc/dq算出交流测有功分量I_d和无功分量I_q；

1.2)利用有功分量I_d和无功分量I_q，通过以下公式(1)可以计算出输出电流的裕量I_Δ；

再利用电流裕量I_Δ，通过以下公式(2)可以分别计算出可增加输出的有功功率裕量和无功功率裕量，两者都可以称为PWM整流器的输出裕量；

2)集中控制器接收从属控制器送来的输出裕量后，将需要补偿的无功功率Q_rf发送给从属控制器。当多个整流器主电路并联运行时，一个集中控制器对应多个从属控制器。Q_rf可以通过以下公式(3)算出，其中Q_s为系统实际需补偿无功，k为比例系数，

Q_rf＝k·Q_s (3)；

电网公共点需补偿无功为Q_rf，当有n个整流器模块并联时，第i个整流器模块的无功指令Q_rfi可以通过以下公式(4)算出。各个整流器主电路的无功指令相加后的和乘以比例系数k后等于公共点需补偿无功量Q_rf，

3)从属控制器接收无功功率Q_rf，并实时检测输出裕量是否满足集中控制器的需要补偿的无功功率Q_rf，如果不满足，继续检测，但是从属控制器的主要任务是完成有功功率变换，因此在需要限制兼顾无功和谐波治理时，对无功功率Q_rf仍然需要进行限幅处理。通过以下公式(5)计算出给定无功输出量Q^*。

其中S为整流器允许输出的最大视在功率，P^*为功率控制环节中有功功率给定参考值，在有功功率控制环节调节截止频率远大于电压控制环节截止频率时，可以将P^*看做一个稳定数值。有功功率给定参考值P^*的计算是将整流器主电路直流侧电压平方后的值作为反馈量，与给定电压基准值平方比较，经过PI调节器控制后得出。

本实施例的上述谐波的瞬时有功功率P_h和谐波的瞬时无功功率Q_h的计算步骤如下：

电网公共点的电流i_sa、i_sb、i_sc在经过d-q变换后i_sd、i_sd，其中的交流分量即为d-q坐标系下的谐波分量，采用适当方法便可以提取出本发明所需的谐波电流i_hd、i_hd，然后根据以下公式(6)、公式(7)将谐波电流i_hd、i_hd分别乘以u_sd，可求得P_h、Q_h，

P_h＝u_sd·i_hd (6)

Q_h＝u_sd·i_hq (7)

其实，本实施例所涉及的上述谐波的瞬时有功功率P_h不具备实际物理意义，这是一个为了能让谐波电流信号有功分量能加入到功率计算环节而作的一个中间变量。谐波的瞬时无功功率Q_h也是不具备实际物理意义，这是一个为了能让谐波电流信号无功分量能加入到功率计算环节而作的一个中间变量。

综上所述，本发明提供的兼顾电能质量治理的PWM整流器其结构特征是一种电压型PWM整流器，控制系统有集中控制器，和至少一个从属控制器，集中控制器负责计算电网公共点电能质量，从属控制器以电能质量为参考值，对整流器主电路进行具体控制，并将自身剩余的输出能力余量值返回给输出指标计算单元。集中控制器和至少一个从属控制器之间可以采用光纤进行数据传输，或者将这两类控制单元内核集成在一块芯片内部由通讯线路驱动整流器主电路及其外围电路。

本发明的PWM整流器的控制方法使用了在功率内环控制器中引入功率前馈解耦，减少有功功率和无功功率互相干扰，降低PWM整流器在进行无功补偿时对直流侧电压的波动影响。具有能量吸收模式和能量回馈模式，在该两种模式下都可以进行无功补偿和/或谐波抑制，实现了以完成直流侧有功功率传输为首要目的，充分利用PWM整流器剩余容量及电池的储能能力解决公共点的电能质量问题。

需要指出的是，上述较佳实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。